污水處理廠站BIM模型IFC擴展研究

摘要：為規(guī)范BIM數(shù)據(jù)格式，國際標準化組織（ISO）頒布了工業(yè)基礎類（IFC）標準。然而，污水處理廠站為特殊工程項目，傳統(tǒng)IFC標準難以滿足其功能需求描述。提出了一種針對污水處理廠站的IFC擴展方案，解決了IFC標準在架構領域?qū)嶓w信息不足的問題。通過實體擴展和自定義屬性集，詳細定義污水處理廠站的需求，派生出專業(yè)設備和設施實體，并利用現(xiàn)有IFC關系類定義了設備、設施與空間結構實體之間的關系。此擴展方案還實現(xiàn)了污水處理負荷和運行參數(shù)等屬性的表達。最后通過一個實際設計案例驗證了該擴展方案的實用性。該方案能夠有效推動污水處理廠站工程信息的數(shù)字化表達，提高信息共享與協(xié)同效率，提升項目管理的精確性和可控性。

關 鍵 詞：BIM；IFC擴展；污水處理廠站；長江大保護

中圖法分類號：TP391 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.056

0 引言

污水處理廠站作為城市和工業(yè)污水治理的重要基礎設施，其建設和運營直接關系到水環(huán)境的改善和保護。污水處理廠站的設計和建造涉及多個學科，包括流體力學、結構設計、微生物工程等，這導致其不僅構筑物數(shù)量多，提標改造過程中管線綜合、設備安裝、各專業(yè)配合等方面的難度也大大增加^［1］。針對城市污水處理廠站規(guī)模大、工藝復雜、管線錯綜復雜、多專業(yè)配合難度高等問題，BIM（Building Information Modeling）技術提供了新的思路，借助其獨有的共同協(xié)作平臺可以增強溝通與協(xié)調(diào)，打破各專業(yè)間界限，成為污水處理廠站設計的重要技術手段^［2］。

BIM技術是以工程建設領域為對象，基于建設項目全生命周期的信息化、智能化的方法和過程；由于其具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等一系列優(yōu)點，已逐漸成為建設領域通用的數(shù)據(jù)表達方式。但是在工程全過程、全專業(yè)、全參與的過程中，BIM應用軟件種類繁多（如Revit，Bentley，Catia，Tekla Sructurest，Rhinoceros等），不同軟件生成的文件格式不盡相同，導致數(shù)據(jù)交互困難，易形成信息孤島^［3］。為此，國際協(xié)作聯(lián)盟組織（International Alliance for Interoperability，IAI，現(xiàn)名Building SMART）提出以IFC（industry foundation classes）作為BIM數(shù)據(jù)交換的標準^［4］。IFC是一個公開的、結構化的、基于對象信息的數(shù)據(jù)交換格式，定義描述BIM的標準格式，定義項目全生命周期中各個階段的數(shù)據(jù)如何提供與存儲。近年來，國內(nèi)外有越來越多的企業(yè)和研究學者對IFC標準不斷開展深入的研究。如德國漢堡工業(yè)大學的研究人員提出和設計了一個名為“IFC Monitor”的IFC擴展，以便在BIM中描述結構健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)^［5］。劉丹等基于IFC標準研究了水利水電工程信息模型的BIM存儲標準^［6］；楊緒坤等基于IFC擴展研究了鐵路工程BIM存儲標準^［7］；陳國良等基于IFC標準研究了三維地質(zhì)模型的擴展模型IFC—3DGeoMdl，實現(xiàn)了地質(zhì)模型與其他專業(yè)BIM模型的集成^［8］。然而，針對污水處理廠站的IFC研究仍相對比較滯后，存著眾多特定的設施和設備未能涵蓋于IFC標準之內(nèi)，不能完整地表達所有設施與設備，導致信息共享或交換時存在問題。因此需要一套科學合理的機制擴展IFC實體，實現(xiàn)有效的信息轉(zhuǎn)換和共享。

