數(shù)字孿生水利水電工程擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立方法

伍杰 姜佩奇 劉輝 劉志明 張社榮

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；擴(kuò)展；BIM；IFC；數(shù)字孿生；水利水電工程

水利部高度重視智慧水利建設(shè)，將智慧水利作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志并大力推進(jìn)。智慧水利建設(shè)主要內(nèi)容為數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)，其包括數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程三部分。水利部提出新建大型和中型水利樞紐工程、引調(diào)水工程、泵站工程．大型灌區(qū)輸配水工程、江河湖泊治理工程、蓄滯洪區(qū)工程應(yīng)同步開展數(shù)字孿生設(shè)計。據(jù)不完全統(tǒng)計，在國內(nèi)外工程數(shù)字孿生實現(xiàn)過程中，將近90%的時間被用在建模過程中，若不選擇合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則會降低模型的可靠性、可計算性、可維護(hù)性等。

水利水電工程涉及地質(zhì)、測繪、水工、機(jī)電等眾多專業(yè)，各專業(yè)之間需要協(xié)同配合。BIM技術(shù)是數(shù)字孿生工程設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，為工程設(shè)計提供更為便捷有效的途徑。然而，BIM成果大都是以整體模型文件的形式傳遞，如果不對數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，將導(dǎo)致各專業(yè)難以形成統(tǒng)一的BIM數(shù)據(jù)使用規(guī)則和使用需求，數(shù)據(jù)互通難度加大，冗余信息增多，嚴(yán)重影響模型的使用，因此現(xiàn)階段亟須形成一套符合水利水電工程標(biāo)準(zhǔn)的BIM表達(dá)和多專業(yè)數(shù)據(jù)互通方法。為實現(xiàn)BIM的規(guī)范性數(shù)據(jù)交換，IAI（國際協(xié)同工作聯(lián)盟）提出了IFC，其是一種工程數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。但I(xiàn)FC中的實體類型有限，構(gòu)件數(shù)據(jù)交換時往往會因表達(dá)方式不一致而丟失數(shù)據(jù)。針對這一問題，近年來各學(xué)者也展開了大量研究。例如：Xu等首次建立了PPP（政府和社會資本合作）項目績效評價指標(biāo)體系，通過IFC映射和擴(kuò)展表達(dá)了評價指標(biāo)信息，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于IFC的PPP項目績效評價模型。Xu等提出一種基于Brep（邊界表示）的實體轉(zhuǎn)換方法，利用IFC標(biāo)準(zhǔn)中的幾何模型實現(xiàn)了有限元分析，同時基于IFC信息的擴(kuò)展和表達(dá)，實現(xiàn)了有限元結(jié)構(gòu)信息的快速提取。Krijnen等對IFC整體架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，為點云模型和IFC文件的統(tǒng)一存儲提供了方法指導(dǎo)。Kim等提出了IFC擴(kuò)展的范圍和理論基礎(chǔ)、主要建模概念、實體定義方法以及實現(xiàn)方案。上述方法都為IFC擴(kuò)展提出了不同的解決方案。然而，目前卻沒有一套針對水利水電工程的可擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立方法。本文提出水利水電工程按需擴(kuò)展IFC原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法，實現(xiàn)包含幾何信息、屬性信息等的擴(kuò)展IFC導(dǎo)出，以期滿足水利水電工程信息存儲與應(yīng)用需求。

