基于IFC标准的基坑工程围护结构信息模型建模方法研究

钟 宇， 陈 健， 丁烈云， 陈国良

(1. 华中科技大学， 湖北 武汉 430074； 2. 武汉地铁集团有限公司， 湖北 武汉 430030； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

0 引言

基坑围护结构工程具有工程的隐蔽性、地质条件的复杂多变性和岩土体性质把握的不准确性等特点[1]，在对各种数据和信息进行综合快速处理的同时，还需要时刻保持与其他参建单位的良好沟通[2]，保证数据的准确性和信息更新的及时性。随着岩土工程信息化[3- 4]和计算机技术的发展，研究人员开发了许多二维数据处理软件和三维建模与可视化系统[5-7]，但这些软件系统大多针对某个专业领域，主要实现几何可视化的功能，在实际工程应用时，往往呈现出信息管理和利用效率低、信息共享手段片面、信息跨专业交流不畅等特点，已不能满足基坑工程施工的需要[8]。

近年来在建筑行业发展迅猛的建筑信息模型BIM(building information modeling)[9]是一种创新的理念与方法，通过一个共同的数据标准(IFC，industry foundation classes)，集成整合工程项目各类信息，构建智能化的建筑信息模型[10-12]，应用于建设工程全生命周期的各个阶段，有效实现不同专业和不同工种之间的协同作业[13]，提高建设质量和效率。BIM理念与技术自提出以来已席卷欧美国家的工程建设行业，引发了建筑行业史无前例的变革，也已成为全球工程建设行业日益关注的焦点，其成功经验带给我们启示，将BIM理念与技术引入到基坑工程、岩土工程建设有助于解决当前岩土工程信息建设与管理中遇到的难题。

查阅大量的文献资料可以发现，目前国内外学者针对IFC标准和BIM技术的应用研究对象大多集中于建筑工程领域[14-15]，在为数不多的地下工程应用研究中[16-17]，缺乏基于IFC标准的基坑工程数据模型及其建模方法研究。为弥补IFC标准和BIM技术在基坑工程信息模型应用中的不足，本文在现有IFC数据标准的基础上，选取基坑围护结构作为研究对象，针对其各类构件的特点，创建IFC描述实体、属性集和实体间关系，建立基于IFC数据格式的基坑围护结构数据体系，作为基坑工程IFC数据描述标准的重要组成部分。同时，研究形成基于BIM技术的基坑围护结构模型建模流程和方法。最后，通过在某地铁车站基坑工程中的应用验证本文方法的可行性。

1 建模框架

基坑围护结构信息模型建模框架如图1所示。整个模型框架主要分为以下2部分： 1)借鉴建筑工程领域的实体描述方法，在现有IFC标准的基础上，根据IFC标准扩展机制，建立基坑围护结构各类构件的信息描述，扩展现有IFC标准，形成基坑围护结构信息管理的基础数据体系，建立基坑工程信息在各阶段交换与流动的基础数据标准； 2)根据IFC标准扩展的基坑围护结构数据模型，采用面向对象的参数化建模方法[18]，构建参数化的基坑围护结构构件模型和整体模型，形成基于BIM技术的基坑围护结构模型建模流程和方法。

2 基于IFC的基坑围护结构数据体系

2.1 基坑围护结构数据体系扩展

为实现上述建模框架的第1部分，本文将主要研究基坑围护结构中排桩体系的主要组成构件，为其设计和创建新的IFC描述实体。这样可以避免构建的基坑围护结构信息模型存在冗余或超出范围的类，甚至形成过于庞大、现阶段难以控制和实施的模型。

对于围护桩+内支撑的结构体系来说，主要组成部分有钻孔灌注桩、冠梁、混凝土支撑、钢支撑、钢围檩、锚杆(索)等。基于IFC标准，进行基坑围护结构数据描述相关的扩展，设计了包括基坑围护结构物理、空间信息、相应的属性集合及其之间的关系，如图2所示。扩展的部分使用默认的IFC框架机制，最大限度地保证模型的兼容性与一致性。

