IFC标准扩展方法在公路工程中的应用探究

赵飞 朱明 徐益飞 彭昌翠 董建辉

摘 要：随着建筑信息模型技术的发展与应用，越来越多的数据贯穿于工程的全生命周期，信息化的数据传递与共享不可避免，选择通用的数据格式是必然趋势.研究IFC标准对工程数据的传递与共享发現，已有的IFC标准不能满足对公路路线及监测仪器的标准与传递；在研究了IFC标准的4层架构及功能的基础上，提出了基于新增实体、基于IfcProxy实体及基于属性集的3种扩展思路，其中兼容性最好、可靠度最高及操作最简单的是基于属性集的扩展；通过属性集的扩展方法，实现了路线中心线及监测仪器中监测信息的表达与传递.研究成果在川九路的边坡监测试点工点中应用，实现了公路数据、监测仪器与监测数据的共享与传递.

关键词：建筑信息模型技术；IFC；数据共享；公路工程；监测技术

中图分类号：U415.1

文献标志码：A

文章编号：1004－5422（2023）03－0318－06DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.03.015

0 引 言

最近几年，信息化技术在公路行业的应用越来越规范，特别是建筑信息模型（BIM）技术的发展对公路行业影响越来越明显［1］，根据相关的调查与数据，BIM技术在设计领域的高使用率单位接近了40%［2］，在施工领域超过50%单位在使用［3］，但大多数使用的单位仅在展示汇报、翻模和建设管理等方面应用BIM技术［4］，多停留在BIM的几何应用上.目前，越来越多的单位认识到BIM的价值不仅仅体现在几何信息表达上，更不局限于某一阶段，期望在同一个项目的全生命周期内集成多方数据，实现多方工程数据的共享与交换，以满足不同参与方的数据应用需求.

IFC数据交换标准［5］是一个完全公开的，不受限制的数据交互格式，有效地解决了数据在工程的全寿命周期的扭转与流通问题.尽管IFC标准在不停地完善，一代一代迭代，但还是存在很多的问题.例如，在公路的监测预警中会涉及各种各样的监测仪器，其核心就是传感器，而且传感器类型繁多，虽然IFC中可以用IfcSensor实体来表示传感器，但IfcSensorTypeEnum枚举类型中仍然缺失很多类型，没有类似应变式与振弦式传感器，需要对已有的进行扩展［6］.

近年来，国内外学者都在对IFC标准进行进一步研究，不断地完善和扩展，让其在各行各业得到广泛应用.Rio等［7］在已有IFC标准的结构传感器实体上进行扩展；陈立春等［6］提出了IFC标准在领域层的实体扩展方法；苏林［8］提出了适用于线性工程的IFC标准，对公路IFC标准的研究和应用有较大的参考价值.

目前，采用监测技术手段对已发现的重大不良地质工点进行健康监测，监测的实现就是通过各种传感器监测其稳定性状态，预警预报即将发生的破坏事件，在其临近破坏前为公路的应急抢险提供宝贵的时间，减少或避免发生交通安全事故［9-11］.随着BIM技术的发展，监测技术与BIM技术的融合能产生更大的价值，但监测成果的表达仅通过表格的形式展示，存在不能真实地反映其位置，统计分析较麻烦等问题.需要寻找一种数据共享交互的方式来实现在不同系统中的传递与共享，采用IFC标准的数据格式能满足要求，使监测成果具有模型信息、数据信息与坐标信息等，让监测成果的表达更加完善，发挥更大的价值［12-15］.

IFC标准在4×1的版本中增加了路线中心线实体，其从定位实体派生而来，含平面和纵断面，但并不能完全适用于公路线性工程，公路线性中的缓和曲线为特定的回旋线型，其不支持常见的缓和曲线，也不支持路线数据中常见的断链，无法表达里程桩号不连续的问题，在最新的IFC标准4×2的版本也未见补充；其次，公路监测预警工作中，常见的监测仪器的传感器的类型等不全.本研究将依据以上IFC标准遇到的问题，在IFC标准的4×2版本基础上展开研究及扩展探索，最终在川九路灾后恢复重建中应用.

1 IFC标准及扩展方法

1.1 IFC的4层架构

IFC标准的核心在于信息的描述与共享.IFC的总体框架是分层级，每层相对独立，设计为4层架构（见图1），从上到下依次为领域层、共享层、核心层及资源层.每层包含若干模块，每个模块又包含不同信息，各层之间遵循重力原则，即阶梯原则，每层的类别可参照同一层级或较低层级的类别，不能参照较高层级的类别，这样可以做到当上层资源发生变动，下层不受影响.

资源层是IFC框架层次的最底层，根据重力原则，其他层均可以使用该层的资源信息.该层主要描述模型中所需要的基本信息，不针对具体哪个行业，是无整体结构的分散信息.主要包括材料资源、几何资源和成本资源等.