1水利水電工程IFC擴(kuò)展方法

1.1IFC標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

IFC結(jié)構(gòu)從低到高分為資源層（ARCHITECTURELAYER）、核心層（CORE LAYER）、共享層（INTEROP-ERABILITY LAYER）和領(lǐng)域?qū)樱―OMAIN LAYER）。各層之間有嚴(yán)格的引用規(guī)則，一個實體可以引用同層或更低層的元素，但不能引用高層的元素。當(dāng)上層資源發(fā)生調(diào)整后，下層資源不會受影響。資源層提供角色資源、審批資源、約束資源、成本資源、時間資源、外部參考資源、幾何約束資源、幾何模型資源、幾何資源、材質(zhì)資源、測量資源、外觀定義資源、介紹定義資源、介紹組織資源、檔案資源、屬性資源、數(shù)量資源、表示資源、結(jié)構(gòu)荷載資源、拓?fù)滟Y源和公用資源共21個資源塊，可被任意調(diào)用。核心層提供建筑工程核心數(shù)據(jù)模型，包括1個內(nèi)核模塊和3個擴(kuò)展模塊（控件擴(kuò)展模塊、過程擴(kuò)展模塊和產(chǎn)品擴(kuò)展模塊）。核心層主要用于定義實體的基本結(jié)構(gòu)、基本關(guān)系和通用概念，可被共享層和領(lǐng)域?qū)右?。共享層提供共享建筑元素、共享建筑服?wù)元素、共享組件元素、共享設(shè)施元素和共享管理元素共5類元素，用于定義建筑領(lǐng)域的共同概念或?qū)ο?。共享層定義的元素可以被共享層和領(lǐng)域?qū)右谩ｎI(lǐng)域?qū)犹峁┙ㄖI(lǐng)域、建筑控制領(lǐng)域、施工管理領(lǐng)域、電氣領(lǐng)域、暖通領(lǐng)域、管道領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)元素領(lǐng)域共8個領(lǐng)域。領(lǐng)域?qū)邮荌FC結(jié)構(gòu)的最高層次，層中定義的實體是自包含的，不能被其他層引用。

水利水電工程本身包含眾多專業(yè)，須使用領(lǐng)域?qū)又薪ㄖI(lǐng)域、結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)元素領(lǐng)域、電氣領(lǐng)域和施工管理領(lǐng)域的實體定義，共享層中的板（IFCSlab）、柱（IFCColumn）、梁（IFCBeam）等共享建筑元素，以及項目訂單（IfcProjectOrder）、項目成本（IfcCostltem）等共享管理元素。但對于水利水電工程獨有的擋水建筑物、施工導(dǎo)流建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等眾多功能性建筑物，須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。此外，針對未被納入共享建筑元素中的灌漿、襯砌、噴混、支護(hù)、止水等公共構(gòu)件，也須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。

1.2IFC擴(kuò)展模式

IFC擴(kuò)展模式包括基于IfcProxy的擴(kuò)展、實體擴(kuò)展和屬性集擴(kuò)展三類?；贗fcProxy的擴(kuò)展是對IFC中未定義的實體進(jìn)行通用性表達(dá)。通過實例化IfcProxy并賦予相應(yīng)的幾何描述和屬性集描述，即可實現(xiàn)BIM元素的IFC表達(dá)。實體擴(kuò)展通過新增實體描述來實現(xiàn)。在符合IFC表達(dá)規(guī)則的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展IFC的實體描述，并建立與已有實體的派生和關(guān)聯(lián)關(guān)系，可實現(xiàn)擴(kuò)展實體的表達(dá)。屬性集擴(kuò)展面向靜態(tài)屬性集、預(yù)定義屬性集和自定義屬性集。靜態(tài)屬性集是依附于實體的屬性信息集合，不會改變IFC原有結(jié)構(gòu)框架。預(yù)定義屬性集和自定義屬性集統(tǒng)稱為動態(tài)屬性集，可先在已有屬性集的框架內(nèi)擴(kuò)展，之后再與實體關(guān)聯(lián)。本文采用實體擴(kuò)展結(jié)合屬性集擴(kuò)展的方式實現(xiàn)基于IFC的數(shù)字孿生水利水電工程標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式表達(dá)。

1.3IFC擴(kuò)展表達(dá)

IFC表達(dá)遵循客觀化關(guān)系的原則，這意味著實體之間的語義相關(guān)關(guān)系不是通過實體的直接關(guān)聯(lián)形成的，而是要借助表示關(guān)系的中介對象；同時，IFC的相關(guān)關(guān)系表達(dá)存在一個重要原則，即前向關(guān)系總是由關(guān)系對象構(gòu)成，并指向相關(guān)對象。圖1為IFC表達(dá)的中介對象。IfcRelationship是IFC中所有客觀關(guān)系的抽象概括，包括IfcRelAssociates、IfcRelDecomposes、If_cRelDefines、IfcRelConnects、IfcRelAssigns 5種關(guān)聯(lián)方式。IfcRelAssociates用于關(guān)聯(lián)庫、文檔、約束、材料等信息源，IfcRelDecomposes定義被組合或分解元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，IfcRelDefines用于將屬性集分配給對象實例或?qū)傩约０宸峙浣o屬性集，IfcRelConnects用于定義物理實體間的連接關(guān)系，IfcRelAssigns用于連接If_cObject實例和它的第一級子類型。

