路基与土方工程IFC国际标准研究

赵飞飞，韩斌，杨绪坤

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

随着BIM技术快速发展，其内涵和外延不断深化和拓展，应用领域也从最初的建筑领域逐渐扩展到基础设施领域。基础设施是社会运转所需的基础工程设施，BIM技术在基础设施全生命周期具有巨大的应用潜能［1-2］，而信息交换贯穿其整个生命周期。

工业基础类（Industry Foundation Classes，IFC）是由buildingSMART发布的BIM数据交换标准，提供了一个综合的、中立的、标准化的BIM数据交换格式，不依赖于具体系统。随着BIM在基础设施领域的广泛应用，IFC标准也逐渐向基础设施领域扩展［3-4］。在buildingSMART国际组织中，基础设施室（Infrastructure Room）负责定义公路、桥梁、隧道等基础设施领域的IFC标准，铁路室（Railway Room）负责定义铁路工程IFC标准，并分别建立了相应的IFC Road、IFC Bridge、IFC Tunnel、IFC Rail［5］等项目组。在各标准编制过程中发现，基础设施领域存在共性的一些概念在多个项目中分别定义，容易出现不一致的问题。为此，基础设施室在2018年启动了IFC公用模式（IFC Common Schema）项目，旨在识别基础设施领域共用的对象，并统一进行IFC标准扩展定义，以保证对象定义的一致性。路基与土方工程是IFC Common Schema项目的一项重要研究内容。

路基与土方工程是基础设施领域不可或缺的组成部分，也是其他工程的基础。在铁路工程信息模型数据存储国际标准框架［6］下，考虑基础设施领域公路、铁路等行业的应用需求，定义路基与土方工程概念模型。基于IFC标准，构建路基与土方工程IFC标准扩展架构，确定实体继承关系，为标准编制提供重要支持。

1 路基与土方工程IFC用例

用例（use case）识别是进行需求分析的常用手段，主要用于确定交换场景和交换需求，即确定信息交换方、信息交换内容、信息交换阶段、信息交换格式以及信息交换粒度。在IFC国际标准研究过程中，识别用例、确定需求通常是第1步，也是IFC标准扩展的基础。大多数项目具有一些较为典型的用例，如可视化、模拟仿真、工程量计算、成本估算等。

building SMART在其发布的IFC基础设施总体架构指南［7］中，定义了基础设施领域14个通用用例。基于这些通用用例，同时参考IFC Bridge、IFC Road等基础设施领域项目确定的用例，并通过与IFC Common Schema项目组国际专家进行充分研讨，识别了路基与土方工程共27项IFC用例（见表1），包括通用用例和专有用例。其中，基床结构层厚度确定、土方填挖设计、边坡防护设计、地基处理设计、边坡稳定性分析和土方调配等是路基与土方工程的专有用例。

表1 路基与土方工程IFC用例

2 路基与土方工程概念模型

概念模型是现实世界到信息世界的第1层抽象，可用于表达某领域相关概念及相关概念之间的关系。IFC基本概念分解方式包括空间分解、功能（系统）分解、物理构件分解。路基与土方工程是基础性工程，在空间上可以包含到其他工程结构中。根据IFC标准扩展的基本原则，尽量减少新增实体定义。因此，路基与土方工程相关概念主要从物理构件的角度进行分解。

统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是国际上标准化的建模语言，采用文本和符号图形化描述面向对象的模型［8］。采用UML构建路基与土方工程概念模型，可理清路基与土方工程领域涉及的实体及相互之间的关系。在构建概念模型时，实体抽象的粒度需适当。粒度太大，难以反映工程中的实际需求；粒度太小，将使标准内容过于庞大，不利于标准的维护。

UML中有多种关系类型，如聚合（Aggregation）、泛化（Generalization）、依赖（Dependency）等。聚合用于表示整体与部分的关系；泛化用于表示一种继承关系，子类继承父类的所有属性和方法；依赖表示一个概念依赖于另一个概念的定义，是一种单向的弱关联关系。在路基与土方工程概念模型构建过程中主要使用聚合、泛化2种关系类型，表达概念与概念之间的关系。