本文采用IFC標準進行擴展和定義，實現(xiàn)污水處理廠站BIM數(shù)據(jù)格式的標準化，消除數(shù)據(jù)流通的障礙，提升數(shù)據(jù)交互的效率和準確性，滿足污水處理廠站工程領域的應用需求，為污水處理廠站的規(guī)劃、設計、施工和管理提供更為精確和高效的數(shù)據(jù)支持。

1 IFC標準概述

IFC是由建筑智能模型聯(lián)盟（building SMART International）開發(fā)和維護的一種數(shù)據(jù)標準，用于在建筑信息模型（BIM）領域內(nèi)進行信息交換和共享。作為一個開放和中立的標準，IFC旨在促進建筑和基礎設施項目全生命周期中的數(shù)據(jù)互操作性，涵蓋了設計、施工、運營和維護等各個階段^［4］。其采用EXPRESS語言、XML語言對各種實體、枚舉類型等進行定義。IFC標準因其良好的公開性、數(shù)據(jù)描述的全面性已迅速成為各大BIM軟件廠商之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的應用標準。

1.1 IFC結構層次

IFC標準通過層次化結構系統(tǒng)地描述BIM數(shù)據(jù)，這種層次結構確保了IFC標準的全面性和靈活性，使其能夠準確地描述和交換復雜的建筑信息模型數(shù)據(jù)，并支持不同專業(yè)領域的特定需求。通過這種層次化結構，IFC標準能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺、跨領域的建筑信息集成和互操作性，提高了BIM在建筑行業(yè)中的應用效果。

IFC包含了資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、共享層（Shared Layer）和領域?qū)樱―omain Layer）4個層次^［9］。最底層的資源層是IFC的基礎，其定義了21類資源集，提供了構建模型所需的各種基本元素和屬性。第二層核心層描述了建筑模型的核心概念和關系，提供了建筑模型的基本框架和結構，使得建筑信息可以被準確地表示和交換。第三層共享層定義了眾多領域中通用的建筑、管理、建筑服務、設備、組件等元素，用來表達建筑模型信息，可在不同的建筑領域進行信息交互和共享。最頂層領域?qū)佑糜诙x特定領域的建筑模型和相關信息，具有對建筑模型進行更深入和具體描述的能力，使得IFC可以滿足不同行業(yè)和應用領域的需求。

1.2 IFC標準擴展機制

IFC標準采用了靈活的擴展機制，包含3種擴展方式，分別是增加IfcProxy實體擴展、IFC屬性集擴展和IFC實體擴展^［10］。通過這些擴展方式可以在IFC現(xiàn)有的實體和屬性基礎上進行擴展。IfcProxy實體擴展通過在IFC模型中使用IfcProxy表示沒有具體分類或標準化的對象的實體，用于臨時添加新的實體類型，其無需修改IFC標準，操作簡單。但以此法定義的實體名稱均相同，不利于開發(fā)者閱讀。IFC屬性集擴展通過定義新的屬性集以及將屬性集附加到特定的實體類型上，其擴展容易，運行效率高。IFC實體擴展通過定義新的實體類或在現(xiàn)有實體的基礎上添加新的屬性或子類型，其生成的文件可讀性強，運行效率高，不受版本限制。

在對IFC標準的研究和應用過程中，研究者發(fā)現(xiàn)在污水處理廠站工程領域，目前的IFC標準對污水處理的專業(yè)設施和設備缺少相應的實體類型。國外的Heinrich等研究了基于BIM描述污水處理廠的語義數(shù)據(jù)模型^［11］，為IFC標準在污水處理廠站相關的實體擴展提供了思路，國內(nèi)的宋承明總結了基于BIM技術的污水處理廠設計^［12］。本文基于IFC標準，通過新增IFC屬性集擴展和IFC實體擴展的方法，對污水處理廠站BIM模型進行擴展。

