基于IFC标准的预制构件生产信息模型研究

高秋亚，高新闻



基于IFC标准的预制构件生产信息模型研究

高秋亚1,2，高新闻1,3

(1. 上海大学上海城建建筑产业化研究中心，上海 200072；2. 上海大学土木工程系，上海 200072；3. 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

在研究近几年迅速发展的BIM主流标准——IFC标准的基础上，根据预制构件的数据信息共享需求，对预制构件的生产信息组织与表达方式进行了研究。按照IFC标准，将预制构件在生产阶段的信息统一划分为产品信息、过程信息、资源信息、成本信息和场地信息，并建立了基于IFC标准的预制构件生产信息模型。最后，给出了应用预制构件生产信息模型的具体实例，研究结果表明，该生产信息模型能有效的提高数据信息的管理，提高协同工作效率。

IFC标准；预制构件；生产信息；信息模型

近几年来，基础设施规模不断扩大，公共基础设施预制构件产业应用而生，大量工程构件由现场转到工厂生产。尽管现在已经有大量先进的信息管理手段，但是由于设计方与生产方所用的软件之间数据格式异构，导致两者的数据需不断地重复输入，信息共享和协同工作变得难以高效进行。因此，对预制构件生产过程中，合理使用生产资源、科学进行场地布置、缩短工期、降低成本和提高质量已经成为了各参与方的共识。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)通过对工程数据的集成和数字化表达，可以很好地解决上述问题。IFC标准是目前应用最为广泛、最为成熟的BIM信息交换标准。其提供了一个不依赖于任何具体信息管理系统、适合于计算机处理的建筑数据表示和共享标准，使不同的应用软件可以通过标准的数据接口，进行数据交换和共享[1]。

与此同时，国内外已有学者对基于IFC标准的数据交换和信息共享进行了相关研究。满庆鹏和孙成双[1]基于IFC标准建立了建筑施工信息模型，对其中的过程信息模型、资源信息模型和成本信息模型进行了研究。周雅莉等[2]基于IFC标准建立了隧道工程建筑模型，并对投资、进度、安全等模型之间定义了模型视图，使其能够信息共享。林佳瑞和张建平[3]利用IFC标准实现了对不同参与方与应用之间绿色性能分析数据的交换与共享，提高了效率，降低了信息重复建模的成本。胡振中等[4]从技术层面和应用层面对当前国内外BIM运维方面进行研究，并对未来的发展提出了看法。KIM等[5]通过对已有的能量建模软件与基于BIM的能量建模软件进行对比，发现基于IFC映射的建筑能量分析模型可以有效的提高精度。YE等[6]考虑将耐久性因素整合到设计过程中，阐述了耐久性信息模型和IFC数据接口，并通过案例证明该设计能够改善AEC项目的生命周期，提升耐久性水平。FU等[7]利用IFC标准来研究计划、成本等方面信息的表示方式。从以上内容可以看出，虽然国内外学者对基于IFC标准的信息交换相关内容进行了研究，但是鲜有针对在生产管理上基于IFC标准的信息共享研究。

为此，本文通过对IFC标准的研究，结合最新版本IFC4标准[8]，建立了基于IFC标准的预制构件生产信息模型，旨在为构件在生产过程中提供有效的管理和信息共享手段。

1 信息模型的需求

1.1 IFC4标准

本文所用的IFC4标准是目前最为成熟的版本，如图1所示，由下至上分别为：资源层、核心层、共享层和领域层。其中，①资源层是IFC架构中的最底层，该层主要定义了工程项目的通用信息，不针对具体的行业本身，是无整体结构的分散信息，作为描述基础应用于整个信息模型；②核心层是IFC架构中的第二层，主要作用是将整个资源层中分散的基础信息组织起来，形成建筑工程信息的整体框架。然后用以描述现实世界中的实物以及抽象的流程；③共享层是IFC架构中的第三层，主要是定义了一些适用于建筑项目各领域的通用概念，以实现不同领域间的信息交换，同时细化系统的组成元素；④领域层是IFC架构中的最高层，主要是定义了一个建筑项目不同领域特有的概念和信息实体，而且还可以根据实际需要不断进行扩展。

4个层次中每个层次又包含若干个模块，每个模块又包含各种实体、定义类型、选择类型、枚举类型、规则、函数以及属性集，并且遵循一个原则：每个层次只能引用同层次和下层的信息资源，而不能引用上层资源。这样上层资源变动时，下层资源不会受影响，保证信息描述的稳定[9-11]。

1.2 生产信息模型

目前，随着BIM技术的发展，应用于生产管理的信息集成得到了提升，但是现阶段，IFC标准对于产品生产阶段的信息定义不充分，因此，本文提出基于IFC标准的预制构件生产信息模型，加强对生产过程中信息的统一、有效管理。

通过对目前流行的PC构件、箱梁、管片、U梁、节段梁等预制构件的生产过程分析，本文将这些预制构件进行了生产阶段信息的统一划分，主要分为5个主要部分：产品信息模型、过程信息模型、资源信息模型、成本信息模型和场地信息模型。

