基于IFC标准的管片信息模型研究

陈 聪1 李亚巍 王志华4 余群舟 王晨雯

(1.武汉地铁集团有限公司 总工程师办公室, 武汉 430070; 2. 湖北省数字建造与安全工程技术研究中心, 武汉 430074; 3. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 武汉 430074;4. 上海隧道工程有限公司，上海 200032)

国际公共交通联盟(UITP)主席弗里茨潘姆佩尔在《地方公共交通之世界形势》的报告里指出：在20世纪末，人类世界最严峻的问题之一就是第三世界国家大城市的交通运输问题[1]。

在中国城市轨道交通运营线路中，地铁仍然是艳压群芳，独占鳌头。由于地铁具有高速、准时、安全、载客量大、不占用地上空间，所以地铁已经成为当今解决城市交通拥挤问题的重要手段之一[2]。丁烈云等提到国内地铁工程日益繁荣，信息自动化技术也越来越多地运用到地铁工程中[3]。城市地铁多数是在地下隧道中运行的，地铁的快速发展，必然带来地铁隧道的大量建设，隧道质量问题也将接踵而至[4]。

盾构法在地铁施工中具有十分明显的优势，盾构法具有施工速度快、对周围环境影响小、安全性高等优点。管片检测是隧道质量控制的重要技术手段。管片检测是指对管片全寿命周期内各阶段进行检测，以保证设计、生产和拼装质量符合设计和国家强制性规范要求。然而，目前管片检测仍然采用人工工作方法，各参建方由于检测软件不统一，检测数据保存格式不一致，不能满足检测数据交换和共享，同时存在信息处理慢、容易丢失等问题，给检测信息的处理带来了困难。如何借助信息化手段，提高检测信息的处理效率，实现检测信息的集成化管理和共享，逐渐成为一种趋势。

本文在分解管片全生命周期质量活动要点的基础上，分析各阶段管片检测信息，并通过IFC标准对管片检测信息进行表达与拓展，最后借助BIM技术实现管片检测信息的集成化管理。为实现全过程、全生命周期的检测信息管理和各参建方之间检测信息的共享和交换提供了可靠的基础，方便实现多方协同工作，提高管片检测工作的效率和质量，从而提高管片、管环及成型隧道质量。

1 相关研究

1.1 盾构管片检测现状

当今地铁建设工程如雨后春笋，层出不穷，未来几十年仍是地铁建设的高峰期。隧道作为管片拼装的产成品，究其质量问题背后的原因大多数都是因为管片质量不合格。管片检测是贯穿管片全生命周期的质量管理活动，对后期隧道质量影响深远。

在国内的隧道建设项目中，管片检测仍以人工检测为主，为了提高现场检测的实时性和可靠性，会通过加大人员投入，进行多次重复检测，比如独立的第三方和施工方都会分别进行复测工作。另一方面，传统的检测模式会造成各参建方之间存在信息流通不畅的现象，同时检测数据通过工作人员进行对比分析，工作繁琐，且易出错，降低了检测工作效率，造成大量资金浪费。国内关于管片检测技术的创新有：张仁鑫等[5]，在分析管片拼装阶段存在的管片错台、管片破损与开裂等质量问题的基础上，以信息可视化技术中的增强现实技术为基础，在盾构管片拼装现场环境中，定位安置虚拟质量检测模型，通过真实场景与虚拟质量检测模型差异对比，完成盾构管片拼装质量检测。周莹等[6]，将工业测量系统中的激光跟踪测量系统应用到管片检测中，通过三维激光扫描技术采集管片实体三位数据，经坐标系统转换，平面拟合、曲面拟合等，以判断管片的尺寸是否符合设计精度要求，实现三维构建的全面放映。潘国荣等[7]，对管模检测的传统和现阶段新兴的检测方法做出分析和比较，提出采用配备高精度垂直和水平编码器的徕卡激光跟踪仪器的LTD600检测系统，改变了以往传统检测方法不能对钢模的弧长尺寸进行检测的现状，使管模测量更加精确。张君录等[8]，自创一种盾构管片外部渗压计的安装方法，并在湛江湾隧道中进行实验，成功监测到管片外部的水压力、土压力、管片内部钢筋应力和管片间接触应力。

