基于IFC标准的大坝施工期5D进度成本信息模型研究及应用

邱世超，张社荣，潘　飞，王　超

基于IFC标准的大坝施工期5D进度成本信息模型研究及应用

邱世超，张社荣，潘飞，王超

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

引入5D技术和工业基础分类标准（Industry Foundation Classes，IFC），提出了基于IFC标准的大坝施工期5D进度成本信息模型的建立方法和实现过程，研究了多维度信息模型的建立、IFC标准对信息模型的表达和模型可视化显示等关键技术，应用C#.NET+OpenGL图形引擎开发出大坝施工期5D进度成本信息动态可视化管理系统。以某在建大坝工程为例，将大坝三维模型、施工进度以及成本需求信息通过工程工作分解结构（Work Breakdown Structure，WBS）节点和施工资源有机地结合在一起，并对其进行动态耦合可视化展示，以满足施工人员对大坝施工进度、资源、成本全程实时动态监控的需求。

大坝工程；施工期；5D技术；进度成本信息模型；IFC标准；可视化

0　引言

大坝施工是一项综合和复杂的生产性活动，具有投资巨额、工程建设周期长等特点，大坝施工过程中的进度和成本之间是联系紧密、相互制约的。同时，施工过程的高度动态变化将会引起进度以及成本信息的急剧增加。因此，做好进度控制和成本管理，提高工程质量已成为大坝工程现代信息化管理的关键任务。目前，国内许多学者已经结合自身研究领域对上述问题开展了多方面的研究。钟登华等［1］基于Unity3D可视化引擎实现了大坝施工三维动态可视化仿真；燕乔等［2］基于仿真理论和数据库技术，开发了面板堆石坝三维实时仿真系统；罗伟等［3］利用Petri网技术建立了碾压混凝土坝施工系统内部边界条件之间复杂的耦合关系。上述研究成果只关注对大坝施工过程中进度和资源的管理，忽略了对成本的控制。此外，对施工数据没有按照一定的数据存储标准形成更高层次的工程信息模型，限制了信息的传递与共享。

本文以我国某在建碾压混凝土重力坝为工程依托，对基于工业基础分费标准（IFC）的大坝施工期5D进度成本信息模型（以下简称“大坝5D模型”）进行了研究，以期加强对大坝施工过程中进度、资源以及成本三者之间的控制。

1　研究思路及原理

5D模型［4］是在三维模型基础上，融入时间进度信息与成本造价信息，形成由“三维几何模型-进度-成本”的5D工程信息集成模型。5D技术则是基于5D模型的信息化技术，将工程构件的3D几何模型与进度信息、工程造价成本信息通过工程WBS节点和施工资源需求水平（完成一个计量单位的单元工程所消耗的材料、人工、机械等施工资源）实现相互关联，并以动态可视化的方式模拟及跟踪施工变化过程，实现对工程进度以及成本造价的实时监控。

IFC标准［5］提供了一个适合于计算机处理而不依赖于具体信息管理系统的工程数据描述和交互标准，可使不同的应用软件之间通过该标准实现数据共享。一般通过ifcXML文件或IFC中性文件存储符合IFC标准的数据信息，并需要专业的IFC数据解析工具对文件中的信息进行解析。

本文基于5D技术和IFC标准，通过研究大坝施工期“三维几何模型-进度-成本”集成信息模型的逻辑结构，建立了大坝5D模型，并基于IFC数据解析工具IFC Engine DLL以及OpenGL三维图形API的Tao框架，在C#.NET编程环境下开发出大坝施工期5D进度成本信息动态可视化管理系统，最后将其应用于某在建大坝工程，可视化地展示了其施工过程中进度、资源、成本信息的动态变化过程。

2　大坝5D模型

2.1模型信息内容

大坝5D模型作为大坝工程信息化建设技术的核心内容，模型的建立实现了对大坝施工期进度、资源、成本信息全方位的数字化控制，从工程量清单到施工模拟再到资源优化以及成本统筹都能够在该平台上实现智能化、可视化管理。大坝5D模型内容包含以下3个方面的信息［6］：

