趙飛 朱明 徐益飛 彭昌翠 董建輝

摘 要：隨著建筑信息模型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，越來越多的數(shù)據(jù)貫穿于工程的全生命周期，信息化的數(shù)據(jù)傳遞與共享不可避免，選擇通用的數(shù)據(jù)格式是必然趨勢(shì).研究IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程數(shù)據(jù)的傳遞與共享發(fā)現(xiàn)，已有的IFC標(biāo)準(zhǔn)不能滿足對(duì)公路路線及監(jiān)測(cè)儀器的標(biāo)準(zhǔn)與傳遞；在研究了IFC標(biāo)準(zhǔn)的4層架構(gòu)及功能的基礎(chǔ)上，提出了基于新增實(shí)體、基于IfcProxy實(shí)體及基于屬性集的3種擴(kuò)展思路，其中兼容性最好、可靠度最高及操作最簡(jiǎn)單的是基于屬性集的擴(kuò)展；通過屬性集的擴(kuò)展方法，實(shí)現(xiàn)了路線中心線及監(jiān)測(cè)儀器中監(jiān)測(cè)信息的表達(dá)與傳遞.研究成果在川九路的邊坡監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工點(diǎn)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了公路數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀器與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享與傳遞.

關(guān)鍵詞：建筑信息模型技術(shù)；IFC；數(shù)據(jù)共享；公路工程；監(jiān)測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U415.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004－5422（2023）03－0318－06DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.015

0 引 言

最近幾年，信息化技術(shù)在公路行業(yè)的應(yīng)用越來越規(guī)范，特別是建筑信息模型（BIM）技術(shù)的發(fā)展對(duì)公路行業(yè)影響越來越明顯［1］，根據(jù)相關(guān)的調(diào)查與數(shù)據(jù)，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的高使用率單位接近了40%［2］，在施工領(lǐng)域超過50%單位在使用［3］，但大多數(shù)使用的單位僅在展示匯報(bào)、翻模和建設(shè)管理等方面應(yīng)用BIM技術(shù)［4］，多停留在BIM的幾何應(yīng)用上.目前，越來越多的單位認(rèn)識(shí)到BIM的價(jià)值不僅僅體現(xiàn)在幾何信息表達(dá)上，更不局限于某一階段，期望在同一個(gè)項(xiàng)目的全生命周期內(nèi)集成多方數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多方工程數(shù)據(jù)的共享與交換，以滿足不同參與方的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求.

IFC數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)［5］是一個(gè)完全公開的，不受限制的數(shù)據(jù)交互格式，有效地解決了數(shù)據(jù)在工程的全壽命周期的扭轉(zhuǎn)與流通問題.盡管IFC標(biāo)準(zhǔn)在不停地完善，一代一代迭代，但還是存在很多的問題.例如，在公路的監(jiān)測(cè)預(yù)警中會(huì)涉及各種各樣的監(jiān)測(cè)儀器，其核心就是傳感器，而且傳感器類型繁多，雖然IFC中可以用IfcSensor實(shí)體來表示傳感器，但I(xiàn)fcSensorTypeEnum枚舉類型中仍然缺失很多類型，沒有類似應(yīng)變式與振弦式傳感器，需要對(duì)已有的進(jìn)行擴(kuò)展［6］.

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步研究，不斷地完善和擴(kuò)展，讓其在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用.Rio等［7］在已有IFC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)傳感器實(shí)體上進(jìn)行擴(kuò)展；陳立春等［6］提出了IFC標(biāo)準(zhǔn)在領(lǐng)域?qū)拥膶?shí)體擴(kuò)展方法；蘇林［8］提出了適用于線性工程的IFC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)公路IFC標(biāo)準(zhǔn)的研究和應(yīng)用有較大的參考價(jià)值.