2 预制构件生产信息模型

2.1 整体框架

在预制构件生产过程中，不同的构件会有特定的生产过程，并对应于不同的生产场地，在这过程中，不同的生产场地用到的资源也不尽相同，因此，不同的产品在生产过程中会产生不同的成本。本文对于该过程，建立了预制构件生产信息模型，将其分为预制构件产品信息模型、过程信息模型、资源信息模型、成本信息模型和场地信息模型，具体模型关系如图2所示。例如，要想生产预制管片，需要分析设计院送来的图纸保证管片的产品信息。而针对上海的预制管片，每环管片又包含2个标准块，2个邻接块、1个拱底块和1个封顶块，因此有不同的生产过程。针对每块管片，需要场地来制作钢筋笼，需要材料堆放区、产品制作区、养护区等不同的场地。在此过程中，会用到不同的资源信息，因此也会涉及到不同的成本信息。

图1 IFC4的基本架构图

图2 预制构件生产信息模型

2.2 基于IFC标准的预制构件产品信息表达

预制构件生产的产品信息模型，主要是来源于设计阶段的信息，但需要将设计阶段的信息按照IFC标准转化为生产阶段的产品信息。对于预制构件生产的产品信息模型，最新IFC4标准中尚未提供具体的实体描述。为此，本文通过对IFC标准提供的增加实体定义来进行实体构建类型的拓展[12]，以此来建立产品的生产阶段信息。

按照IFC标准，本文用实体IfcProduct来表示产品信息，用ObjectPlacement记录产品的空间几何位置，用Representation对产品的几何形体进行描述。若是用实体IfcProxy扩展，由于其扩展的实例都属于IfcProxy类型，容易造成意义不明确，因此，本文选用基于实体定义的扩展机制扩充预制构件产品。例如，对预制管片进行表示，则可以将其定义为扩充实体IfcSegment，其是直接继承于实体IfcProduct。预制构件产品信息模型如图3所示。

图3 预制构件产品信息模型

2.3 基于IFC标准的预制构件过程信息表达

过程信息模型是指生产作业前后逻辑关系及组合信息的组织与表达，包括生产过程作业之间的顺序、并发、选择、循环等与时间相关信息。过程管理对于预制构件的生产是极其重要的，产品类型、成本控制、资源分配、场地选择等均与生产过程有关。

按照IFC标准，本文用实体IfcProcess及其继承实体和相关的关系实体来表示过程。通过实体IfcProcess与关系实体IfcRelSequence建立联系，表达不同生产任务间的顺序关系。用SequenceType表示序列类型，其属性类型是枚举类型，用TimeLag表示时间滞后，序列类型定义“时间滞后”应用于工序，将其作为时间比率或时间度量。本文用实体IfcProcess的派生实体IfcTask来表示具体的生产任务。在这里，IfcProcess是指某一相对独立的工作，而IfcTask是描述具体的生产过程。例如，实体IfcProcess表示某种预制构件的生产项目，而派生实体IfcTask则表示钢筋运输、钢筋绑扎制作、混凝土运输、混凝土浇筑、模板安装、预制构件养护等具体的生产过程。IfcTask实体的主要属性有WorkMethod、Status、IsMilestone、Priority、PredefinedType、TaskTime等，用于对任务的工作方法、状态、是否是里程碑、优先级、预定义类型及任务时间进行描述。用关系实体IfcRelAssigns ToControl建立与实体IfcTask的一对多关系，从而实现对项目的控制。用实体IfcControl的派生实体IfcWorkControl来对整个项目的生产进度进行描述，包括项目的工作进度和工作计划。过程信息模型如图4所示。

图4 过程信息模型

2.4 基于IFC标准的预制构件资源信息表达

资源信息模型是指整个生产过程中所需资源信息的组织与表达，包括人力资源、物料资源和设备资源等。IFC标准中定义的资源为“某一事物作为生产角色而加以利用”，而不仅仅局限于事物本身。如果只需要一些基本信息，那么实体IfcResource即可满足要求，若想要进更多信息，则可以通过实体IfcResource与其他实体进行关联。

按照IFC标准，本文用实体IfcResource及其派生实体IfcConstructionResource来描述资源信息。用实体IfcResource表示在生产过程中使用到的资源。而在IFC标准中，实体IfcConstructionResource是对资源的抽象定义，因此，本文用其派生实体：IfcLaborResource、IfcCrewResource、IfcSubConstract Resource、IfcConstructionMaterialResource、Ifc ConstructionProductResource、IfcConstruction EquipmentResource来分别表示劳动力资源、人员资源、分包商资源、材料资源、产品资源和设备资源。其中，劳动力资源可以指定不同的人员来组成劳动力；分包商资源实体用LongDescription对其相关工作进行描述，通过关系实体IfcRelAssignsTo Resource与实体IfcActor建立联系，从而实现对分包商人员的安排；用BaseQuantityConsumed和BaseQuantity Produced来表示材料的使用情况，通过关系实体IfcRelAssignsToResource与实体IfcActor和实体IfcProduct进行联系来表达对人员和产品的安排；用关系实体IfcRelAssignsTo Resource与实体IfcProduct建立联系，表示产品资源中全部或部分在生产过程中占用产品的性能。本文用BaseCosts表示基础成本，用以对单位基数、有效日期范围、分类等信息进行描述；用BaseQuantity表示基数，描述的是一个度量值，用来描述名字、名称标签、信息属性等信息；用Usage表示用法，描述与资源有关时间的信息。资源信息模型如图5所示。

