高速公路建设项目中的IFC 创新应用探讨

肖 波 冉光炯 白 皓 黎丁实

（1、四川高速公路建设开发集团有限公司,四川 成都610047 2、四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都610041）

目前公路工程BIM数据的生产依赖Bentley、Autodesk 等多个软件平台,尚无统一的文件格式；同时,由于业内缺乏统一的数据标准,不同的BIM生产单位所生产的数据格式不尽相同。这极大的影响了公路工程项目的BIM数据交互与共享,阻碍了BIM在公路工程行业的应用与推广。

工业基础类（Industry Foundation Class,IFC）标准是目前广泛采用的公开建筑信息模型数据存储标准。IFC 标准最初于1997 年由国际协同工作联盟（Industry Alliance for Interoperability,IAI,现已更名为BuildingSMART,bSI）发布,为工程建设行业提供了一个中性、开放的建筑数据表达和交换标准,现已修订至ISO 16739-2018（即IFC4x2）。业内已开展IFC的研究与应用,但在建设项目实际应用中,基于IFC 的数据与几何模型的交付与共享等过程中,仍出现诸如数据丢失、失真与几何异常等问题。同时,由于公路工程从业人员对IFC 标准的认识不足,导致基于IFC 的数据交互的应用思路受到质疑,延缓了IFC 的深入推广与应用。

本文总结多个项目的应用经验,介绍在公路工程中IFC 的应用,针对多平台多单位的数据协同与交互提出解决方案,并探讨当前IFC 标准在公路工程领域进一步推广须解决的问题。

1 IFC 的扩展

1.1 专业扩展

图1 IFC 体系结构

IFC 标准自下而上分为资源层Resource layer、核心层Core layer、共享层Interoperability layer 和领域层Domain layer 共4个层级,如图1 所示。其中领域层为不同领域的集合,形成各个领域的专题信息,这一层定义了最终的专业化的实体。目前IFC Schema 在领域层定义建筑控制、消防管理、结构构件、结构分析、HVAC、电气、建筑与施工管理8 个模块,尚无针对公路工程专门的模块。为更好的适应公路工程的应用需求,在领域层扩展了路基路面、桥梁、隧道等专业领域。

1.2 IFC 实体类型的扩展

IFC 标准提供的实体类型有限,需要对IFC 标准进行扩展以满足公路工程的应用需求。IFC 标准提供了三种扩展机制：基于IfcProxy 实体的扩展；通过增加实体定义的扩展；基于属性集的扩展。

笔者采用基于属性集扩展的方法。属性集是属性的集合,对事物及概念的描述可以通过多条属性存放于属性集中。属性集扩展提供了一种扩展信息描述的灵活方式,通过属性完成对信息的描述,方便了实体扩展的使用。按照属性来源不同,IFC标准将属性集分为预定义（PreDefined） 属性集和自定义（UserDefined）属性集。本方法不需要新增实体定义并定义新旧实体的关系,避免了与IFC 标准体系的内部冲突。

2 数据标准与IFC 的结合

由于BIM数据的生产涉及到多家参与方,为保证应用对数据的一致性提出很高要求。在建设方的推动下,制定企业标准,对IFC 体系下公路工程领域尚未明确的几个要素进行统一约定,主要包括以下几个方面：

2.1分类系统

信息模型的分类系统是数据生产与传递流转的基础,IFC作为一种数据标准,也需要与之相应的分类系统来完成数据的解译等工作。与建筑行业不同,公路工程行业尚无统一的分类标准。在《建筑信息模型分类和编码标准》（GBT 51269-2017）的基础上,吸收公路工程行业相关研究成果,并结合本地区项目应用实际,制定出公路工程的信息分类标准,主要涵盖基础类型、材料、属性等。每种类型对应相应的编码,将编码作为信息传递的载体,写入IFC 文件。

2.2 存储结构

为便于数据的管理及使用,需要定义不同类型之间的层次关系与约束类型。关系与约束在符合IFC 标准对实体类定义的基础上,还应符合公路工程行业的应用习惯。如上部结构（实体名IfcBridgePart）通过连接关系空间包含（IfcRelContainedInspatialStructure）了T 梁（实体名IfcBeam）、桥面板（IfcSlab）、横隔板（IfcSlab）等。路面存储结构如图2 所示。