目前，采用監(jiān)測(cè)技術(shù)手段對(duì)已發(fā)現(xiàn)的重大不良地質(zhì)工點(diǎn)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)就是通過各種傳感器監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性狀態(tài)，預(yù)警預(yù)報(bào)即將發(fā)生的破壞事件，在其臨近破壞前為公路的應(yīng)急搶險(xiǎn)提供寶貴的時(shí)間，減少或避免發(fā)生交通安全事故［9-11］.隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)技術(shù)與BIM技術(shù)的融合能產(chǎn)生更大的價(jià)值，但監(jiān)測(cè)成果的表達(dá)僅通過表格的形式展示，存在不能真實(shí)地反映其位置，統(tǒng)計(jì)分析較麻煩等問題.需要尋找一種數(shù)據(jù)共享交互的方式來實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)中的傳遞與共享，采用IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式能滿足要求，使監(jiān)測(cè)成果具有模型信息、數(shù)據(jù)信息與坐標(biāo)信息等，讓監(jiān)測(cè)成果的表達(dá)更加完善，發(fā)揮更大的價(jià)值［12-15］.

IFC標(biāo)準(zhǔn)在4×1的版本中增加了路線中心線實(shí)體，其從定位實(shí)體派生而來，含平面和縱斷面，但并不能完全適用于公路線性工程，公路線性中的緩和曲線為特定的回旋線型，其不支持常見的緩和曲線，也不支持路線數(shù)據(jù)中常見的斷鏈，無法表達(dá)里程樁號(hào)不連續(xù)的問題，在最新的IFC標(biāo)準(zhǔn)4×2的版本也未見補(bǔ)充；其次，公路監(jiān)測(cè)預(yù)警工作中，常見的監(jiān)測(cè)儀器的傳感器的類型等不全.本研究將依據(jù)以上IFC標(biāo)準(zhǔn)遇到的問題，在IFC標(biāo)準(zhǔn)的4×2版本基礎(chǔ)上展開研究及擴(kuò)展探索，最終在川九路災(zāi)后恢復(fù)重建中應(yīng)用.

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展方法

1.1 IFC的4層架構(gòu)

IFC標(biāo)準(zhǔn)的核心在于信息的描述與共享.IFC的總體框架是分層級(jí)，每層相對(duì)獨(dú)立，設(shè)計(jì)為4層架構(gòu)（見圖1），從上到下依次為領(lǐng)域?qū)?、共享層、核心層及資源層.每層包含若干模塊，每個(gè)模塊又包含不同信息，各層之間遵循重力原則，即階梯原則，每層的類別可參照同一層級(jí)或較低層級(jí)的類別，不能參照較高層級(jí)的類別，這樣可以做到當(dāng)上層資源發(fā)生變動(dòng)，下層不受影響.

資源層是IFC框架層次的最底層，根據(jù)重力原則，其他層均可以使用該層的資源信息.該層主要描述模型中所需要的基本信息，不針對(duì)具體哪個(gè)行業(yè)，是無整體結(jié)構(gòu)的分散信息.主要包括材料資源、幾何資源和成本資源等.

IFC標(biāo)準(zhǔn)的第2層是核心層，作為中間層，可以為上下層提供數(shù)據(jù)支撐.該層主要描述工程模型的結(jié)構(gòu)，工程信息的集成，是對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的工程抽象化表述，包括核心和核心擴(kuò)展2個(gè)方面的抽象，對(duì)工程屬性描述常包括屬性定義和屬性集定義［16-17］.

共享層是IFC架構(gòu)中的第3層，主要服務(wù)于領(lǐng)域?qū)樱I(lǐng)域?qū)又械哪Ｐ涂梢酝ㄟ^該層來實(shí)現(xiàn)信息交換的目的，定義多個(gè)領(lǐng)域中公用概念和對(duì)象，如IfcWall即可以表示建筑行業(yè)中的墻，也可以表示公路行業(yè)中路基的擋墻等.

領(lǐng)域?qū)邮荌FC架構(gòu)的頂層，定義了各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域涉及到的具體實(shí)體，如電器領(lǐng)域、暖通領(lǐng)域與消防管道領(lǐng)域等，但無交通或公路領(lǐng)域，需要對(duì)現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展.

