基于IFC的隧道施工信息集成模型及管理信息系统

姜谙男， 郑 帅， 赵龙国， 吴洪涛， 段龙梅

(1. 大连海事大学 交通运输工程学院, 辽宁 大连 116026， 2. 吉林省交通规划设计院， 吉林 长春 130021)

隧道施工是一个复杂系统的动态调整过程，由于前期勘探信息匮乏，预设计方案有一定盲目性[1]，因此“观察法施工”“信息化施工”等强调反馈控制的施工理念得到重视[2,3]。隧道施工过程涉及繁杂而抽象的信息数据，建立可视化的隧道管理信息系统(Manage Information System，MIS)显得尤为必要。朱合华等[4]建立了基础设施智慧服务系统(in frastructure Smart Service System，iS3)平台框架，形成一套针对岩体隧道的精细化采集、分析与服务系统并应用。王国欣等[5]实现了隧道三维计算机空间模型与可视化施工顺序表现。姜谙男等[6]建立隧道的可视化反分析平台，基于可视化类库(Visualization Toolkit，VTK)对隧道施工中围岩应力、应变和节点位移等结果数据进行图像显示。

随着信息采集手段和分析方法的不断进步，目前包括监控量测信息、地质信息、施工过程分析信息等在内的隧道施工信息量呈爆炸式增长。数据多元性与格式不统一的矛盾日益突出。如何采用统一数据标准和可视化手段来共享和分析隧道施工多元信息成为有待解决的重要问题。建筑信息模型BIM(Building Information Modeling) 通过共同数据标准IFC(Industry Foundation Classes)集成工程各类信息，成为土木建筑行业的热点[7]。Hegemann等[8]基于IFC标准扩展了隧道TBM(Tunnel Boring Machine)施工的模型，并开发了显示IFC模型的软件。Li等[9]建立了基于BIM的地下工程施工风险的分析系统，并针对基坑进行应用。Zhou Ying等[10,11]从盾构管片拼装施工方面对IFC标准进行扩展。孙钰杰等[12]提出基于IFC 的水电设备运行可视化管理模式，并在此基础上使用C#语言进行系统开发。

基于BIM的工程管理信息系统已经逐渐引起重视，IFC为行业提供了信息集成的公共数据标准，这也是土木工程信息管理的发展趋势。但将BIM与隧道施工反馈分析相结合的研究还不多见。本文首先研究隧道IFC标准扩展和集成信息模型表达方法，然后进行基于IFC的反馈分析MIS的开发，并进行初步的工程应用。

1 隧道施工反馈分析流程

1.1 隧道施工反馈分析方法

围岩支护系统具有开放的复杂的系统特点，人工观测、监控量测和地质超前预报等多种手段获取多元信息可以看作该系统的输出。开挖方法和支护方案是该系统的输入。隧道施工过程反馈分析表现在一方面通过多元信息进行系统的辨识，即获得围岩的等级和围岩参数；另一方面通过施工方案调整实现控制，使地下工程的稳定状态向预期目标转化。隧道反馈分析流程见图1。

图1 隧道反馈分析流程

反馈分析中的信息获取区域包含了掌子面前方、掌子面、掌子面后方的不同空间位置；分析方法包含了统计分析、模式识别和智能优化等算法。

本文将BIM模型和其IFC数据标准引入隧道施工反馈分析过程。分析流程如下：

(1)利用Revit软件创建隧道BIM模型，通过IFC扩展形成隧道参数化组件库。

(2)将采集的多元信息及有关属性通过EXPRESS语言添加到BIM模型的扩展组件库。然后导出为 IFC 格式的模型文件。调用自主开发的反馈分析计算模块，进行围岩动态分级、围岩参数识别和监测信息预警。

(3)调用施工方案优化计算程序获得开挖施工方案和支护参数。在此过程中的计算结果数据也会实时地更新到BIM集成信息模型中。多种分析计算模型与BIM模型读写交互，支持IFC的各类主流BIM平台均可查询。基于IFC标准的隧道反馈分析模式见图2。