图1 基坑围护结构信息模型框架

Fig. 1 Framework of information model of retaining structure of foundation pit

2.2 基于IFC的基坑围护结构空间结构表达

IfcSpatialStructureElement是IFC中所有空间结构的超类，将项目模型根据空间布置分解为各个易于操作的子集合。尽管IFC标准中已有IfcBuilding、IfcBuildingStorey、IfcSite和IfcSpace等空间描述类，但均针对建筑工程而设，因此本文添加IfcPit和IfcPitStorey类，用以专门描述基坑围护结构。

IfcPit类用于提供基坑围护结构本身的特征数据，包括位置、空间几何形状、深度等信息。基坑围护结构体系类型、基坑相对标高等基本特征则通过PitType、ElevationOfPit属性表达。其中PitType的类型为IfcPitTypeEnum，其定义如下： TYPE IfcPitTypeEnum=ENUMERATION OF (ROW_PILE，DIAPHRAGM_WALL，SHEET_PILE，SMW，USERDEFINED，NOTDEFINED)； END_TYPE。

IfcPitStorey是对应基坑每一个分层对应的空间部分，描述了基坑围护结构根据各层支撑所在位置而划分的各层空间的位置、空间几何等信息。

基坑围护空间结构元素之间的层次关系通过关系实体IfcRelAggregates联系起来。IfcProject、IfcSite、IfcPit和IfcPitStorey等实体的实例通过IfcRelAggregates关联到同一个层次结构中。基坑围护空间结构的横向和纵向层次关系如图3所示，场地(IfcSite)位于项目(IfcProject)的全局坐标系下，基坑(IfcPit)工程位于场地内，基坑围护结构分层类(IfcPitStorey)可能作为复合体包含多个相邻的分层空间，形成复合类型(complex type)，也可能只包含单个基坑围护结构分层空间，形成单个元素类型(element type)。

图2 基坑围护结构IFC模型

图3 基坑围护结构空间结构的层次关系

Fig. 3 Hierarchical relationships of spatial structure of retaining structure of foundation pit

2.3 基于IFC的基坑围护结构物理结构表达

IfcElement是IFC标准中表示物理结构元素的超类，基坑围护结构物理元素集中在IfcElement的子类IfcCivilElement下。IfcPitElement是所有基坑围护结构的抽象超类，主要包含围护桩(IfcPitPile)、冠梁(IfcPitBeam)、混凝土支撑(IfcConcreteSupport)、钢支撑(IfcSteelSupport)、围檁(IfcPitPurlin)、围护墙(IfcPitWall)、锚杆(IfcRockBolt)、锚索(IfcPitAnchor)等构成基坑围护结构主要组件的物理元素。其他物理元素(如降水井、围檁支架等)并不是能够表征基坑围护结构特征的构件，使用已有的IFC实体表达即可。

在IFC标准中，实体除了本身拥有部分静态属性外，对不同工程的具体要求可以通过动态可扩展属性及其集合IfcPropertySet来补充和完善。属性集合通过关系实体IfcRelDefinedByProperties与主体实体关联起来。扩展的基坑围护结构主要组成部分的IFC表达方式如表1所示，其中，围护桩的属性集合Pset_PitPile如表2所示，钢支撑是由多个部分组合形成的构件，表1中钢支撑的截面和形状是指钢支撑中间节，钢支撑的两端未包含在内。限于篇幅，扩展的其他IFC实体的属性集合未全部列出。

关系实体IfcRelContainedInSpatialStructure用于将物理结构元素与所属的空间结构元素之间建立联系，一个物理元素只能被包含于一个空间元素中。此外，物理元素的位置属性IfcLocalPlacement参照包含该物理元素的空间元素的位置属性，而空间元素的位置属性总是参照其上层空间元素的位置属性，直到拥有全局绝对坐标的空间结构元素为止。通过这种层层坐标转换，使得物理元素的位置属性表达更加简明和精细。

表1 主要基坑围护结构的IFC表达

表2 基坑围护桩的属性集合

由上述讨论可知，通过扩展的IFC标准，创建了基坑围护结构构件的数据表达，建立了基坑围护结构信息模型的基础数据体系，为构建基坑围护结构三维模型提供了统一的数据组织结构和数据模型基础。