本文擴(kuò)展采用在IFC4格式文件中定義擴(kuò)展內(nèi)容的方式。在遵照原有類別和屬性的同日寸，擴(kuò)充類型（Type）、功能（Function）和規(guī)則（Rule），用于描述各類構(gòu)件之間的所屬關(guān)系與屬性集信息。EXPRESS語言作為一種非實現(xiàn)語言，獨立于建模軟件存在，因此可以直接在IFC標(biāo)準(zhǔn)的EXPRESS文件基礎(chǔ)上擴(kuò)展新的實體類型和屬性集。本文采用EXPRESS-G視圖結(jié)合開源軟件Express Engine Tools實現(xiàn)IFC擴(kuò)展，避免龐雜的修改工作，降低出錯率。

1.4水利水電工程IFC擴(kuò)展體系

水利水電工程建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，涵蓋規(guī)劃、可研、初設(shè)、施工圖設(shè)計、建設(shè)、運維等階段，涉及眾多專業(yè)，各專業(yè)業(yè)務(wù)既有一定的獨立性，又密切相關(guān)。因此，水利水電工程IFC擴(kuò)展既要滿足各階段數(shù)據(jù)移交的需要，又要滿足專業(yè)間的協(xié)同交互。為保證各階段移交數(shù)據(jù)不丟失，IFC擴(kuò)展應(yīng)按照《水利水電工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（T/CWHIDA 0007-2020），保證移交前后編碼的一致性；同時須在已有領(lǐng)域的基礎(chǔ)上擴(kuò)展水利水電工程領(lǐng)域，用于在IFC已有框架結(jié)構(gòu)下對水利水電工程功能性建筑物進(jìn)行區(qū)分。為保證專業(yè)間高效協(xié)同，應(yīng)對各專業(yè)設(shè)計的成果進(jìn)行實體類型定義和屬性集擴(kuò)展。在共享層中，針對未被納入共享建筑元素的公共構(gòu)件，也須進(jìn)行補(bǔ)充完善。擴(kuò)展后的IFC體系見圖2。

2壩體IFC擴(kuò)展表達(dá)

擋水建筑物是最重要的水工建筑物，其作用是攔截或約束水流、壅高水位、調(diào)蓄水量，包括大壩、堤防、海堤、施工圍堰等。大壩主要功能是攔截和調(diào)節(jié)水流，形成水庫，使蓄水庫的水能夠用于發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和城市供水等。大壩設(shè)計方案的確定要經(jīng)歷選址等過程，因此在擴(kuò)展壩體的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對其空間聚合關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)展表達(dá)，以滿足后續(xù)移交需求。壩體的選型、壩高、坡度、材料分區(qū)等設(shè)計結(jié)果應(yīng)實現(xiàn)規(guī)范化入庫，并通過屬性集擴(kuò)展實現(xiàn)模型與入庫信息的動態(tài)關(guān)聯(lián)。

2.1大壩實體擴(kuò)展表達(dá)

水利水電工程實體擴(kuò)展表達(dá)的目的是為功能構(gòu)件提供規(guī)范化的語義信息描述和空間信息描述，從而保證數(shù)據(jù)提取的高效性和數(shù)據(jù)交互的便捷性。新定義的實體表達(dá)可引用同層或下層的類別，從而大大提高表達(dá)的規(guī)范性和效率。大壩的實體擴(kuò)展表達(dá)見圖3，其中IfcDamElement表示實體類型，IfcDamElementType提供IfcDamElement的類型信息。

2.2壩體IFC空間聚合關(guān)系擴(kuò)展表達(dá)

由于水利水電工程涉及專業(yè)眾多、系統(tǒng)龐雜、設(shè)計周期較長，因此在進(jìn)行實體擴(kuò)展的同時，還應(yīng)對其空間聚合關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，即描述不同層次空間對象的聚合關(guān)系。描述空間語義信息的類包括IfcSite．IfcBuilding、IfcBuildingStorey以及IfcSpace，這些實體的屬性和特性均來自IfcSpatialStructureElement。

IfcDam在IFC模型中的空間層次描述見圖4。層次結(jié)構(gòu)的頂部是IfcProject對象，它描述項目的整體信息。IfcSpatialStructureElement攜帶的CompositionType屬性定義元素是整體的一部分還是嵌人類型。元素的實體描述和空間描述通過關(guān)系類IfcRelReferencedln-SpatialStructure實現(xiàn)，IfcRelContainedInSpatialStructure只能將一個實體對象分配給一個空間對象。若一個實體對象需要被鏈接到多個空間對象，則應(yīng)該通過IfcRel-ReferencedInSpatialStructure鏈接到其他空間對象。