2 定義污水處理廠站數(shù)據(jù)模型

2.1 污水處理廠站信息模型概念

污水處理廠站是一個復雜的工程系統(tǒng)，通常由土建設施和機電設備組成，這些設備設施共同工作以處理和凈化污水。其中核心的土建設施又以污水處理池為主，包括沉砂池、初級沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、過濾池、消毒池、污泥濃縮池等，核心的機電設備包括泵、機拌器、攪拌器、濃縮機、脫水機、投藥設備、消毒設備等。圖1描述了一個污水處理廠站的核心設備和設施。

污水處理廠站運行流程包括預處理、一級處理、二級處理、三級處理和污泥處理5個主要階段。每個階段都有特定的設備和工藝，協(xié)同工作以有效去除污水中的污染物，確保最終出水符合環(huán)境排放標準或再利用要求。污水進入處理廠后，首先在預處理階段通過格柵和沉砂池去除大塊雜質(zhì)、懸浮物和較重的無機顆粒物。隨后進入一級處理階段，污水進入初級沉淀池，通過重力沉降去除較大的懸浮固體和部分有機物。沉降到池底的污泥被收集并送往污泥處理系統(tǒng)。緊接著進入二級處理階段，曝氣池通過供應空氣為生物凈化過程提供氧氣，如細菌降解氮和有機物質(zhì)等。之后，在二次沉淀池中，活性污泥包括細菌、降解產(chǎn)物和惰性顆粒等在重力作用下與凈化水分離。進入三級處理階段，凈化水經(jīng)過物化處理、生物處理和消毒等多重步驟后，最終排放或再利用。處理過程所產(chǎn)生的污泥，經(jīng)過濃縮、消化和脫水處理后，體積大幅減少，便于后續(xù)的運輸和處理。

2.2 污水處理廠站工程信息模型基礎數(shù)據(jù)體系結構

遵循以上的概念，污水處理廠站工程信息模型基礎數(shù)據(jù)體系結構是在IFC體系結構的基礎上，根據(jù)污水處理廠站工程需要進行擴展，如圖2所示。在共享層中增加了污水處理廠站工程共享模式的定義，包括公用類型、公用空間結構、公用零件和公用屬性集。在專業(yè)領域?qū)訑U展了污水處理廠站專業(yè)領域。

污水處理廠站工程空間結構組成如圖3所示。污水處理廠站項目（IfcProject）包含一個污水處理廠（IfcWWTP）。污水處理廠可包含多個污水處理池（IfcWWTPTank）、一個進水口（IfcIntakeSturcture）、多個格柵（IfcRock）、一個出水口（IfcOutletStructure）、多個污水處理設備（IfcWWTPEquipment）、建筑（IfcBuilding）、傳感器設備（IfcDistributionControlElement）、管網(wǎng)設施（IfcDistributionFlowElement）。其中，IfcRelAggregates用于表示一個對象由多個部分對象聚合而成的關系。該類定義了整體和部分之間的聚合關系，即一個對象（整體）可以由一個或多個其他對象（部分）組成。RelatingObject表示整體對象，是聚合關系的父級或容器對象

3 基于IFC的污水處理廠站工程具體擴展

對于污水處理廠站此類特殊類型的工程項目，需要詳細描述各種處理設備、結構組件和工藝流程，這些信息在傳統(tǒng)的IFC實體類中不存在或不夠詳細。同時圖3 污水處理廠站工程空間組成

也無法完全涵蓋其所有屬性需求，例如需要詳細描述處理負荷、運行參數(shù)、化學成分、設備規(guī)格等。因此，需要基于污水處理廠站工程對IFC標準進行實體和屬性集的擴展，以滿足特定需求。