一段路基可视为由路基与土方工程元素组成；路基与土方工程元素可进一步分为填方、挖方、地基加固和护坡；填方、挖方、地基加固可根据施工工艺工法进一步细分。路基与土方工程概念模型见图1。

图1 路基与土方工程概念模型（UML）

3 路基与土方工程IFC标准扩展

3.1 标准扩展架构

为提高标准的可维护性和可扩展性，IFC数据模型结构划分为4个层次，自底向上分别是：资源层（Resource Layer）、 核心层（Core Layer）、共享层（Interop Layer）、领域层 （Domain Layer）［9］。其中，资源层定义了一些资源信息，但资源定义没有全局唯一标识符，不能独立使用，因此需要与上层定义一起使用；核心层包括核心模式和核心扩展模式，定义了一些基础性的通用实体，每个实体都具有全局唯一标识符；共享层定义了多个领域共性的内容，主要用于不同领域之间的信息交换和共享；领域层定义了专门用于某个特定领域的实体，主要用于领域内部之间的信息交换和共享。

隐爆角砾岩是热液运移的良好通道和容矿场所，是金属矿床的一种重要类型[9]，常与浅成—超浅成中酸性斑岩体相伴产出。许多斑岩型金、银、钨锡矿及斑岩型铜金钼矿床都与隐爆角砾岩存在密切的时空及成因联系[10-11]。

路基与土方工程作为基础设施领域共性的内容，在IFC架构的共享层进行定义。基于路基与土方工程概念模型，在IFC4.2标准架构的共享层新增共享基础设施元素模块（Shared Infrastructure Elements），并在其中增加挖方（IfcEarthworksCut）、路基与土方工程元素（IfcEarthworksElements）、填方 （IfcEarthworksFill）、地基加固（IfcReinforcedSoil）等实体定义；在共享层的共享建筑元素模块（Shared Building Elements）中，以预定义类型枚举值的方式增加侵蚀防护（EROSIONPREVENTION）的概念。路基与土方工程IFC标准扩展架构见图2。

图2 路基与土方工程IFC标准扩展架构

3.2 实体扩展

IFC标准定义了对象、属性和关系，其中，对象主要分为空间元素、物理构件和系统，分别采用IfcSpatialElement、IfcElement和IfcSystem来表示。预定义类型（PredefinedType）是IFC实体的一个特殊属性，可实现对实体类型的进一步细分。预定义类型属性为枚举型，其取值一般是广泛认可的分类。基于上述概念模型，路基与土方工程IFC标准定义了4个新的物理构件实体，并通过预定义类型属性，定义了路基与土方工程23个预定义类型枚举项（见图3）。

图3 路基与土方工程IFC实体继承关系（UML）

（1）IfcEarthworksCut：表示挖方概念，继承自IfcFeatureElementSubtraction实体类，并通过预定义类型属性IfcEarthworksCutTypeEnum定义了9个预定义类型枚举值，包括：TOPSOILREMOVAL（清表）、CUT（路堑）、TRENCH（挖沟槽）、DREDGING（清淤）、BASEEXCAVATION（挖基）、OVEREXCAVATION（超挖）、PAVEMENTMILLING（路面铣刨）、STEPEXCAVATION（挖台阶）、EXCAVATION（一般挖方）。

（2）IfcEarthworksElement：表示路基与土方工程元素，继承自IfcBuiltElement，并派生出IfcEarthworksFill和IfcReinforcedSoil两个子类。

（3）IfcEarthworksFill：表示填方概念，继承自IfcEarthworksElement，并通过预定义类型属性IfcEarthworksFillTypeEnum定义了7个预定义类型枚举值，包括：SUBGRADE（路基本体）、SUBGRADEBED（基床）、EMBANKMENT（路堤）、SLOPEFILL（边坡填筑）、BACKFILL（回填）、COUNTERWEIGHT（反压护道）、TRANSITIONSECTION（过渡段）。

（4）IfcReinforcedSoil：表示地基加固，继承自IfcEarthworksElement，并通过预定义类型属性IfcReinforcedSoilTypeEnum定义了6个预定义类型枚举值，包括：ROLLERCOMPACTED（振动碾压）、DYNAMICALLYCOMPACTED（强夯）、SURCHARGEPRELOADED（堆载预压）、GROUTED（注浆）、REPLACED（换填）、VERTICALLYDRAINED（竖向排水）。