（1）三维几何信息。亦称为基础信息模型，是大坝5D模型的基础，所有工程信息的几何载体，贯穿于大坝施工期的核心数据。

（2）进度信息。即几何构件中与施工进度相关联的所有工程信息，如计划开工时间、实际开工时间、工期等。

（3）成本信息。包括几何构件的整体造价信息以及与施工进度相互关联的成本需求信息。

2.2大坝5D模型的建立机制

基于工程工作分解结构（WBS）节点实现大坝施工进度的管理，而作为典型工作包级别的WBS树形结构可依据坝体工程量清单进行编制；根据相关定额规范对模型构件完成工程量清单以及施工资源需求水平的分析，施工资源需求水平与相应的资源价格将直接影响施工资源费用［7］。施工资源费与不同的进度信息或构件工程量信息相联合将直接影响相关类型的成本，如在根据施工进度计划和施工资源需求水平确定资源消耗量的基础上，可直接分析施工预算成本。综上所述，基于工程WBS节点的进度计划决定着坝体构件施工对资源的不同需求，基于资源价格水平，不同的施工资源需求又决定着成本费用。因此，根据工程WBS节点以及施工资源需求水平实现了对大坝三维几何构件信息、进度信息、成本信息三者之间的多维耦合，最终形成大坝5D模型。大坝5D模型逻辑结构见图1。

图1　大坝5D模型逻辑结构

大坝5D模型的建立需要解决3个关键问题：①基于IFC标准实现大坝5D模型的信息表达；②将基于IFC标准的大坝三维模型在OpenGL可视化引擎场景中进行重构；③在可视化环境中实现施工进度、成本以及几何模型之间的动态映射。

3　关键技术及理论研究

3.1IFC标准对大坝5D模型的表达

IFC标准是一种采用面向对象、规范化的语言——EXPRESS语言［8］做为数据描述语言，从而实现不同系统间信息交换与共享的标准，可通过实体、属性集、规则、类型、函数依据一定的原则，实现对复杂工程数据的逻辑表达，如实体IfcProduct名为ObjectPlacement的属性用于表达工程实体的几何位置；基于EXPRESS语言所描述的工程信息模型，其内部数据结构之间的逻辑关系是复杂的，而利用EXPRESS-G图形表达方法［9］有助于形象化地理解这种复杂关系。EXPRESS-G方法所表达的大坝5D模型主体信息见图2。模型内部实体说明如下：

图2　大坝5D模型主体信息

（1）工程实体信息。通过抽象实体IfcProduct的派生实体能够详细描述不同类别的三维几何物体，如实体IfcCovering可用于表达大坝防渗帷幕。基于EXPRESS语言所表达的大坝三维几何模型信息可由支持IFC标准的设计软件所创建的大坝三维模型文件直接导出。

（2）进度信息。不同类型的施工作业可由实体IfcProcess的派生实体IfcTask进行表达，如坝体混凝土浇筑的具体施工作业包含入仓浇筑、平仓振捣、浇水养护等一系列活动；工程进度实体IfcWorkSchedule与实体IfcTask之间通过关系实体IfcRelAssignsTasks建立一对多的映射关系，从而实现对工程进度的控制。

（3）资源信息。实体IfcResource的派生实体可用于表达大坝施工过程中所消耗的具体施工资源，如劳动力资源可通过实体IfcLaborResource表达。

（4）工程量信息。抽象实体 IfcPhysicalQuantity继承于实体 IfcElementQuantity，通过名为 Name和Description的属性实现对工程量名称和说明的表达。其派生实体 IfcPhysicalSimpleQuantity和 IfcPhysical ComplexQuantity分别用来表达单一工程量和具有复杂逻辑关系的工程量。

（5）成本信息。成本进度实体IfcCostSchedule与成本项实体IfcCostItem之间的关联性需要基于特定的关系实体实现。实体IfcCostSchedule可通过各种属性表达其详细信息，如其属性Status代表成本进度状态。

综上所述，几何构件实体IfcProduct、进度实体IfcProcess、工程量实体IfcElementQuantity、资源实体IfcResource、成本项实体IfcCostItem是表达大坝5D模型的核心实体。其中，IfcProcess、IfcElementQuantity、IfcResource、IfcCostItem通过关系实体可以直接或间接性与IfcProduct建立关联性，这也说明了三维几何信息是大坝5D模型的核心基础。

利用国际主流数据存储标准——IFC标准建立的大坝5D模型，可以对大坝施工管理数据进行统一而有效的集成化管理，进而可供同样遵循IFC标准进行数据存储的应用系统，通过标准化的数据访问机制实现系统间的数据共享。

3.2大坝三维几何实体模型的重建

由大坝三维几何模型数据可以得到坝体构件的体量、空间位置、拓扑关系等工程基础信息，这些信息处于大坝5D模型的基础层，也是模型可视化显示的主体内容。本文基于OpenGL可视化引擎API 的Tao框架，利用不规则四面体网格（Tetrahedron Network，TEN）结构表达方式实现了大坝三维几何实体模型在OpenGL场景中的重构，并根据一定的坐标变换流程实现世界坐标系（World Coordinate System，WCS）下的三维大坝模型显示在二维Windows屏幕上。