3.1 污水處理廠站工程實體類擴展

污水處理廠（IfcWWTP）常常由多個特殊類型污水處理池（IfcWWTPTank）和污水處理設備（IfcWWTPEquipment）組成，這些特殊的污水處理池和污水處理設備需要單獨定義。其中，從污水處理池中派生出調(diào)節(jié)池（IfcEqualizationTank）、沉砂池（Aerationlnstallation）、初級沉淀池（IfcPrimaryClarifier）、曝氣池（IfcAerationTank）、二次沉淀池（IfcSecondaryClarifier）、濃縮池（IfcThickener）、消化池（IfcDigestionTank）、污泥存儲池（IfcSludgeStoragelank）等。從污水處理設備中可派生出刮泥機（lfcSeraperInstallation）、旋轉(zhuǎn)式布水器（IfcRotaryDistributor）、曝氣設備（lfcAerationInstallation）等。沉砂池還可以派生出平流式沉砂池（IfcHorizontalGritChamber）、豎流式沉砂池（IfcVerticalGritChamber）、旋流式沉砂池（IfcCentrifugalGritChamberTank）、曝氣沉砂池（IfcAeratedGritChamberTank）等。此外，IFC中原生的實體類型，包括建筑（IfcBuilding）用于聚合污水處理專業(yè)設備之外的建筑實體，例如員工宿舍、辦公樓、倉庫等。分配流元素（IfcDistributionFlowElement）被用于定義諸如管段（IfcPipeSegment）、管件（IfcPipeFitting）和泵（IfcPump）等類型的實體。分配控制元素（IfcDistributionControlElement）被用于定義諸如傳感器（IfcSensor）和流量儀（IfcFlowInstrument）之類的測量設備。圖4以EXPRESS-G圖的形式展示了污水處理廠站IFC擴展實體類的關系。

以污水處理池為例，進行污水處理池的類型定義（TYPE），使用IfcWWTPTankTypeEnum表示污水處理池類型，進而進行實體定義（ENTITY）。EXPRESS代碼如下：

TYPE IfcWWTPTankType Enum=ENUMERATION OF

（GRITCHAMBER

，EQUALIZATION

，PRIMARYCLARIFIER

，AERATION

，SECONDARYCLARIFIER

，THICKENER

，DIGESTION

，SLUDGESTORAGE

，USERDEFINED

，NOTDEFINED）；

END_TYPE；

ENTITY IfcWWTPTank

SUBTYPE OF（IFCWWTP）；

PreDefinedType：IfcWWPTTankTypeEnum；

END-ENTITY；

3.2 污水處理廠站工程屬性集擴展

屬性定義是污水處理廠站工程IFC擴展的重點目標之一，需要根據(jù)污水處理廠站的專業(yè)設計需求，對分解的每一個實體進行屬性定義。屬性集主要用于在設計與建造階段集成空能特性的信息。如在設計初期，需要考慮污水處理廠站的屬性，表1列舉了污水處理廠的通用屬性。

二次沉淀池作為污水處理廠站中較為復雜的設施之一，其內(nèi)部的污水凈化效率深受水循環(huán)的影響。水循環(huán)則受到包括流入速度、池體的幾何形狀等多個因素的影響。此外，水循環(huán)還受到初次沉淀池和曝氣池的運行狀態(tài)的影響^［13］。表2列出了二次沉淀池的運行屬性。

作為IFC模式擴展實施的示例，圖5和圖6與表1和表2相對應，以EXPRESS-G圖顯示了實體IFCWWTP和IFCSECONDARYCLARIFIER的屬性。左側(cè)表示實體，右側(cè)表示屬性及其相應的數(shù)據(jù)類型。例如圖6中，實體IFCSECONDARYCLARIFIER的COMPAREDSLUDGEVOLUME屬性，數(shù)據(jù)類型使用實體IFCCOMPAREDSLUDGEVOLUMEMEASURE表示，用于描述污泥的沉降性能來評估處理效果；對于SLUDGEVOLUMEINDEX屬性，數(shù)據(jù)類型使用實體IFCSLUDGEVOLUMEINDEXMEASURE來表示，用于描述污泥體積指數(shù)。

4 驗證

為了驗證本文提出的基于IFC實體擴展及屬性集對污水處理廠站BIM模型擴展的有效性和適應性，自主研發(fā)了污水處理廠站IFC擴展融合工具，實現(xiàn)了對Revit建模的污水處理廠站BIM數(shù)據(jù)進行擴展。