此外，在IfcBuiltSystemTypeEnum枚举类型中新增了侵蚀防护（EROSIONPREVENTION）枚举值，表示护坡概念，并通过属性集定义了典型的侵蚀防护类型，包括：植物防护（Planting）、实体防护（Solid）、框架防护（Framework）、锚杆框架防护（Anchored framework）、喷射混凝土防护（Shotcrete）、防护网（Screening）、土工合成材料防护（Geosynthetics）等。

3.3 属性集扩展

IFC标准可通过静态扩展的方式定义新的属性集［10-11］。属性集的扩展可分为2种方式：一种是在IFC已有属性集中增加新的属性；另一种是新增属性集。在IFC Common Schema项目中，不同国家和地区对路基与土方工程属性集的需求不同，目前项目成果中仅定义了很小部分属性集和属性。路基与土方工程部分属性集定义见表2。

表2 路基与土方工程属性集定义

3.4 实例图

实例图（Instance Diagram）可表达IFC实体之间的关系，以及IFC对象与业务需求之间的映射。IFC实体之间的关系是通过IFC关系对象来表达的，包括IfcRel-Aggregates、 IfcRelContainedInSpatialStructure、 IfcRelReferencedInSpatialStructure、IfcRelVoidsElement、IfcRelAssigns-ToGroup等，关系对象定义在IFC架构的核心层。IfcRel-Aggregates关系对象表示一种聚合关系，通常用于表达整体与部分之间的关系；IfcRelContainedInSpatialStructure表示构件与空间结构之间的包含关系，具有严格的层次性，一个构件只能包含在一个空间结构单元中；IfcRelReferencedInSpatialStructure表示空间参考或引用关系，没有严格的层次性；IfcRelVoidsElement表示在某种现有结构上进行开孔/开洞/挖除，形成一种空间；IfcRelAssignsToGroup表示将对象关联到一个组对象。

以铁路工程为例的实例见图4，图中使用IFC表达了一段半路堤半路堑铁路路基：场地对象（IfcSite）通过 IfcRelAggregates、IfcRelContainedInSpatialStructure 包含本段路基所属铁路对象（IfcRailway）和涉及的地质对象（IfcGeomodel）；地质对象（IfcGeomodel）通过IfcRelVoidsElement关联挖方对象（IfcEarthworksCut/CUT）以表示路堑；铁路对象（IfcRailway）通过IfcRel-Aggregates包含路基对象（IfcFacilityPart/BELOWGROUND），通过IfcRelReferencedInSpatialStructure引用侵蚀防护对象（IfcBuiltSystem/EROSIONPREVENTION）；路基对象 （IfcFacilityPart/BELOWGROUND） 通过 IfcRelContainedInSpatialStructure包含路基本体（IfcEarthworksFill/SUBGRADE）、地基加固/注浆（IfcReinforcedSoil/GROUTED）和边坡填筑（IfcEarthworksFill/SLOPEFILL）；路基本体又进一步通过IfcRelAggregates包含基床（IfcEarthworksFill/SUBGRADEBED）、 路 堤 （IfcEarthworksFill/EMBANKMENT）。其中，边坡填筑（IfcEarthworksFill/SLOPEFILL）通过IfcRelAssignsToGroup也同时作为侵蚀防护对象（IfcBuiltSystem/EROSIONPREVENTION）的一部分。

图4 路基与土方工程IFC实例

4 结束语

路基与土方工程是基础设施领域的共性内容，也是buildingSMART国际标准项目IFC Common Schema的重要研究内容。采用用例识别-概念模型构建-标准扩展定义三步法，识别了路基与土方工程27个用例，构建了概念模型，在IFC标准框架的共享层，扩展定义了基础设施共享元素模块，并在其中定义了路基与土方工程相关元素。研究成果已纳入IFC4.3候选标准，目前正在进行标准验证，通过进一步调整和优化，最终将成为正式标准发布。研究只涵盖路基与土方工程部分核心内容，未涵盖路基排水等其他概念，路基排水作为路基与土方工程不可或缺的重要组成部分，也是IFC标准向基础设施领域扩展的一个重要方向。此外，路基与土方工程属性集的定义还有待进一步完善。