3 基坑围护结构信息模型建模

按照建模框架的第2部分，根据上述扩展的基坑围护结构IFC标准中有关各空间、物理结构元素的定义，构建基坑围护结构三维模型，利用构件的几何外形、位置属性等信息创建对应的IFC实体，形成能够准确描述和展现构件信息的基坑围护结构信息模型。

通过对扩展的IFC标准编译，得到描述每类构件所需的参数，一般是标识号、名称、描述、几何外形表达、类别、所关联的空间(物理)结构和属性集合等。在创建各构件模型的时候，利用建模软件API读取并输出这些参数，调用IFC解析和输出模块创建相应构件实例的IFC类并赋予(关联)这些参数。这样，基坑围护结构三维模型所输出的IFC信息模型中各构件就可以按照本文所扩展的数据标准来组织，从而实现基于IFC的信息共享。下面将对各类构件的参数化建模方法进行详细介绍。

基坑围护结构类型较多，针对不同类别的围护结构构件需要采用不同的建模方法。为减少建模工作量，缩短建模周期，本文提出构建“基坑围护结构模型库”的方法，即： 采用参数化建模技术，为基坑围护结构体系的不同构件分门别类地建立BIM模板库，形成通用的基坑围护结构模型库。主要建模流程如下。

1)基础数据整理。整理和读取基坑围护结构基本信息、设计资料及其他文档，从中获取有助于确定构件三维模型表达的重点信息。

2)分析构件属性参数。描述构件属性的参数一般有2种类型： ①确定性的，较为统一、使用率较高的参数，如混凝土支撑的截面尺寸，一般只有2～3种变化情况； ②无确定性的，变化过多且无规律，无法利用参数化统一表达的参数，需要在模型使用时由建模人员根据实际情况确定，例如混凝土支撑的长度，每根支撑可能都不一样。对于复杂构件可以将其分成若干子构件，分别建立子模型并有机地组装起来，建立嵌套模型。

3)生成参数化模型。参数设计完成后，模型的框架基本确定，生成参数化模型的步骤如图4所示。

图4 构件建模步骤图

4)建立基础基坑围护结构模型。在这个过程中，扩展的IFC标准中各类描述基坑空间、物理结构的实体所需要的几何信息被完整地记录并输出，为创建对应的IFC模型文件提供数据支持。所需要的各个构件模型被加载到项目文件中，模型组装的步骤如图5所示。

图5 构件组装步骤图

4 工程实例

如上所述，本文提出和形成了扩展IFC标准的基坑围护结构信息基础数据模型与基于BIM技术的基坑围护结构建模方法，为验证该数据模型与建模方法的有效性和可行性，在visual studio 2010平台下，利用Autodesk Revit软件，进行二次开发，实现基于IFC标准和BIM技术的基坑围护结构建模模块。其基本逻辑结构与图1中构建模型建模程序的思路保持一致。考虑到建模的效率和方便性，参考IFC标准模型的逻辑结构，建立本文程序的组织结构，如图6所示。

模块主要包括构件建模参数管理、结构构件建模、属性定义3部分和IFC实体读写子模块，如图7—9所示。其中： 建模参数管理部分主要是将输入的构件参数根据IFC数据模型的要求建立专门的数据管理类，以方便调用； 结构构件建模部分中所有的构件类(围护桩、支撑、冠梁等)均派生于基坑构件类(PitElement)，且均包含调用相应的数据管理类，创建构件模型的方法函数，通过构件关联类(RelConnectsElement)建立构件之间的关系； 属性定义类通过属性定义关联类(RelDefinesByProperties)，实现基坑构件动态属性的定义。IFC实体读写子模块主要是根据描述各构件的IFC实体所需的参数，将各构件类转换为对应的IFC实体，形成IFC文件，或者读取IFC文件并解析获得构件建模所需的参数，形成构件模型。