3.2.1初始实体模型到TEN结构的转换

曲面三角网格划分方法对复杂的几何形状具有很强的适用能力，其划分结果也是TEN结构三角面的边界输入数据。在可视化系统开发中，一般需要借助第三方软件（如Hypermesh）实现对初始模型的曲面三角网格划分，IFC Engine DLL插件不仅能解析IFC文件中模型的几何表达信息和描述方式，还提供了将解析出的模型信息转化为三角网格的图形接口［10］，其转换信息可直接供TEN结构使用，无需借助第三方软件。图3为利用TEN结构表达方式重新生成的大坝三维几何实体模型。

图3　大坝模型重建

图4　三维几何模型屏幕显示流程

3.2.2大坝模型显示流程

利用TEN结构在OpenGL场景中重建的三维大坝模型是处于世界坐标系下的，需要采取一定的坐标转换过程，实现模型在二维Windows屏幕上的显示［11］。具体转换流程见图4。

（1）由IFC Engine DLL插件将大坝模型IFC文件解析成一系列的三角形网格点数据集合，并由点的属性实体IfcCartesianPoint获取其在WCS中对应的X、Y、Z坐标。

（2）视图变换。OpenGL的成像原理类似于相机拍照，而视图变换相当于把相机固定在指定位置并使它对准三维场景。Tao框架提供的 API函数gluLookAt（GLdouble eyex、GLdouble eyey、GLdouble eyez、GLdouble centerx，GLdouble centery、GLdouble centerz、GLdouble upx、GLdouble upy和 GLdouble upz）用来实现OpenGL场景下的视图变换。

（3）模型变换。通过缩放函数glScalef（）、平移函数glTranslatef（）以及旋转函数glRotatef（）三者之间的相互组合，完成对模型的一系列变换控制。

（4）投影变换。投影变换决定着哪些点会出现在视野之内以及如何被投影到Windows屏幕上。Tao框架提供的glFrustum（）函数和gluPerspective（）函数可以实现透视投影，glOrtho（）函数则用来指定正射投影。

（5）视口变换。通过视口变换函数 glViewPort （Glintx、Glinty、GLsizei width和GLsizei height）确定三维场景在Windows屏幕上所占据的区域。

（6）计算屏幕显示输出。首先需要调用gluProject（）函数将OpenGL世界坐标转换为视景体坐标；其次利用特定的数量关系将视景体坐标转化为屏幕坐标，从而实现OpenGL三维环境下的模型显示在二维Windows屏幕中。

3.3“三维几何模型-进度-成本”动态映射算法

在可视化环境中，施工进度到大坝几何模型的映射就是根据当前大坝施工状态来控制实体单元的重构和消隐［12］（即设置 render属性为 False，使其变为透明状态）。同时，基于工程定额规范以及WBS节点关联原则，实现成本信息的可视化显示。

3.3.1施工进度状态与大坝三维模型的动态映射

大坝坝体单元工程（大坝WBS节点）主要依据施工坝段和常用施工浇筑层厚度的公约数进行分段和分层划分［13］。在大坝施工策划阶段以及建设阶段，坝体单元工程应录入相应的计划开工日期、计划结束日期、实际开工日期、实际结束日期、日浇筑量等工程信息。根据当前给定的施工时间可将任一坝体单元工程分为尚未施工、正在施工、施工结束3种施工状态。设在t时刻第i项坝体单元工程ai的施工进度状态为mit，则

若整个大坝共计有n项坝体单元工程，则在t时刻，大坝整体施工状态的进度向量Mt可以表示为

若mit=-1，则将该坝体单元工程设置为透明状态；若mit=0，则将该坝体单元工程尚未浇筑完成的部分标记为透明，完成部分不作处理；若mit= 1，则对该坝体单元工程不做任何处理。大坝闸墩浇筑进度可视化示意见图5。

图5　大坝闸墩浇筑进度可视化示意

3.3.2施工成本信息与大坝三维模型的动态映射

施工成本信息与模型的映射是直接的。由大坝5D模型逻辑结构可知，根据构件几何信息可以对坝体单元工程完成工程量统计，通过目前已完善的国家和不同地区以及企业自主制定的概预算定额［14］、WBS节点的施工进度信息和支付信息完成不同施工阶段的工程预算成本以及实际成本的分析，从而实现构件的三维模型、进度状态与相应成本信息之间的关联，达到对工程成本可视化控制的目的。