IFC标准的第2层是核心层，作为中间层，可以为上下层提供数据支撑.该层主要描述工程模型的结构，工程信息的集成，是对现实场景中的工程抽象化表述，包括核心和核心扩展2个方面的抽象，对工程属性描述常包括属性定义和属性集定义［16-17］.

共享层是IFC架构中的第3层，主要服务于领域层，领域层中的模型可以通过该层来实现信息交换的目的，定义多个领域中公用概念和对象，如IfcWall即可以表示建筑行业中的墙，也可以表示公路行业中路基的挡墙等.

领域层是IFC架构的顶层，定义了各个专业领域涉及到的具体实体，如电器领域、暖通领域与消防管道领域等，但无交通或公路领域，需要对现有IFC标准进行扩展.

1.2 IFC扩展思路

经过多年的发展与完善，IFC标准至今更新了18个版本，但因涉及行业太多，专业性太强，目前的标准仍然存在很多的不足，不够完善.在实际的应用过程中，各行各业需要根据具体的特性对已有的标准进行扩展.目前，国内外学者对IFC数据模型的扩展方法主要有3种，IfcProxy实体的扩展、基于新增实体的扩展与基于属性集的扩展［9］.以上3种扩展方式的对比分析结果见表1.

易用性反映用户现实的难度，兼容性是指与现有标准的兼容问题，类型安全是指在开发基于IFC的应用程序时，是否能够有编译器提供类型检查.基于增加实体的扩展方法已经超出了IFC标准的自身架构体系，已经改变了IFC模型的自身定义，并且是IFC标准每1次重大版本更新经常使用的方法.基于IfcProxy实体的扩展是为IfcProxy实体关联属性集和类型对象，较易实现，兼容性由IfcProxy实体提供保证，兼容性较好，但用户自定义的类型在程序运行时以字符串方式存储在IfcProxy的ObjectType属性中，编译器不能进行类型检查，类型安全得不到保证.基于属性集的扩展是通过自定义属性集和自定义属性来表达标准中未定义的信息，实现难度较低，且不会对原有IFC体系产生影响，不会引起模型体系的歧义与冲突，类型也安全［10］.根据以上对IFC标准的研究，考虑扩展难易程度、兼容性及安全性，本研究也将采用属性集的扩展方法，实现IFC模型的数据交换.

2 IFC路线表达与扩展

2.1 IFC标准的问题

公路是一种典型的线性工程，用平面数据、纵面数据及桩号数据等信息能很好地表达公路的线性特征.以前IFC标准是没有路线的存储标准，在2016年更新的IFC4版本中才增加了路线数据，定义了IfcAlignment（见图2），对IFC标准基于增加实体的扩展，该实体位于标准的核心层，主要用于描述路线中线的信息，其派生自定位实体，主要表达的内容包括平面信息及纵断面信息，但不能表达我国公路路线设计中常见的缓和曲线及断链信息，需要对已有的IFC标准进行扩展［8］.

2.2 路线扩展思路

目前的IFC标准版本对路线描述不够完善的问题，将通过对IfcAlignment实体进行扩展（见图3）来解决，主要包括路线平面、路线纵断面及里程系统.其中，增加缓和曲线实体及里程系统，完善了公路路线信息的表达，建立了适用于公路路线信息表达的IFC4×2GL标准.路线平面一般在二维平面中表达；路线纵断面主要指高程沿着路线方向的变化，指路线的高程变化特征；道路的里程直观地反映线路的具体位置，沿路线的二维平面定义，桩号长度与平面路线长度一致.

3 监测的表达与扩展

目前的IFC标准中对监测信息的表达（见图4）主要适用于环境监测，监测技术中常用的傳感器均用IfcSensor实体表示.传感器的类型均包含在IfcSensorTypeEnum（枚举类型）中，用实体的PredifinedType属性表达，监测信息与数据用IfcProperty表示，多个IfcProperty就构成1个属性集（IfcPropertySetDefinition），属性集与传感器用IfcRelDefinesByProperties关联起来［18］.

IFC中对监测信息的表达主要针对的是环境监测，这与工程监测（边坡监测和滑坡监测等）的需求存在较大的差距.已有学者对监测仪器及监测数据的表达进行了研究［12］，考虑本项目的情况，在2方面有扩展需求：首先，枚举类型中的传感器类型需要丰富，原来只包括环境监测的类型，需添加位移、应力、应变和加速度等工程监测中常见的传感器类型；其次，在现有IFC中添加监测信息模型数据.根据前文分析研究，采用属性集及属性的扩展方法，又根据监测数据的要求，对监测信息模型数据表达通常选用属性集定义中适当的属性建立关联，表2定义了IFC传感器的属性类型与属性值类型.