图2 基于IFC的隧道反馈分析模式

1.2 基于IFC的隧道反馈分析MIS设计

在图2的基础上，设计建立了基于IFC的反馈分析MIS。系统功能分为六大模块，即BIM模型库操作(IFC数据三维图形交互)、监测信息管理、围岩分级、有限元分析、动态设计以及分析报告等模块，系统的功能结构见图3。

图3 反馈分析MIS功能结构

本系统采用SQL Server 2010数据库，与一般MIS相比其显著特点是：(1)可以进行BIM模型数据解析以及三维模型可视化；(2)包含了监测数据统计分析、围岩动态分级、围岩参数识别和隧道工法选择以及支护参数优化的专业计算模块；(3)实现该系统与BIM集成模型的双向数据传递，并实现IFC信息存储和数据库存储的映射备份；(4)采用BIM建模软件Revit和结构分析软件ABAQUS之间模型数据转换方法，实现BIM有限元的正反计算。上述计算方法经过验证测试，在此不再详述，可参考文献[13]。以下介绍IFC模型信息表达方法、IFC模型解析和可视化显示等内容。

2 隧道施工IFC信息模型集成

2.1 隧道模型IFC扩展及参数化建模

隧道BIM模型包括隧道空间几何模型和相关集成信息。IFC标准是BIM的数据交换标准，已经提供了比较完善的建筑实体模型，但是这些模型还只是针对房建领域，不能适应隧道结构特征。所以，将BIM引入隧道领域首先需要扩展IFC模型。

IFC主要有三种扩展方式：(1)基于IfcProxy实体的扩展；(2)基于属性集的扩展；(3)基于实体定义的扩展。由于属性集的扩展具有较好的灵活性，不需要改变原来的IFC模型结构，本文用其进行隧道动态施工分析及反馈相关信息的表达。拓展隧道空间几何模型(种类和结构)则需要基于实体定义的扩展，利用参数化建模，即通过调整构件形状和几何尺寸的参数来动态修改模型。

通过PredifinedType和IfcProperty分别表达隧道实体和相关多元属性信息。多个同类属性IfcProperty属于一个IfcPropertySet Definition构建属性集。利用IfcRelDefinesByProperties实现隧道构件实体与其属性集之间的对应关系。

2.2 隧道种类IFC实体扩展

隧道种类可以按照形状、功能、分部等来区分。利用IFC的扩展来表达隧道种类或分部，需要在IFC的空间结构超类IfcSpatial Structure Element类下添加子类IfcTunnel和IfcTunnelPart，分别表示隧道整体空间的实体和表示隧道分部。一座隧道整体IfcTunnel，在空间上由若干个IfcTunnelPart组成。

IfcTunnel包括整个隧道的位置、空间几何信息等，还可以通过预定义类型属性和功能属性的方式添加隧道形式类型属性(IfcTunnelType)和功能类型属性(IfcTunnelFunctionType)；IfcTunnelPart是针对隧道的洞门、洞身、隧道线形等更小的分部种类来进行表达的实体子类。IfcTunnelTypeEnum，IfcTunnelFunctionTypeEnum和IfcTunnelPartTypeEnum的数据类型均为枚举实体。

其中给出IfcTunnelPartTypeEnum的EXPRESS描述为：

TYPE IfcTunnelPartTypeEnum = ENUMERATION OF(PORTAL,OPEN-CUTTUNNEL,UNDER-CUTTUNNEL,TUNNELCHAMBER,SHEDTUNNEL,USERDEFINED,NOTDEFINED);END_TYPE。