1.2 IFC擴(kuò)展思路

經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，IFC標(biāo)準(zhǔn)至今更新了18個(gè)版本，但因涉及行業(yè)太多，專業(yè)性太強(qiáng)，目前的標(biāo)準(zhǔn)仍然存在很多的不足，不夠完善.在實(shí)際的應(yīng)用過程中，各行各業(yè)需要根據(jù)具體的特性對(duì)已有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)IFC數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展方法主要有3種，IfcProxy實(shí)體的擴(kuò)展、基于新增實(shí)體的擴(kuò)展與基于屬性集的擴(kuò)展［9］.以上3種擴(kuò)展方式的對(duì)比分析結(jié)果見表1.

易用性反映用戶現(xiàn)實(shí)的難度，兼容性是指與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兼容問題，類型安全是指在開發(fā)基于IFC的應(yīng)用程序時(shí)，是否能夠有編譯器提供類型檢查.基于增加實(shí)體的擴(kuò)展方法已經(jīng)超出了IFC標(biāo)準(zhǔn)的自身架構(gòu)體系，已經(jīng)改變了IFC模型的自身定義，并且是IFC標(biāo)準(zhǔn)每1次重大版本更新經(jīng)常使用的方法.基于IfcProxy實(shí)體的擴(kuò)展是為IfcProxy實(shí)體關(guān)聯(lián)屬性集和類型對(duì)象，較易實(shí)現(xiàn)，兼容性由IfcProxy實(shí)體提供保證，兼容性較好，但用戶自定義的類型在程序運(yùn)行時(shí)以字符串方式存儲(chǔ)在IfcProxy的ObjectType屬性中，編譯器不能進(jìn)行類型檢查，類型安全得不到保證.基于屬性集的擴(kuò)展是通過自定義屬性集和自定義屬性來表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)中未定義的信息，實(shí)現(xiàn)難度較低，且不會(huì)對(duì)原有IFC體系產(chǎn)生影響，不會(huì)引起模型體系的歧義與沖突，類型也安全［10］.根據(jù)以上對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的研究，考慮擴(kuò)展難易程度、兼容性及安全性，本研究也將采用屬性集的擴(kuò)展方法，實(shí)現(xiàn)IFC模型的數(shù)據(jù)交換.

2 IFC路線表達(dá)與擴(kuò)展

2.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)的問題

公路是一種典型的線性工程，用平面數(shù)據(jù)、縱面數(shù)據(jù)及樁號(hào)數(shù)據(jù)等信息能很好地表達(dá)公路的線性特征.以前IFC標(biāo)準(zhǔn)是沒有路線的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，在2016年更新的IFC4版本中才增加了路線數(shù)據(jù)，定義了IfcAlignment（見圖2），對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)基于增加實(shí)體的擴(kuò)展，該實(shí)體位于標(biāo)準(zhǔn)的核心層，主要用于描述路線中線的信息，其派生自定位實(shí)體，主要表達(dá)的內(nèi)容包括平面信息及縱斷面信息，但不能表達(dá)我國(guó)公路路線設(shè)計(jì)中常見的緩和曲線及斷鏈信息，需要對(duì)已有的IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展［8］.

2.2 路線擴(kuò)展思路

目前的IFC標(biāo)準(zhǔn)版本對(duì)路線描述不夠完善的問題，將通過對(duì)IfcAlignment實(shí)體進(jìn)行擴(kuò)展（見圖3）來解決，主要包括路線平面、路線縱斷面及里程系統(tǒng).其中，增加緩和曲線實(shí)體及里程系統(tǒng)，完善了公路路線信息的表達(dá)，建立了適用于公路路線信息表達(dá)的IFC4×2GL標(biāo)準(zhǔn).路線平面一般在二維平面中表達(dá)；路線縱斷面主要指高程沿著路線方向的變化，指路線的高程變化特征；道路的里程直觀地反映線路的具體位置，沿路線的二維平面定義，樁號(hào)長(zhǎng)度與平面路線長(zhǎng)度一致.

