面向BIM的桥梁工程分类编码体系研究

王小宁1， 2 王逸凡1， 2 刘 高1， 2 张秋信2 马白虎 钟荣炼

(1.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100088； 2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088； 3.贵州省公路开发有限责任公司，贵阳 550000)

1 引言

1.1 标准的意义

根据交通运输部公路现状统计结果， 2016年末，全国公路总里程469.63万km，公路桥梁80.53万座。随着我国公路基础设施的大力建设，公路的通行能力和运输效率显著提升，物流业迅速发展，为我国经济发展提供可靠保障。

建筑信息模型(BIM)技术集成现代信息技术和计算机技术，以3D模式直观表述，实现工程全生命周期的信息流通、共享和协同工作，促进项目建设过程的信息化发展。为推进BIM技术在公路水运工程中的应用，交通运输部在2017年12月29日发布指导意见，旨在提高该领域信息化水平及项目建设品质。

不同地区、不同公司采用不同的桥梁专业分类编码体系及数据格式，为应用BIM技术带来一系列问题，阻碍项目信息的传递及标准化管理，如模型不能重用，信息不一致及信息孤岛现象等。采用统一桥梁工程分类编码标准是推动BIM技术应用快速发展的必要前提。

1.2 研究现状

美国编制基于IFC的国家BIM标准，以ISO 12006-2框架为参考依据，对建筑工程建设过程中信息进行分类编码[1]。

佘健俊、成虎等对比分析工程系统分解结构(EBS)和项目工作分解结构(WBS)的区别和联系，研究工程系统的组成及EBS的应用方法[2]。杨龙阐述IFC标准、EBS分解标准和WBS分解标准等，参照以上标准制订元素分类及编码准则，建立一套适合铁路工程实体模型的元素编码表[3]。宋子婧、章征等分析EBS与工作分解结构(WBS)的区别以及在特大型桥梁全生命周期的发展变化，并对EBS的编码方法和作用进行分析[4]。

2014年中国铁路BIM联盟以联盟名义《铁路工程实体结构分解指南》。共包含轨道、路基、桥涵、隧道、站场、环保、通信、信号、信息等[5]，参照建筑工程BIM标准，对铁路工程范围内信息模型的分类及编码做出详细要求。同年，中国勘察设计协会发布《中国市政设计行业BIM实施指南》，BIM设计考虑规划和设计两个阶段，BIM设计目标为二维视图和统计报表从BIM模型中得到，让BIM技术成为广大设计人员生产工具，提高设计效率和质量，其中对市政工程构筑物拆分及命名规则提出总体要求。

图1 铁路及市政工程相关BIM标准及指南

公路行业目前还没有形成国家或者行业层面的相关标准及指南，对信息模型的分解、命名及编码规则还没有形成统一的参考基准。

1.3 相关技术标准

IFC 标准采用 EXPRESS(ISO 10303-11:1994)语言定义，是面向对象的三维数据共享及交换标准，其定义应用范围为贯穿于工程全生命期数据共享的标准[9-11]。IFC标准的架构分为四层：领域层、共享层、核心层与资源层。资源层主要定义实体与类型等基本概念，不能独立存在，依赖于其它层对其应用； 核心层定义结构、基础的关系及其他概念信息； 信息传递的相关概念定义在共享层； 领域层定义对象的属性信息。IFC标准的应用主要集中在建筑领域，国内专家及学者正在进行桥梁工程相关IFC对象定义及扩展法人相关研究。

IFD标准的作用是保障信息在共享和传递过程中的准确性。IFC标准中的对象、信息等都在IFD标准中都具有唯一标示码。通过IFD标准软件间信息交换不因为国家、地区、文化等不同而产生偏差。

EBS分解标准定义功能面和专业元素概念，功能面是指工程总系统中具有使用功能的产品或服务[12]，例如一座特大型桥梁可以分为主桥、引桥、滩桥等功能区。每一个功能面由多个专业工程元素组成，例如主桥分为桥梁工程及交通工程等。专业工程元素可以继续分解为多个子元素，例如桥梁工程可以分为下部结构、上部结构等。

WBS分解标准是将项目系统分解成可管理的工作任务，根据分解对象的不同又衍生出组织分解结构、资源分解结构及文档分解结构。WBS主要包括层级结构、编码及分解结构词典三个要素，层级结构是项目管理系统任务从总体到局部细化工作的树状结构； 编码是对工作分解结构中每一项工作都进行唯一编码形成编码系统，在日常项目管理中编码系统是资源安排、成本核算及进度安排等工作的重要参照； 分解结构词典是对工作进行详细定义和补充说明[13]。