2.3 隧道结构IFC实体扩展

隧道结构如衬砌、锚杆、钢架等是隧道重要的组成部分，也应进行IFC的实体扩展。方法是通过其语法中物理结构元素超类IfcElement，该类包含了所有物理组件的通用元素、外形表达等信息。在IfcElement下依次逐级添加子类IfcCivilElement和IfcTunnelElement。IfcTunnelElement是所有隧道结构的抽象超类，再添加系列子类包括围岩(IfcTunnelSuroundingRock)、锚杆(IfcSystemAnchorBolt)、钢拱架(IfcSystemSteelFrame)、 初衬(IfcInitialSupportShotcrete)、二衬(IfcTunnelLiningStructure)、超前支护(IfcTunnelAdvanceSupport)、仰拱充填(IfcTunnelInvertFilling)、开挖工法(IfcTunnelExcavationMethod)等。具体的XPRESS-G视图见图4。图中表达了新增的隧道IFC实体子类和原有IFC实体超类的继承关系。通过以上子类实体的添加，可建立典型隧道物理模型结构见图5。通过预先建立的构件族库，根据具体的工程设计信息实现参数化建模。

图4 隧道物理结构的 EXPRESS-G视图

图5 隧道BIM典型的组件结构

隧道建设过程中，针对地质条件或围岩等级的不同，需要采取对应的开挖施工工法，也需要进行相应实体的扩展。主要涉及到台阶法、预留核心土法、中隔壁法，单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等五种开挖工法，通过Revit软件对典型的施工工法进行三维建模(图6)。

图6 隧道施工工法BIM模型库

为模型中每一个组成部分赋予顺序标识，并通过时间序列控制在Naviswork软件基础上进行开挖工法的动态展示。隧道围岩动态分级计算过程在前述的隧道反馈分析系统平台中实现，计算获得围岩级别后，在平台中可以调用相应开挖工法的动态模型进行4D展示。动态模型实现流程见图7。

图7 动态模型实现流程

2.4 隧道多元信息IFC属性扩展

在上述隧道组件建立基础上需要关联映射相关的信息。由于隧道施工涉及的信息繁多，需要对隧道施工信息进行分类整理。依据隧道动态施工流程及反馈分析功能，可将隧道施工信息分为监测信息、围岩信息、支护信息以及隧道工法信息。根据IFC语法，要分别进行属性集和属性的自定义。属性集自定义包含属性集的名称、属性集的适用实体。属性自定义包含属性名称、属性类型和数据类型。结合隧道动态施工信息表达的需要，建立了传感器信息、监测数据信息、分级信息、反分析信息、水文信息、节理信息、锚杆信息、衬砌信息、钢架信息、施工工法信息的属性集的定义，见表1。

表1 基于属性集的隧道动态施工信息表达

表1中的每个属性集又包含了具体的属性，限于篇幅，仅列出传感器信息属性、围岩分级指标属性分别见表2，3。通过对上述属性集和属性进行定义，利用系统内嵌IFC数据读写程序实现反馈分析过程的IFC信息的更新，将过程分析和最终计算结果信息同步写入IFC模型，实现了基于IFC的隧道施工多元信息的更新和表达。

表2 传感器信息属性集合

表3 隧道围岩分级指标属性

3 基于IFC的管理信息系统开发

3.1 IFC解析及图形引擎技术

基于上节所述的隧道IFC模型，将隧道施工过程所采集的各项信息、监测信息、学习样本组、学习结果以及工程施工信息等由读写程序写入模型。集成信息模型保存为纯文本IFC 中性文件(扩展名为.ifc)和IFC 模式文件(扩展名为.exp)。隧道围岩分级、参数反分析和支护优化各功能模块采用已有研究成果，可参考相关文献[13]。

IFC数据解析和三维图形引擎是本文管理信息系统的关键技术。考虑从底层开发IFC数据解析程序需要耗费大量的时间和精力，而目前免费的IFCsvr，IFC Engine DLL 等组件均具有IFC数据的解析功能，其中IFCsvr组件无法将BIM模型几何信息直接转化为三维图形引擎常用的三角网格，而IFC Engine DLL在该方面优势明显。该组件集成了几何实体的布尔运算的一般功能，能够对几何实体进行三角网格剖分，极大地方便了实体的模型操作与显示。并具有解析效率高、平台支持度广等特点。因此，本文选择了IFC Engine DLL 组件作为 IFC 数据解析程序的开发基础。