3 監(jiān)測(cè)的表達(dá)與擴(kuò)展

目前的IFC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)監(jiān)測(cè)信息的表達(dá)（見圖4）主要適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)技術(shù)中常用的傳感器均用IfcSensor實(shí)體表示.傳感器的類型均包含在IfcSensorTypeEnum（枚舉類型）中，用實(shí)體的PredifinedType屬性表達(dá)，監(jiān)測(cè)信息與數(shù)據(jù)用IfcProperty表示，多個(gè)IfcProperty就構(gòu)成1個(gè)屬性集（IfcPropertySetDefinition），屬性集與傳感器用IfcRelDefinesByProperties關(guān)聯(lián)起來［18］.

IFC中對(duì)監(jiān)測(cè)信息的表達(dá)主要針對(duì)的是環(huán)境監(jiān)測(cè)，這與工程監(jiān)測(cè)（邊坡監(jiān)測(cè)和滑坡監(jiān)測(cè)等）的需求存在較大的差距.已有學(xué)者對(duì)監(jiān)測(cè)儀器及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的表達(dá)進(jìn)行了研究［12］，考慮本項(xiàng)目的情況，在2方面有擴(kuò)展需求：首先，枚舉類型中的傳感器類型需要豐富，原來只包括環(huán)境監(jiān)測(cè)的類型，需添加位移、應(yīng)力、應(yīng)變和加速度等工程監(jiān)測(cè)中常見的傳感器類型；其次，在現(xiàn)有IFC中添加監(jiān)測(cè)信息模型數(shù)據(jù).根據(jù)前文分析研究，采用屬性集及屬性的擴(kuò)展方法，又根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求，對(duì)監(jiān)測(cè)信息模型數(shù)據(jù)表達(dá)通常選用屬性集定義中適當(dāng)?shù)膶傩越㈥P(guān)聯(lián)，表2定義了IFC傳感器的屬性類型與屬性值類型.

4 數(shù)據(jù)共享案例分析

4.1 道路模型

利用AutoCivil3D軟件建立道路模型，通過軟件導(dǎo)出IFC模型，采用自主開發(fā)的基于地理信息（GIS）的公路工程三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)出的IFC模型二次處理導(dǎo)出符合擴(kuò)展后的路線數(shù)據(jù)，能較好地反映路線直線段、圓曲線段及緩和曲線段（見圖5）.根據(jù)IFC數(shù)據(jù)完成了某山區(qū)公路的路基、橋梁、隧道及服務(wù)區(qū)的模型創(chuàng)建.路線數(shù)據(jù)導(dǎo)入超圖和BIM Vision等軟件均能較好地反映路線特性，實(shí)現(xiàn)了路線數(shù)據(jù)的交換共享.在自主開發(fā)的IFC解析軟件（見圖6）中可以完整地解析IFC格式的數(shù)據(jù)，包括路線的信息及屬性信息.

在川九路道路建模中，通過通用的IFC標(biāo)準(zhǔn)傳遞公路設(shè)計(jì)信息，讓數(shù)據(jù)的表達(dá)與傳遞不依賴任何軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了不同軟件生成的數(shù)據(jù)傳遞與共享，AutoCivil3D的道路模型、Revit生成的隧道及橋梁模型均快速在平臺(tái)展示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的融合.

4.2 監(jiān)測(cè)傳感器

將監(jiān)測(cè)傳感器的擴(kuò)展內(nèi)容添加到EXPRESS架構(gòu)中［16］.利用Revit創(chuàng)建族的功能，添加族類型屬性，參數(shù)化族相當(dāng)于在EXPRESS架構(gòu)中增加擴(kuò)展，導(dǎo)出增加族的IFC模型，再將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成到IFC文件中，最后在軟件BIM Vision中查看傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性、準(zhǔn)確性及可視化的驗(yàn)證［13］.

本研究以崩塌監(jiān)測(cè)中常見的儀器傾角儀作為驗(yàn)證傳感器（見圖7），為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)，模擬了1組傾斜角度值，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)添加到IFC模型文件中.其中，Guid為儀器唯一編碼；SetSensorType是儀器的類型，其類型為DipAngleSensor（傾角儀）；SetSensorCode是儀器編號(hào)；SetSensorInstallTime是儀器安裝時(shí)間；SetPointDipAngle是儀器的模擬讀數(shù)；SetSensorRange是儀器的量程.