图2 路面存储结构

2.3 属性信息

IFC 标准中对每个IFC 实体类型均有预定的属性集,如IFC4x2 标 准 中 对 IfcBeam 有 BeamCommon、ConcreteElementGeneral 等5 个属性集,每个属性集的属性个数从4 到19 个不等,但IFC 标准中预定的属性集并不完全适应国内公路工程行业的应用需求。从满足各个阶段的应用需求出发,需要对各个基础类型的属性进行有针对性的梳理与自定义。IFC4x2 体系主要包括有界值、枚举、列表、单值、表格型等6种类型的属性,结合企业标准,采用IfcPropertySingleValue 类型对属性进行表达,值型与枚举型属性表达分别为：

#73=IFCPROPERTYSINGLEVALUE （'41-05.13.01.00', $ ,IFCTEXT（'{"unit":"91-02.02.02.00","value":"90"}',$）;

#74=IFCPROPERTYSINGLEVALUE （'41-07.01.07.00', $ ,IFCTEXT（'{"unit":"","value":"46-01.07.03.00"}'）,$）;

图3 属性类型

3 存在的问题

经过多个项目的实践,IFC 在公路工程中已经落地并取得了较好的效果,但其进一步的推广应用还面临着以下几个问题：

（1）IFC 数据标准并没有涵盖公路工程的所有领域,甚至对于公路工程的基础类型支持也尚显不足。目前公路工程所使用的部分实体与关系类型是基于建筑工程领域进行的扩展,但建筑工程领域IFC 缺少规划、管理以及运营方面的扩展,这些因素都限制了IFC 在公路工程的进一步应用。

（2）目前行业层面的公路工程模型信息标准尚未推出,对于基础类型、储存结构与属性信息的要求也没有统一规定。这严重影响了模型数据的交互与共享,阻碍了IFC 标准的推广。

（3）由于BIM 数据的生产软件众多,且BIM 软件对导出IFC 格式的支持程度各有差异,这要求各家BIM数据的生产单位需要在各自的软件上进行定制化的开发以适应IFC 标准的要求,提高了生产单位的使用门槛,不利于进一步的推广。

4 高速公路BIM 系统

为了解决现有公路工程IFC 标准应用问题,在前文已完成公路工程IFC 标准体系下实体类型扩展与数据交互的基础上,初步开发建立了一套高速公路工程全生命周期标准化管理平台。

4.1 BIM数据融合

BIM 数据融合将建管系统进度、设计变更、工序检查、计量支付、试验检测、质检评定等功能与BIM模型构件挂钩,如图4所示。通过WBS 及EBS 结构树实现多源异构数据深度融合,实现模型构件层级与建设过程中各环节所涉及的资料及报表相关联的数据可视化,确保工程建设全过程信息存储和数据深度融合。

图4 BIM 数据融合

图5 试验机联网与动态监控

图6 隧道围岩——APP 填报与查看

4.2 质量管控

平台通过物联网设备,实现对实验室、拌合站、钢筋加工场各方面试验数据的实时采集和自动分析,如图5 所示。对设备进行改造以达到对数据进行后台采集的效果,设备会在试验结束后,自动采集试验室人员的试验结果,独立于人员操控,保证数据真实有效；采集后的数据将自动保存至本地,并上传至云端以数据库的形式进行储存备份；数据上传后,通过IFC 读写程序自动同步给BIM模型,与工程项目设计要求进行对比验证,如发现不合格的情况,会以手机短信的方式通知相关人员,及时进行修正；数据库还支持历史数据查询、总结分析等功能。

4.3 隧道围岩判别

通过海量的围岩数据和最新的机器学习功能,围岩辅助判别模块能通过定性的数据分析出集成模型IFC 文件中相应位置的围岩级别。

现场施工人员通过APP 可以简单的勾选出已列出的定性选项,从而把现场的围岩信息和照片精准地录入到系统相应IFC 文件中,如图6 所示。

云端系统在接收到现场数据后,通过机器学习功能自动判断出现场围岩等级。如果辅助判别的现场围岩级别和设计级别不一致,则由现场的监理、设计代表、地质专家、业主等进行一系列决断且留下记录,为相应的衬砌变更提供依据。

5 结论

本文详细介绍了在公路工程领域IFC 的应用实践,详细阐述了IFC 标准体系下实体类型扩展与数据交互等方面的实现方法。根据项目的实践经验,基于目前的技术手段以及数据一致性上取得了较好的效果,能够在一定范围内实现多家生产单位跨平台生产数据交付、数据融合的需求。在一定程度上满足了参建各方尤其是建设单位对数据交付的要求,但一些基础性的缺陷依然存在,全行业大规模推广尚需时日,且这还需要工程参与各方以及软件厂商共同努力,推动整个行业进入新阶段。