西方发达国家，隧道建设开始时间与国内相比较早，目前多数处于运营阶段，隧道表明渗漏水、表面脱落等现象在相当大部分隧道中都存在。因此，这些国家目前主要关注隧道工程运营阶段的维护和安全使用问题，大多数国家采用先进检测技术掌握工程结构的运行状态等。

1.2 盾构管片检测信息采集

管片全生命周期检测工作主要包括管片设计信息(后期检测工作的标准)、管片出厂检测、成环管片检测以及成型隧道检测等四个主要内容。

1.2.1 设计阶段信息采集

通过对管片模板图中信息提取及与设计人员交谈，采集通用管片实体信息，分为管片、管环、隧道、隧道轴线、直线、缓和曲线、圆曲线7个实体，见表1所示。

表1 管片实体信息

1.2.2 生产阶段信息采集

生产阶段采集管片出厂检测信息。管片出厂检测是在管片生产完成之后，出厂之前，由管片生产单位和第三方检测机构对管片进行的检测，是管片投入使用前的最后一道质量控制工序。

管片出厂检测包括：混凝土抗压强度、外观质量、尺寸偏差、水平拼装、渗漏检验、抗弯性能检验及抗拔性能检验七个检测项目。

1.2.3 拼装与竣工验收阶段信息采集

拼装阶段主要是采集成环管片检测信息。成环管片检测是对管片拼装的过程质量进行控制，是阶段性事中控制。

成环管片检测包括隧道轴线检测和管片拼装检测。隧道轴线检测是指检查成环管片中心点位置与设计轴线中心点位置的偏差；管片拼装检测是指对拼装成环后的管环的姿态等进行检查，详见表2所示。

隧道竣工验收阶段主要是采集成型隧道检测信息。成型隧道检测是隧道投入使用前，对其进行的最后一道质量控制，是事后控制。

隧道竣工验收阶段检测分为衬砌外观质量检测、成环管片检测和隧道轴线检测要求详见表3-4所示。

2 基于IFC标准的管片检测信息模型

2.1 IFC标准

IFC标准是IAI组织制定的使用形式化的EXPRESS数据语言来描述建筑工程数据的交换标准[9]。IFC标准的目的[10]：①支持工程项目全生命周期各阶段信息的共享和交换；②支持信息在不同领域之间的共享和交换，而不是局限于某个特定的领域。

IFC模型体系结构是IFC标准的纲领，就相当于人体的脊椎，给出了IFC标准中各种实体的具体数据结构定义。

IFC模型体系结构由四个概念层次组成。第一个概念层次是资源层，它提供了用来描述模型的基本信息子模块，这些模块提供了资源定义，是整个数据模型信息描述的基础；资源层的实体由于没有GlobalId(全球唯一标识值)，不能独立地被使用，处在IFC模型模块体系结构最底层。第二个概念层次是核心层，是IFC数据模型的基本框架，包含一个内核子模块和几个核心扩展子模块，包含了最抽象的实体定义；该概念层及以上层中的实体均继承了父类属性中的GlobalId属性，它们可以作为独立的实体。第三个概念层是协同层，由5个共享子模块组成，这些模块包含了在多个领域中共用的的产品、过程等实体，这些实体定义主要用于领域之间的建筑信息共享和交换。第四个层次是领域层，提供了8个不同部门领域子模块，形成各个部门的专题领域信息；每个子模块包含了在特定领域内部进行交换和共享的产品和过程等实体。四个概念层次相互之间有严格的调用关系，即遵守“重力原则”：一个类型可以引用同层或低层次的类型，但不能引用高层次的类型(GBT25507-2010工业基础类平台规范)。这样上层资源变动时，下层资源不受影响，保证信息描述的稳定。

2.2 基于IFC标准的管片信息表达与扩展

管片检测全生命周期中各参建方所使用的管片检测数据管理系统各不相同，为了实现管片检测信息的集成化管理，使信息在各参建方交换畅通无阻，则需要采用遵循共同标准的管片检测信息模型作为信息表达和交换的方式，实现检测信息与BIM的集成。因此需要一种公开的数据格式，支持各软件之间信息共享。IFC标准正是建筑产品数据描述的开放性国际标准，也是一种可扩展的中性数据交换机制，这为管片检测信息模型的扩展和管片检测信息与BIM的集成提供了可能。