4 数据共享案例分析

4.1 道路模型

利用AutoCivil3D软件建立道路模型，通过软件导出IFC模型，采用自主开发的基于地理信息（GIS）的公路工程三维辅助设计系统，对导出的IFC模型二次处理导出符合扩展后的路线数据，能较好地反映路线直线段、圆曲线段及缓和曲线段（见图5）.根据IFC数据完成了某山区公路的路基、桥梁、隧道及服务区的模型创建.路线数据导入超图和BIM Vision等软件均能较好地反映路线特性，实现了路线数据的交换共享.在自主开发的IFC解析软件（见图6）中可以完整地解析IFC格式的数据，包括路线的信息及属性信息.

在川九路道路建模中，通过通用的IFC标准传递公路设计信息，让数据的表达与传递不依赖任何软件平台，实现了不同软件生成的数据传递与共享，AutoCivil3D的道路模型、Revit生成的隧道及桥梁模型均快速在平台展示，实现了数据的融合.

4.2 监测传感器

将监测传感器的扩展内容添加到EXPRESS架构中［16］.利用Revit创建族的功能，添加族类型属性，参数化族相当于在EXPRESS架构中增加扩展，导出增加族的IFC模型，再将监测数据集成到IFC文件中，最后在软件BIM Vision中查看传感器，进行数据完整性、准确性及可视化的验证［13］.

本研究以崩塌监测中常见的仪器倾角仪作为验证传感器（见图7），为了验证数据，模拟了1组倾斜角度值，把监测数据添加到IFC模型文件中.其中，Guid为仪器唯一编码；SetSensorType是仪器的类型，其类型为DipAngleSensor（倾角仪）；SetSensorCode是仪器编号；SetSensorInstallTime是仪器安装时间；SetPointDipAngle是仪器的模拟读数；SetSensorRange是仪器的量程.

对比分析已有的数据传输方式，数据完整性、准确性与已有方式保持一致，无数据遗漏和准确性的问题，采用公开的IFC格式传输具有适用性强与传输便捷等优势，利于数据在不同系统或平台的接入与共享，包括几何属性和数据属性，增加了数据的生命力.

5 讨 论

随着BIM技术在公路行业的应用越来越广泛，从设计、建设到运维均在使用，为了让工程数据在工程的全生命周期内流转，数据的传递与共享是一定会涉及到的问题，本研究就初步探索了IFC标准在山区公路模型和监测中的数据共享应用.

通过对IFC标准的架构进行分析，剖析了IFC标准的4层架构及每层架构的作用与意义，根据其特点提出了扩展的思路与方法.根据我国公路路线设计的特点，分析了现行IFC标准对路线中心线的描述与定义，发现其不足并提出扩展思路.掌握公路沿线的不良地质稳定性，最有效的方式就是对已有的不良地质工点安装相关监测传感器，动态监测其稳定性状态，并进行监测预警预报.基于IFC标准的监测数据传递与共享，分析了IFC标准的现状与不足，发现现有的IFC标准的传感器是基于环境监测指定的，本研究推广到工程监测中，并提出了解决方法与IFC标准扩展的思路.针对公路路线及监测仪器的特点，在现有IFC标准的基础上，分析了标准的不足，提出了解决方案，扩展了公路路线及监测仪器的标准，完善了IFC标准的路线表达及仪器表达.解决了川九路的道路模型数据与监测仪器数据的传递与共享问题，为今后类似工程项目提供了解决方案，具有指导意义.

参考文献：

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［18］肖波，冉光炯，白皓，等.高速公路建设项目中的IFC创新应用探讨［J］.科学技术创新，2021，25（5）：13-15.

（实习编辑：罗 媛）

Abstract：With the development and application of BIM technology，more and more data will penetrate the whole life cycle of the project，and the transmission and sharing of information-based data is inevitable.It is an inevitable trend to choose a common data format.The study of the transmission of engineering data by IFC standards finds that the existing of IFC standards cannot meet the requirements and transmission of highway routes and monitoring instruments.On the basis of studying the four-layer structure and functions of the IFC standard，three expansion ideas are proposed based on newly added entities，on IfcProxy entities as well as on attributes，among which the most compatible，the most reliable and the easiest to operate is the expansion based on the attribute set.Through the expansion method based on the attribute set，the expression and transmission of the monitoring information from the route center line and the monitoring instruments are realized.The research results are applied in the slope monitoring pilot site of Chuanjiu Road，which helps realize the sharing and transmission of road data，monitoring instruments and monitoring data.

Key words：BIM technology;IFC;data sharing;highway projects;monitoring technology

基金项目：四川省交通运输厅科技项目（2018-B-05）；四川省交通勘察设计研究院有限公司科技项目（232021001）

作者简介：赵 飞（1983—），男，硕士，高级工程师，从事公路勘察设计及BIM技术研究.E-mail：zfclassic580@qq.com

通信作者：徐益飞（1987—），男，高级工程师，从事公路路基设计及BIM技术研究.E-mail：fei@bimscodi.cn