图6 基于IFC的基坑围护结构建模逻辑结构图

(a)结构信息定义窗口(b)属性集合定义窗口

图7 基坑围护结构建模属性定义窗口

图8 IFC文件读取与输出窗口

Fig. 8 Input and output windows of IFC files

图9 构件信息查询及构件库调用

以某市轨道交通1号线车站基坑工程为具体工程实例，对上述方法和插件程序进行验证。车站总长182.712 m，基坑围护结构埋深16.5～18.8 m，基坑宽20.9～25.6 m。采用钻孔桩加内支撑围护形式，钻孔桩直径1 000 mm、间距1 200 mm。支撑体系第1道横撑采用截面为700 mm×1 000 mm的钢筋混凝土支撑，水平间距为6 m； 第2及第3道横撑采用φ609 mm钢管撑、壁厚16 mm，水平间距为3 m。端头井设置混凝土斜撑和钢管斜撑，内支撑与围护桩之间设置双I45组合型钢的围檩，围檩由角钢支架托住。

在Revit建模软件中，加载上述插件，输入相关建模信息建立该车站的钻孔桩、混凝土支撑、钢支撑、冠梁、围檩等主要围护结构和钢围檩支架、钢支撑斜撑转角、混凝土斜撑转角等附属配件的三维模型。各主要构件模型设计参数如表3和表4所示，构件参数属性设置遵循的一般原则是： 1)从几何外形、物理属性等方面描述该构件所需的最基本、通用的信息； 2)与构件相关的基本施工信息。通过以上2方面的属性设置，能够满足该构件在施工周期的信息的流动需要。此外，基于IFC标准的构件模型可以根据需要动态添加所需的构件属性，为该构件在不同软件之间的信息流动创造良好的基础，信息完整度符合使用要求。以此建立的钻孔灌注桩模型参数如图10所示。围护桩、冠梁、混凝土支撑、钢支撑、围檁的模型如图11所示，整体模型如图12所示，围护结构现场实际施工情况与模型对比如图13所示。

表3 主要构件特有参数设计表

表4主要构件共有参数设计表

Table 4 Common parameters of main retaining structure components

名称 类型 形式结构材料确定值材质计划施工时间无确定值文本实际施工时间无确定值文本混凝土单价确定值货币混凝土用量确定值体积备注无确定值文本

(a)模型参数(b)三维模型

图10围护桩模型及参数

Fig. 10 Parameters and model of retaining pile

(a)冠梁(b)围护桩(c)钢支撑(d)混凝土支撑(e)围檁(f)围檁支架

图11主要基坑围护结构模型

Fig. 11 Models of main retaining structure components

图12 基坑围护结构三维BIM模型

Fig. 12 3D BIM model of retaining structure of foundation pit

5 结论与讨论

为提高基坑工程信息传递和共享水平，提升施工管理的质量与效率，本文借鉴BIM理念，在引进、消化和吸收BIM技术的基础上，结合基坑工程围护结构特点，开展了针对性的扩展开发研究。

(a) 现场实拍图

(b) 模型截图

Fig. 13 Comparison between actual structure and BIM model of retaining structure of foundation pit

1)基于IFC数据标准，从基坑围护结构的空间结构、物理结构及两者之间的关系等方面出发，创建各类构件的IFC描述实体、属性集和实体间关系，对现有IFC标准进行了针对基坑围护结构的扩展，实现基坑围护结构模型的IFC表达，形成基坑围护结构信息流动的基础数据体系，扩展了IFC标准的数据描述领域。

2)基于基坑围护结构信息模型的IFC扩展表达，提出构建“基坑围护结构模型库”的思路，从参数设计、单个构件建模和模型组装等方面进行细致研究，形成基于BIM技术的基坑围护结构模型建模流程和方法。

3)采用Autodesk Revit软件，进行二次开发，实现基于BIM技术的基坑围护结构建模插件，并应用于某市地铁车站基坑工程中，验证了本文所提方法的有效性和实用性。本文提出的基于BIM技术的基坑围护结构建模方法，可为构建集三维地质、基坑工程结构、隧道工程结构、地面建筑结构于一体的岩土工程信息模型提供有益参考与技术支撑，有助于实现岩土工程数字化、信息化。

4)目前在地铁工程建设过程中，基坑工程常用的围护型式有地下连续墙、钢板桩、排桩、土钉墙、SWM工法等，本文仅选取排桩支护体系作为研究对象，未涉及其他围护型式。在基坑工程基础数据体系中补充这些围护结构型式对应的描述实体，并建立标准化的建模流程和方法，是后续研究的重点。

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