2 分类体系研究

信息模型分类是根据模型的属性和特征，依照特定的原则和方法将信息模型进行分解和分类，形成多层级的分类体系。分类的主要方法包括：线分法、面分法和混合分类法。

2.1 分类原则

桥梁工程信息模型中对象的分类应遵循如下基本原则：

(1)适用性

分类要基于全生命周期考虑，满足不同项目阶段、不同管理精度的要求，既满足项目前期阶段(规划阶段、方案阶段)又满足项目中期及后期阶段(建设阶段、运营阶段等)的管理需求。

(2)系统性

分类应按照特定的分类方法形成一个多层级合理的分类体系。同一层级不能相互包含，层级之间具有隶属关系，上层级可包含下层级。

(3)扩展性

分类应保证在不影响已有分类体系的基础上，可进行补充和完善，满足不同管理精度及不同管理阶段的需要。

2.2 分类方法

信息分类的主要方法包括：线分法、面分法和混合分法。线分法将目标物按属性或特征分解成若干个层级的类目，同一层级类目为并列关系，不同层级类目是隶属关系。面分法将分类对象按照属性和特征分解成若干面，每个面可继续分成若干独立的面，若干独立的面组着在一起，形成复合类目。混合分类法是线分法和面分法的融合，首先将对象按照分成若干面，再在面内采用线分法对每个类目进行层级分解，混合分类法可较好适用于复杂对象的分类，其中最典型的就是OminClass分类法[14]。

本文在吸收及总结各方面分类标准的基础上形成一套面向BIM的桥梁工程元素分类标准(IFD)，为桥梁工程信息模型分解提供另外一种思路。同样基于ISO 12006-2框架，采用OminClass分类法中面分法将《桥梁工程信息模型分类表》按不同特征和属性进行分类形成11张表，每张表中对象再采用线分法分为多层级的表格。

表1 桥梁工程信息模型分类

表编号分类名称备注01按功能分公路桥、铁路桥、公铁两用桥等02按形式分梁桥、斜拉桥、悬索桥等03按元素分主梁、桥墩等04建设项目阶段规划、设计、施工等05建设行为投资、规划、报建等06组织角色设计单位、施工单位等07专业领域桥梁工程、交通工程等08工具塔吊、脚手架等09材料沥青、水泥等10属性形状、尺寸、重量等11产品场地、预制件等

3 编码体系研究

信息模型编码是将信息模型中的对象赋予计算机容易识别的符号，形成编码集合。整个信息模型是一个大的编码集合，集合中每一个编码代表信息模型中的某类对象。

信息模型中具有相同属性和特征的对象分为一类，具有相同的编码符号。类别编码在信息模型的编码集合中具有唯一性，这可保证信息模型在不同专业及不同应用系统之间能够正确解析。

3.1 编码原则

桥梁工程信息模型中元素的编码应遵循如下基本原则：

(1)唯一性

在分类编码体系中，每一个类别有且仅有一个编码，一个编码也只对应一个元素类别。

(2)规范性

在分类编码体系中，编码结构及格式应保持一致。对编码中使用的符号给与解释说明。

(3)扩展性

元素分类编码时应考虑冗余余量，满足未来不断扩展的需要。

3.2 编码方法

层级编码以对象层级分类为基础，将对象编码成为顺序递增可扩展的类。对象编码由表格编码和层级编码(第一级、第二级等)组成，表格编码和层级编码都由2位数字组成。采用“-”连接分类与层级码，采用“.”连接层级码。在项目建设的不同阶段，项目对编码的精确度要求不一样，单一类目的编码并不能精确的描述对象，将不同编码与“+”、“-”、“<”、“>”符号一起使用可以准确地描述复杂对象。

不同的运算符号代表不同的含义，“+”将多个代码组合在一起；“/”表示单个表中的分类对象代码段，“/”前代码为起点，“/”后代码为终点，“<”“>”用于表示分类对象间的隶属或主次关系[15]。

元素编码一般结构如图2所示。

图2 分类编码结构图

表编号来源于《桥梁工程信息模型分类》，如“编3”对应桥梁工程信息模型分类表中的元素表。层级编码对应元素表中的某个元素，每一个层级编码对应元素分类表中的相应层级的编码对象。