2.3壩體IFC屬性集擴(kuò)展表達(dá)

屬性集擴(kuò)展表達(dá)是對語義擴(kuò)展表達(dá)的補(bǔ)充。根據(jù)水利水電工程的屬性擴(kuò)展需求，將這些直接定義在IFC中的屬性集稱為集成式屬性集，將存儲在各個數(shù)據(jù)庫中的屬性集稱為分布式屬性集，并形成以集成式屬性集為主、分布式屬性集為輔的屬性集擴(kuò)展表達(dá)方式。IFC的屬性集擴(kuò)展表達(dá)見圖5。

3水利水電工程壩體IFC擴(kuò)展文件導(dǎo)出與驗證

3.1基于Autodesk Revit的導(dǎo)出功能開發(fā)

選擇Autodesk Revit商業(yè)軟件為BIM建模軟件，Microsoft Visual Studi0 2017為基礎(chǔ)開發(fā)工具。通過安裝Autodesk Revit 2019的SDK包實現(xiàn)IFC文件導(dǎo)出，其涵蓋名稱、版本、類別、IFC導(dǎo)出規(guī)則、XML描述規(guī)則等。其中IFC導(dǎo)出規(guī)則以Revit IFC Exporter開源工具包為基礎(chǔ)，利用IFCExporterUIOverride定義IFC導(dǎo)出界面，采用xaml進(jìn)行描述；利用Revit. IFC. Common定義導(dǎo)出實體類型、IFC文件導(dǎo)出頭與基本結(jié)構(gòu)、導(dǎo)出過程、導(dǎo)出進(jìn)度條、兼容類型檢查方法、實體類型驗證方法、節(jié)點樹的通用導(dǎo)出方法等；利用Revit. IFC. Export定義導(dǎo)出類別、屬性集與關(guān)聯(lián)關(guān)系。為保證BIM信息的規(guī)范化入庫，在Exporter.cs中的ExportIFC（）方法中添加模型文件導(dǎo)人數(shù)據(jù)庫的操作。

3.2XML描述

XML描述采用mvdXML實現(xiàn)，XML文件后綴名為.xsd。mvdXML的實體描述規(guī)則是一致的，以Ifc-DamBody為例進(jìn)行說明，其mvdXML描述定義見圖6，包含名稱、類型、父元素、屬性集描述等。

3.3EXPRESS描述修改

IFC擴(kuò)展規(guī)則采用EXPRESS語言描述，后綴名為.exp。EXPRESS語言是一種面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ兔枋稣Z言，可以與各種編程環(huán)境（C、C++、FORTRAN等）銜接，其自身具備一種不依賴于系統(tǒng)的中性機(jī)制，可在不受軟件本身局限的基礎(chǔ)上靈活修改，因此將擴(kuò)展表達(dá)定義在IFC文件中。EXPRESS描述修改內(nèi)容包括領(lǐng)域?qū)用枋觥⒐蚕韺用枋龊蛯傩约枋?，其中：領(lǐng)域?qū)用枋鲈黾覧NTITY IfcHydraulicElement及其子集，共享層描述增加ENTITY IfcDamElement及其子集，屬性集描述士曾加TYPE IfcDamBodyTypeEnum。

3.4接口調(diào)用與文件導(dǎo)出

調(diào)整并加載自定義的族映射關(guān)系exportlayers -ifc -IAI.txt，勾選導(dǎo)出Revit屬性集選項，定義導(dǎo)出路徑和導(dǎo)出版本，點擊導(dǎo)出，即可導(dǎo)出擴(kuò)展IFC文件，并將相關(guān)信息存儲至數(shù)據(jù)庫中。

3.5導(dǎo)出結(jié)果驗證

導(dǎo)出的IFC文件以“ISO-10303-21;”開頭，以“END-ISO-10303-21;”結(jié)尾。IFC文件包括HEADER和DATA兩部分．HEADER首端以“HEAD-ER;”開頭，以“ENDSEC；”結(jié)尾，內(nèi)容涵蓋文件描述、IFC版本等信息；數(shù)據(jù)段以“DATA;”開頭，以“END-SEC;”結(jié)尾，內(nèi)容涵蓋BIM模型的所有屬性信息。使用文檔編輯器打開導(dǎo)出的IFC文件，可檢索到IFC-DAMELEMENT及其擴(kuò)展屬性，見圖7，證明擴(kuò)展實體與屬性已被識別與導(dǎo)出。