4　系统开发与工程应用

根据上述建立大坝5D模型的方法及技术路线，以IFC Engine DLL插件作为IFC文件的解析工具、OpenGL为三维图形显示引擎、SQL Server 2008为数据库平台，结合我国西南地区某在建碾压混凝土重力坝工程，在C#.NET编程环境下开发出大坝施工期5D进度成本信息动态可视化管理系统。系统整体设计架构见图6。系统主界面见图7。实现5号坝段浇筑3单元的碾压混凝土几何构件（工程量清单对应项目）与大坝WBS节点（最低级别）之间相互关联（简称清单关联）的系统界面见图8。基于实体三维参数化模型和相应定额规范实现大坝右岸溢流坝段工程量清单自动统计的系统界面见图9。对大坝工程自2014年6月15日～2015年8月5日进行5D施工模拟，图10是模拟分析结果的系统界面。

图6　系统整体设计架构

图7　系统主界面

图8　清单关联操作界面

5　结论

本文提出了大坝5D模型的研究思路以及建立机制，并基于OpenGL可视化图形引擎开发框架，构建了大坝施工期5D进度成本信息动态可视化管理系统。应用表明，该系统能够实现对大坝5D信息的三维动态绘制、交互式查询以及动态模拟等智能化操作，可全面掌握大坝施工进度与成本控制的综合进展情况，有助于提高项目管理水平。

图9　工程量清单自动统计

图10　5D模拟分析结果

［1］钟登华，陈永兴，常昊天，等.沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真建模与可视化分析［J］.天津大学学报，2013，46（4）：285-290.

［2］燕乔，张利雷，骆祚森，等.面板堆石坝堆石体施工进度实时仿真系统研究及应用［J］.水电能源科学，2015，33（5）：141-144，108.

［3］罗伟，刘全，胡志根.基于Petri网的碾压混凝土坝施工系统耦合研究［J］.系统仿真学报，2009，21（7）：2053-2056，2060.

［4］POPOV V，JUOCEVICIUS V，MIGILINSKAS D，et al.The use of a virtual building design and construction model for developing an effective project concept in 5D environment［J］.Automation in construction，2010，19（3）：357-367.

［5］满庆鹏，孙成双.基于IFC标准的建筑施工信息模型［J］.土木工程学报，2011，44（S1）：239-243.

［6］WANG X，YUNG P，LUO H，et al.An innovative method for project control in LNG project through 5D CAD:A case study［J］.Automation in Construction，2014，45（9）：126-135.

［7］刘英杰.大型水利工程费用/进度集成控制研究［D］.天津：天津大学，2012.

［8］吴会波，段国林，周至明.EXPRESS语言在企业建模中的应用［J］.计算机集成制造系统，2004，10（12）：1497-1501.

［9］马智亮，娄喆.IFC标准在我国建筑工程成本预算中应用的基本问题探讨［J］.土木建筑工程信息技术，2009，1（2）：7-14.

［10］魏振华，马智亮.基于免费组件的IFC数据三维图形交互模块研究［J］.土木建筑工程信息技术，2011，3（4）：1-4.

［11］王瑞永，乔江，袁清.OpenGL与Windows坐标相互转换的实现［J］.地理空间信息，2011，9（4）：78-80，191.

［12］张社荣，薛烈，撒文奇，等.水电站边坡施工期4D安全信息模型研究与应用［J］.计算机应用研究，2014，31（7）：2053-2057.

［13］张社荣，杜成波，撒文奇，等.RCC重力坝全尺度结构安全与进度耦合动态仿真［J］.系统仿真学报，2015，27（1）：57-62.

［14］钟汉华.水利水电工程造价［M］.北京：高等教育出版社，2007.

（责任编辑杨健）

Study and Application of 5D Schedule and Cost Information Model of Dam Based on IFC Standard during Construction

QIU Shichao，ZHANG Sherong，PAN Fei，WANG Chao
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

By introducing 5D technique and Industry Foundation Classes（IFC）standard，the establishment method and implementation process of 5D schedule and cost information model based on IFC standard during dam construction are proposed.Some key techniques such as the establishment of multidimensional information model，the expression of IFC standard to information model and the visualization of information model are focused，and finally a dynamic visualization management system of 5D schedule and cost information during construction is developed with C#.NET and OpenGL graphic engine.Taking a dam under construction for example，the three-dimensional dam model，construction schedule and cost information are organically combined with construction resources through the Work Breakdown Structure（WBS）and the coupled visualization is dynamically displayed to meet engineers'demands for real-time dynamic monitoring of construction progress，resources and schedule information in the period of dam construction.

damproject；periodofconstruction；5Dtechnique；scheduleandcostinformationmodel；IFC standard；visualization

TV511；TP391.9

A

0559-9342（2016）02-0054-06

2015-10-16

国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51321065）；天津市应用基础与前沿技术研究计划（13JCYBJC19400）；河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金（2014491211）

邱世超（1991—），男，山东德州人，硕士研究生，研究方向为水工结构；张社荣（通讯作者）.