2.2.1 IFC标准对管片实体的扩展

IfcSpatialStructureElement是泛化的空间元素，可以用来定义一个空间结构。IfcBuilding是IfcSpatialStructureElement的子类，代表一个建筑物，同理可以在IfcSpatialStructureElement扩展另一个子类IfcTunnel代表隧道空间。IfcObject是所有抽象超类，代表所有物理、抽象的事物。管片作为隧道的衬砌，类似于建筑中的梁、板和柱等建筑构件，所以可以采用类似于IFC标准对建筑构件实体信息的表达方式，通过实体扩展，对隧道构件进行表示。IfcTunnel与IfcConcreteSegmentRing(管环)的组合关系，用实体关系IfcRelAggregation，表示一种无序的组合关系。IfcConcreteSegmentRing与IfcConcreteSegment(管片)通过关系实体IfcRelNests，表达了每环管环都是管片按照固定的顺序拼装(由拼装点位决定)而成的。隧道轴线通过实体IfcCompositeCurve(曲线段)的属性Predfined by，属性值为TunnelAxis来表示，并通过IfcRelAggregation与IfcTunnel连接，见图1所示。

表2 成环管片检测允许偏差

表3 衬砌外观质量检测要求

表4 成环管片检测允许偏差

图1 IFC标准对管环实体表达

2.2.2 IFC标准隧道设计轴线的扩展

隧道设计轴线是由直线、缓和曲线和圆曲线组成的曲线集合。用IfcCompositeCurve表示隧道设计平面曲线(或竖曲线)。IfcCompositeCurveSegment定义一个有界曲线及其用于构造复合曲线的过渡信息，该定义的唯一目的就是定义组成复合曲线的曲线段。IfcCartesianPoint定义在笛卡尔坐标系中通过其坐标定义的点，可以用它来表示曲线的衔接点(裁剪点)。

直线可以用IfcPolyline(折线)表达；缓和曲线可以由IfcTrimmedCurve(剪裁曲线)表达，属性BasisCurve取IfcEllipse(椭圆)；圆曲线可以由IfcTrimmedCurve(剪裁曲线)表达，属性BasisCurve取IfcCircle(圆)。同理，可以采用上述方法对隧道的竖曲线进行表达。

2.2.3 IFC对检测项目实体的扩展

IfcControl(控制)用来表示控制或限制其它对象利用率、过程或资源等的抽象实体，它可以被视为监管、命令或其它需要应用于对象上必须满足的要求和规定。管片检测被认为是对管片的一种质量控制，所以可以以实体IfcControl为基础，扩展得到抽象实体IfcTestSchedule，属性Name，属性值为检测隧道名称；属性Number，属性值为检测对象编号；属性Description，属性值为检测隧道管片全生命周期检测；属性TestObject，属性值为管片/成环管片/隧道；属性TestUnit属性值为管片生产方/检测机构/施工方/监督方；属性ProjectPhase表示检测阶段，分为生产/拼装/竣工验收阶段；属性Diameter表示圆形隧道直径，为可选属性。IfcAppearanceQuality(外观质量)、IfcPerformanceTest(性能检测)、IfcSizeDeviation(尺寸偏差)、IfcHorizontalAssembling(水平拼装)、IfcSegmentAssemblingTest(管环拼装检测)、IfcTunnelAxisTest(隧道轴线检测)、IfcLiningTest(衬砌检测)是IfcTestSchedule的七个子类，见图2所示。

图2 IFC标准对管片检测实体表达

检测通过父类实体IfcTestSchedule表示，通过关系实体IfcRelAssignToControl与检测对象连接。IfcAppearanceQuality(外观质量)、IfcSizeDeviation(尺寸偏差)、IfcHorizontalAssembling(水平拼装)、IfcPerformanceTest(性能检测)的检测对象为管片实体，IfcSegmentAssemblingTest(管环拼装检测)和IfcTunnelAxisTest(隧道轴线检测)的检测对象为管环(或成型隧道)实体，IfcLiningTest(衬砌检测)的检测对象是成型隧道实体。七个检测大类的具体检测类型通过Predefined_Type 属性表达。以IfcPerformanceTest为例参考定义如下：

TYPEIfcPerformanceTestTypeEnum=ENUMERATIONOF(IfcConcreteStrenthTesting,IfcLeakage,IfcBendingTest, IfcPullOut); END_TYPE;