4.1 實現(xiàn)過程

擴展軟件使用開源代碼IFCplusplus 2.2和OpenSceneGraph 3.7.0，編程環(huán)境使用Visual Studio 2019。具體實現(xiàn)過程如下：

（1）在IFCplusplus2.2的類庫中，為新增污水處理廠中的實體添加具體的實現(xiàn)類，并在IFC4.exp文件中添加新增實體的EXPRESS描述。

（2）在擴展軟件中加載解析Revit導出的IFC中性文件，遍歷模型中的所有實體，提取并讀取每個實體的描述信息。

（3）擴展軟件對每個實體的描述信息進行分析，檢查是否符合預先定義的語義條件。若某個實體的描述信息匹配這些條件，軟件將自動將其類型轉(zhuǎn)換為污水處理廠站中對應的實體類型。例如，如果一個實體在描述信息中被標記為“二次沉淀池”，其類型將自動轉(zhuǎn)換為IfcSecondaryClarifier類型，并為其添加Pset_SecendaryClarifierCommon屬性集。

（4）若在遍歷過程中未匹配到預定義的語義條件，則在擴展軟件的可視化界面中，可以手動修改實體類型并為其新增屬性集實體。

（5）轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)模型導出為擴展的IFC格式文件。

4.2 應用實例

以長江大保護智慧工程中宜昌東山污水處理廠的二次沉淀池為例，進行基于IFC標準的擴展應用。

該二次沉淀池設計流量3 300 m³/h，有效水深4.7 m，沉淀時間3.6 h，最大表面負荷1.11 m/h，固體負荷117.7 kg/（m²·d）。設計為7格矩形周進周出二次沉淀池模型，以Revit2020為基礎建模設計平臺，將其導出的IFC中性文件加載到污水處理廠站IFC擴展融合工具中，界面如圖7所示。

由于Revit軟件中缺乏污水處理廠站工程相關的標準定義，因此將該二次沉淀池歸類為IfcBuilding實體類型。通過本文軟件的轉(zhuǎn)換，將該IfcBuilding實體類型轉(zhuǎn)換為IfcSecondaryClarifier類型，并為其添加了Pset_WWTPTankCommon屬性集和SPset_SecondaryClarifier屬性集。圖8列舉了該二次沉淀池模型轉(zhuǎn)換前后的對比，可見基于IFC標準的污水處理廠站工程的擴展定義得到了準確反映。

最后，使用Solibri Office軟件打開導出的擴展后IFC文件，檢驗IFC文件中實體與屬性集信息的完備性。圖9為Solibri Anywhere打開的二次沉淀池擴展后IFC文件，二次沉淀池的實體和屬性集均能正確表達。

5 結語

為促進污水處理廠BIM模型設計階段信息轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)共享，提高污水處理廠站工程數(shù)字化建造水平，針對現(xiàn)有的IFC標準模型體系在描述污水處理廠信息方面存在的不足，本文以IFC標準為基礎，從實體擴展與自定義屬性集兩個方面對污水處理廠站工程進行了基于IFC標準的模式擴展，并在項目中以二次沉淀池進行了實證應用，且通過了測試軟件的嚴格驗證。

雖然本次研究的IFC擴展已能夠滿足污水處理廠的基本數(shù)據(jù)描述要求，但鑒于污水處理廠涉及多個工程學科，其現(xiàn)實應用場景具有復雜性和多樣性，因此，本研究的擴展實體類型和屬性集仍需根據(jù)實際應用需求進行進一步的擴充和完善。同時，由于時間等因素限制，擴展的屬性集僅包含設計階段信息，計劃下一步對施工與運維階段的數(shù)據(jù)信息進行研究，將動態(tài)信息數(shù)據(jù)融入到污水處理廠站工程數(shù)字化建造過程中，為有效提高污水處理廠施工和監(jiān)測效率提供技術支持。

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（編輯：鄭毅）