對(duì)比分析已有的數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)完整性、準(zhǔn)確性與已有方式保持一致，無數(shù)據(jù)遺漏和準(zhǔn)確性的問題，采用公開的IFC格式傳輸具有適用性強(qiáng)與傳輸便捷等優(yōu)勢(shì)，利于數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)或平臺(tái)的接入與共享，包括幾何屬性和數(shù)據(jù)屬性，增加了數(shù)據(jù)的生命力.

5 討 論

隨著BIM技術(shù)在公路行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，從設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)維均在使用，為了讓工程數(shù)據(jù)在工程的全生命周期內(nèi)流轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)的傳遞與共享是一定會(huì)涉及到的問題，本研究就初步探索了IFC標(biāo)準(zhǔn)在山區(qū)公路模型和監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)共享應(yīng)用.

通過對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)進(jìn)行分析，剖析了IFC標(biāo)準(zhǔn)的4層架構(gòu)及每層架構(gòu)的作用與意義，根據(jù)其特點(diǎn)提出了擴(kuò)展的思路與方法.根據(jù)我國(guó)公路路線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，分析了現(xiàn)行IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路線中心線的描述與定義，發(fā)現(xiàn)其不足并提出擴(kuò)展思路.掌握公路沿線的不良地質(zhì)穩(wěn)定性，最有效的方式就是對(duì)已有的不良地質(zhì)工點(diǎn)安裝相關(guān)監(jiān)測(cè)傳感器，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性狀態(tài)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào).基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞與共享，分析了IFC標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀與不足，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的IFC標(biāo)準(zhǔn)的傳感器是基于環(huán)境監(jiān)測(cè)指定的，本研究推廣到工程監(jiān)測(cè)中，并提出了解決方法與IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的思路.針對(duì)公路路線及監(jiān)測(cè)儀器的特點(diǎn)，在現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析了標(biāo)準(zhǔn)的不足，提出了解決方案，擴(kuò)展了公路路線及監(jiān)測(cè)儀器的標(biāo)準(zhǔn)，完善了IFC標(biāo)準(zhǔn)的路線表達(dá)及儀器表達(dá).解決了川九路的道路模型數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)的傳遞與共享問題，為今后類似工程項(xiàng)目提供了解決方案，具有指導(dǎo)意義.

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［18］肖波，冉光炯，白皓，等.高速公路建設(shè)項(xiàng)目中的IFC創(chuàng)新應(yīng)用探討［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021，25（5）：13-15.

（實(shí)習(xí)編輯：羅 媛）

Abstract：With the development and application of BIM technology，more and more data will penetrate the whole life cycle of the project，and the transmission and sharing of information-based data is inevitable.It is an inevitable trend to choose a common data format.The study of the transmission of engineering data by IFC standards finds that the existing of IFC standards cannot meet the requirements and transmission of highway routes and monitoring instruments.On the basis of studying the four-layer structure and functions of the IFC standard，three expansion ideas are proposed based on newly added entities，on IfcProxy entities as well as on attributes，among which the most compatible，the most reliable and the easiest to operate is the expansion based on the attribute set.Through the expansion method based on the attribute set，the expression and transmission of the monitoring information from the route center line and the monitoring instruments are realized.The research results are applied in the slope monitoring pilot site of Chuanjiu Road，which helps realize the sharing and transmission of road data，monitoring instruments and monitoring data.

Key words：BIM technology;IFC;data sharing;highway projects;monitoring technology

基金項(xiàng)目：四川省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2018-B-05）；四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司科技項(xiàng)目（232021001）

作者簡(jiǎn)介：趙 飛（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事公路勘察設(shè)計(jì)及BIM技術(shù)研究.E-mail：zfclassic580@qq.com

通信作者：徐益飛（1987—），男，高級(jí)工程師，從事公路路基設(shè)計(jì)及BIM技術(shù)研究.E-mail：fei@bimscodi.cn