在 IFC Engine DLL组件基础上，采用Visual C# 编程平台、WinForm界面框架和Sql Server 2010作为数据库系统和Direct3D 图形引擎进行开发。Direct3D 提供了强大的三维图形功能， 并具有很好的模型显示效果，实现IFC模型交互。

SQL Server2010数据库作为IFC 标准数据的映射存储，保证了系统开发的效率以及模块功能的兼容性。开发的基于IFC的隧道MIS主界面见图8。

图8 基于IFC的隧道MIS主界面

3.2 系统初步应用

3.2.1 工程概况

现将该系统应用于甄峰岭隧道工程，该隧道位于吉林省和龙市北部西城镇境内，隧道分左右两幅，两洞的间距32～40 m，隧道长度约5 km。以该隧道LK65+870—LK65+950区段为例分析，在关键断面安装了自动化监测系统，包括多点位移计、应变计、钢筋计、土压力盒四种，安装位置为拱顶、拱腰、拱脚五处，用于测量围岩变形、结构应变、初衬内拱架轴力和围岩压力。施工过程还进行了常规监控量测和地质超前预报。该区段原设计为按照Ⅳ级围岩考虑，采用台阶法施工。

3.2.2 围岩动态分级

结合甄峰岭现场实际情况，输入指标确定为回弹强度值、完整性系数、节理延展性、地下水发育状态、结构面产状与地应力六项，输出结果为对应位置的BQ值对应的围岩等级。调用系统的围岩动态分级功能模块，通过解析和调用前述建立的甄峰岭隧道IFC施工信息集成模型，读取围岩分级指标及学习样本，完成该区段的BQ法与DE-ANN法围岩级别的判定，两种方法得到的围

岩等级都为Ⅴ级。根据该围岩分级结果，系统推荐宜采用的工法是双侧壁导坑法，推荐工法界面见图9。

图9 系统计算输出推荐工法

3.2.3BIM有限元反分析及锚固参数优化

利用前述的BIM有限元技术和智能优化算法，进行围岩的参数反分，BIM有限元反分析有关界面见图10。

图10 BIM有限元反分析有关界面

输入隧道拱顶位移大约为22.5 mm、拱腰处位移大约为18 mm，经过智能算法优化迭代，反分析得到围岩的参数为弹性模量1.10 MPa，泊松比0.37。与前述分析得到围岩等级为Ⅴ级是一致的。

基于前述反分析结果，调用锚固参数优化模块进行了锚固参数优化。以拱顶的沉降位移和拱腰收敛位移不超过警戒值作为稳定性约束，以工程造价最小为目标，调用后台智能优化算法的隧道围岩锚固参数优化程序，得到最优的锚固支护方案的支护参数为：锚杆长度3 m、径向间距1.4 m、直径21 mm，初衬厚度为24 cm。系统输出优化的支护参数界面见图11。

图11 系统计算输出的支护参数

对于上述区段采用常规的现场围岩BQ分级方法以及常规数值模拟进行了计算验证，与本系统给出的结果进行对比，有较好的一致性。按照系统给出的结果对实际工程调整了方案，方案实施后获得预期的施工效果。从而说明本系统的功能是可行有效的。

4 结 语

针对隧道施工信息繁杂抽象及数据异构性造成的共享困难的问题，本文分析了基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统功能模块和数据流程，阐述了IFC标准拓展方法，从隧道空间结构表达、物理结构表达和属性集合等方面拓展了隧道构件及信息IFC表达方式，建立了隧道施工分析的BIM信息集成模型，实现了隧道多元信息在不同的BIM平台的共享。本扩展方法支持通过buildingSMART对IFC格式官方认证的所有BIM 软件所导出的隧道构件IFC物理文件。

借助 IFC Engine DLL 和 Direct3D图形引擎，开发了IFC模型属性读写、格式解析和三维可视化的反馈分析MIS，进行程序编写，为隧道反馈分析提供了一种新的与BIM模型信息交互操作的解决方案。对开发隧道管理信息系统的应用表明，建立的BIM信息模型可靠，计算结果合理，克服了数据异构性导致的管理和利用效率低的问题。该系统为隧道施工信息分析管理提供了先进的手段。