本文着重介绍桥梁工程分类编码体系，把需要编码的对象分解为树状层级结构，部分分类表格如表2-4所示。

表2 按功能分桥梁(部分)

编码第一级第二级备注01-01桥梁01-01.01公路桥01-01.02铁路桥01-01.03公铁两用桥01-01.04人行天桥01-01.05管线桥

表3 按形式分桥梁(部分)

编码第一级第二级第三级备注02-01桥梁02-01.01悬索桥02-01.01.01单塔02-01.01.02双塔02-01.01.03多塔02-01.02斜拉桥02-01.02.01单塔02-01.02.01双塔02-01.02.01多塔

表4 桥梁元素分类表(部分)

编码第一级第二级第三级第四级第五级03-01桥梁03-01.01下部结构03-01.01.01基础03-01.01.01.01桩基础03-01.01.01.01.01承台03-01.01.01.01.02桩基03-01.01.01.02沉井03-01.01.01.03地连墙03-01.01.01.04………03-01.01.02墩台

4 分类与编码体系应用

4.1 EBS编码

EBS是工程结构在信息系统的数字化描述，将实际工程结构拆分为满足管理需要的最小单元。EBS编码结构形式为树状层级结构，是分类编码的实例化编码形式。本文将EBS编码形式定义如图3所示。

图3 EBS编码结构图

编码形式中的分幅位置可根据项目需要进行层级的调整，整个EBS的编码层级不固定，根据项目需要，管理人员可进行不同层级的编码，满足复杂项目的使用要求； 每一个元素编码由两部分组成：元素类型编码和实例化编码，中间用“：”连接，“：”前的编码为元素类型编码，其可与《桥梁工程信息模型分类表》中元素类型表的分类编码进行一一映射，“：”后的编码为这个元素的实际编号，如“02：001”中“02”与《桥梁元素分类编码表》中的桩基础编码保持映射，“001”表示001号桩基。

以平塘特大桥主塔基础和引桥基础为例，根据上述编码结构可表示为：PTQ-01-01-01：015-03-01-01： 01(平塘特大桥—桥梁工程—下部结构-15#索塔—不分幅—基础—承台)和PTQ-01-01-02：020-01-01-02： 001(平塘特大桥—桥梁工程—下部结构-20#桥墩—左幅—基础-001号桩基)。

工程系统按照“功能面”及“工程要素”进行结构分解，分解对象编码形成EBS编码集合。EBS编码集合反映工程项目的实体结构，信息模型分类编码可确定桥梁元素的类型。两种编码保证映射关系，并且联合使用形成工程项目编码体系，其可反映工程实体的结构层次，又可使信息模型在不同专业信息系统共享及流转过程中，元素能被正确解析出相应类型及附带的属性信息。

4.2 分类与编码体系作用

在设计阶段，技术人员按照EBS编码规则及对应的分类编码表可进行桥梁元素标识符的编码工作，此编码具有唯一性。在BIM模型建模过程中，建模人员可将确定的唯一编码赋予BIM模型。BIM模型附加的结构化信息及非结构化信息就可无损传递给施工阶段。

在施工阶段，技术人员基于相同的分类编码规则及EBS编码规则就可以接受设计阶段传递的BIM模型，并提取模型上附加的属性信息。施工期项目管理工作是基于WBS展开的，WBS是将项目涉及的各项内容按照一定的准则进行分解，直至分解成内容单一、便于管理的工作单元，是对工作任务的分解。WBS与EBS的编码是高度类似，密不可分的，根据设计模型上附加的编码可以快速形成一套适合于施工期项目管理工作的WBS编码。

5 结论

建立一套适合全生命周期的编码规则体系是实现BIM模型信息交互的重要保障。通过对国内外建筑、铁路、公路及市政领域信息分类与编码体系的研究分析，结合桥梁工程的特点，本文将桥梁工程中的对象分为11张分类表，并制定EBS编码结构形式。分类编码可以确定元素的类别属性，EBS编码可以确定桥梁工程构件的唯一性，两者结合对BIM模型信息传递及项目管理工作提供重要保障，提出一套适用于桥梁工程BIM技术应用需要的分类与编码体系。

本文提出的分类与编码体系只经过部分项目的应用，分类编码表中关于附属结构及交通工程的内容还需进一步完善，编码体系的应用还局限在设计及施工阶段，运维阶段的应用暂未开展。