2.2.4 IFC对检测项目属性集扩展

IfcPropertySet可以定义一个动态扩展属性集，这就好比将一组实例(事件)定义的共同属性信息放在一个容器内，是一个包含类，在一个属性树中包含多个属性，单独属性表达的语义信息就是它们名字的含义。

通过对上述检测项目检测数据记录分析，管片检测项目共需要三个检测数据成员。

(1)检测属性集1扩展

IfcSizeDeviation(尺寸偏差)、IfcHorizontalAssembling(水平拼装)、IfcSegmentAssemblingTest(管环拼装检测)、IfcTunnelAxisTest(隧道轴线检测)的子类检测项目通过定义一个新的动态属性集Pset_Test1来描述这类检测项目的属性。每个属性集通过两张表格进行定义，属性集Pset_ Test1的定义见表5-6所示。

(2)检测属性集2扩展

IfcAppearanceQuality(外观质量)、IfcLiningTest(衬砌外观质量检测)的子类检测项目通过定义一个新的动态属性集Pset_Test2来描述这类检测项目的属性，属性集Pset_Test2的定义见表7-8所示。

(3)检测属性集3扩展

IfcPerformanceTest(性能检测)的三个子类检测项目通过定义一个新的动态属性集Pset_Test3来描述这类检测项目的属性。属性集Pset_Test3的定义如表9-10所示。

表5 Pset_Test1属性集定义

表6 Pset_ Test1中属性定义

表7 Pset_Test2属性集定义

表8 Pset_Test2中属性定义

表9 Pset_Test3属性集定义

表10 Pset_Test3属性定义

在检测项目的属性集建立完成后，则要建立属性集与检测项目之间的映射关系，详见图3所示。

2.3 基于IFC标准的管片检测信息模型与集成

2.3.1 管片检测信息模型

通过对管片检测信息实体、关系、属性和属性集的扩展与表达，可以得出基于IFC标准的管片检测信息模型，其中管片的检测项目有外观质量检测、性能检测、尺寸偏差和水平拼装四个检测大类；管环的检测项目有管片拼装检测、轴线检测两个检测大类；成型隧道检测在管环检测大类的基础上增加衬砌检测，共三个检测大类。

图3 基于属性集的检测项目实体的信息描述与关联

图4 管片检测IFC信息集成过程

以基于IFC标准的管片检测信息模型为基础，借用BIM技术，通过检测信息数据在BIM中的存储和操作，实现管片检测与BIM的集成，利用BIM软件的导出功能生成管片检测的IFC文件。管片生产阶段，检测方可以从IFC文件中提取出自己所需要检测项目的，即：外观质量检测、性能检测、尺寸偏差检测和水平拼装检测；管片拼装阶段，检测方从IFC文件中提取出自己所需要管片拼装检测和隧道轴线检测两个检测大类；成型隧道竣工验收阶段，检测方从中提出衬砌外观质量检测、管片拼装检测和隧道轴线检测三个检测大类，各参建方基于相同的管片检测BIM模型，保证检测信息的单一性、准确性和可传递性。

2.3.2 管片检测信息集成

管片检测信息集成包括管片信息集成和检测信息集成两方面。由于管片信息在全生命周期各个阶段几乎不变，可以在设计阶段完成后采用手动添加管片参数，实现管片信息集成。管片检测信息在不同阶段的检测项目和检测值不同，所以首先建立管片检测信息的全生命周期的BIM模型，但属性值均为空，导出IFC文件。在全生命周期不同阶段，各检测方根据自己需要，提取所需的检测信息，并对IFC文件进行读写操作，将各方的检测数据批量导入到IFC文件，得到集成了全生命周期各方检测信息的IFC文件，工作流程详见图4所示。

3 结论

目前地铁建设进入到了一个高峰期，盾构法由于具有施工速度快、对周围环境影响小、安全性高等自身优势，已在隧道施工方法种占据主导地位。在盾构法隧道中，管片全生命周期质量直接决定整个隧道工程的质量。管片检测技术是指在隧道施工中，对管片、管环及成型隧道进行质量管理的一种重要技术手段，然而采用人工工作的方法，存在信息处理慢、信息不共享等问题。本文通过对管片全生命周期检测信息采集，构建基于IFC标准的管片全生命周期检测信息模型，实现检测信息与BIM的集成。