4面向設(shè)計變更的水利水電工程數(shù)據(jù)階段性移交應(yīng)用

水利水電工程具有極強(qiáng)的實踐性、復(fù)雜性、風(fēng)險性，往往會因沒有充分考慮實際建設(shè)條件而調(diào)整設(shè)計方案并進(jìn)行設(shè)計變更結(jié)果的數(shù)字移交。在數(shù)字移交過程中，不僅要保留未變更和發(fā)生變更的設(shè)計結(jié)果及相關(guān)說明文件，還要保證已有的施工信息不丟失，設(shè)計變更階段新產(chǎn)生的施工信息能夠與變更后的設(shè)計結(jié)果自動關(guān)聯(lián)。基于此，結(jié)合上述研究成果，建立面向設(shè)計變更的數(shù)字移交方法，見圖8。當(dāng)發(fā)生設(shè)計變更時，首先結(jié)合工程實際情況對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，使用BIM工具建立新的設(shè)計方案；其次利用擴(kuò)展IFC導(dǎo)出接口將BIM設(shè)計結(jié)果以擴(kuò)展IFC的形式導(dǎo)出，并建立變更要素與設(shè)計信息庫、施工信息庫之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建完整的數(shù)字移交模型：再次以設(shè)計階段完成時構(gòu)建的數(shù)字移交平臺為基礎(chǔ)，啟動相應(yīng)的服務(wù)功能，并將擴(kuò)展IFC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成可供平臺解析的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計變更階段產(chǎn)生的施工管理信息一同發(fā)布到數(shù)字移交平臺：最后將整個平臺移交至施工方手中，實現(xiàn)面向設(shè)計變更的數(shù)字移交。

以一次設(shè)計變更為例，云南省某大壩建基面開挖后，依據(jù)開挖揭露的地質(zhì)條件對11#-13#壩段進(jìn)行設(shè)計變更：上游側(cè)增加高程為1430m的平臺，其上、下坡比分別調(diào)整為1：0.75、1：1：下游側(cè)擴(kuò)大高程為1440m的平臺范圍：8#壩段下游側(cè)建基面高程由1422m抬高至1427m; 9#-11#壩段壩橫0+065.00后建基面高程由1422m抬高至1425m，最終的數(shù)字移交模型見圖9?；谠O(shè)計結(jié)果進(jìn)行模型出圖，并存儲到設(shè)計信息庫。數(shù)字移交模型的轉(zhuǎn)換與信息關(guān)聯(lián)操作界面見圖10，最終的平臺發(fā)布結(jié)果見圖11，相應(yīng)的設(shè)計信息和施工信息都被關(guān)聯(lián)到模型結(jié)構(gòu)中。

5結(jié)論

通過按需擴(kuò)展IFC原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)包含幾何信息、屬性信息等的擴(kuò)展IFC導(dǎo)出，并通過數(shù)據(jù)移交案例，驗證該方法的有效性。具體成果如下：

1）提出一套針對水利水電工程的IFC擴(kuò)展方法。在不影響IFC原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的前提下，通過在IFC的共享層和領(lǐng)域?qū)訑U(kuò)展水利水電工程實體、空間聚合關(guān)系和屬性集，形成一種滿足水利水電工程各階段數(shù)據(jù)移交和專業(yè)間協(xié)同交互需求的新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2）提出一套基于Autodesk Revit軟件的IFC擴(kuò)展文件導(dǎo)出方法，并通過對導(dǎo)出文件進(jìn)行信息檢索，驗證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性和信息的完整性。該方法具有一定的普適性，對于鐵路、市政等工程BIM模型的IFC擴(kuò)展文件導(dǎo)出同樣適用。

3）提出一套面向設(shè)計變更的水利水電工程數(shù)據(jù)階段性移交方案，實現(xiàn)施工階段數(shù)字化移交過程中數(shù)據(jù)的高效無損傳遞。然而，即使采用相同的IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，現(xiàn)階段不同BIM建模平臺之間依然存在部分兼容性不強(qiáng)和待優(yōu)化的問題，不同軟件廠商之間始終存在技術(shù)壁壘。因此，基于不同建模平臺的建模機(jī)制，研發(fā)兼容統(tǒng)一的協(xié)同交換工具，是未來應(yīng)重點解決的問題；同時，研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)BIM軟件是打破國外商業(yè)軟件桎梏的有效手段。