图5 资源信息模型

2.5 基于IFC标准的预制构件成本信息表达

成本资源模型主要研究在整个生产过程中所产生成本信息的组织与表达，包括工程量信息、资源信息和价格信息等。在IFC标准中只能将可以具体数字化的成本进行表述，例如，材料采购费、人工费、运输费、材料损耗费等。

按照IFC标准，本文用实体IfcControl的派生实体IfcCostSchedule和实体IfcCostItem等对成本信息进行描述。通过关系实体IfcRelSchedules CostItems建立成本进度实体IfcCostSchedule与成本项目实体IfcCostItem一对多的关系，从而实现对整个成本的控制。用SubmittedOn表示成本进度的提交日期，用UpdateDate表示成本进度的更新日期，并定义两者的类型都是选择类型IfcdateDate。用Status表示成本进度的当前状态，用PLANNED、APPROVED、AGREED、ISSUED、STARTED，分别表示状态：计划、核准、商定、发布和启动。本文用PredefinedType表示成本进度的类型，定义其类型是枚举类型IfcCostSchedule TypeEnum。用实体IfcCostItem描述成本或财务价值信。由于一个成本项目可能包含其他成本项目，因此，本文用关系实体IfcRelNests进行实现。用PredefinedType表示成本项目的类型，依据IFC标准，定义该类型属性为枚举类型IfcCostItem TypeEnum，即可以指定成本项目的预定义类型，是一个基于属性设定的具体预定义类型。用CostQuantities表示同一类型项目的成本总和。用CostValues表示项目的成本值。用关系实体IfcAppliedValuedRelationship表述成本值之间的关联。成本信息模型如图6所示。

图6 成本信息模型

2.6 基于IFC标准的预制构件场地信息表达

场地信息模型主要是指在整个生产过程中所涉及的场地信息的组织与表达，包括材料的堆放区、构建的养护场地和生产作业场地等。在IFC标准中是用IfcSite来表示进行施工或者其他开发的土地或水源，并使用WGS84来确定场地的空间位置。

按照IFC标准，本文用实体IfcSpatialStructure Elements进行场地的表示。由于一个生产项目可能有多个场地，因此，本文用实体IfcSpatialStructure Elements的派生实体IfcSite表示不同的场地，将实体IfcSite分为COMPLEX、ELEMENT、PARTIAL，分别表示综合体、独立场地和单体。例如，对于一个正规的预制构件厂，场地可以分为材料堆放区、预制构件的养护场地、生产作业场地等，即同一个工厂内有不同场地的安排。用关系实体IfcRel Aggregates建立项目实体IfcProject与场地实体IfcSite之间的联系。用实体IfcSite的派生实体IfcLocalPlacement表示不同场地直接的联系。例如，在同一个场地内，不同预制构件的摆放位置按照一定的规则有所不同。本文用关系实体IfcRel ContainedInSpatialStructure建立实体IfcSite与实体IfcGeographicElement之间的联系，并将实体IfcGeographicElement也与实体IfcLocalPlacement进行联系。用属性RefElevation表示以海平面为基准面的类型；用属性RefLongitude表示世界经纬度参考点，相对于世界大地测量系统WGS84的度、分、秒，对应的类型是IfcCompoundPlaneAngle Measure；用属性LandTitleNumber表示土地的编号；用属性SiteAddress与实体IfcBuilding建立联系，对应实体IfcPostalAddress。例如，不同隧道项目所需要的预制构件，可以通过确定的场址，然后在工厂内确定好预制构件的编号，从而按编号运送到项目的施工场地。场地信息模型如图7所示。

图7 场地信息模型

2.7 基于IFC标准的预制构件生产信息模型

本文按照IFC标准，将预制构件在生产阶段的信息整理成相应的信息模型，统一划分为预制构件产品信息模型、过程信息模型、资源信息模型、成本信息模型和场地信息模型。其中，用实体IfcProduct来表示预制构件信息，用实体IfcProcess来表示过程信息，用实体IfcResource来表示资源信息，用实体IfcControl的派生实体IfcCostSchedule和IfcCostItem来表示成本信息，用实体IfcSite来表示场地信息，并通过相应的关系实体将它们联系起来。

建立的预制构件生产信息模型如图8所示。本文用关系实体IfcRelToProcess来建立实体IfcProduct与实体IfcProcess之间的一对多的关联，以此来表示预制构件产品与生产任务之间的关系。用关系实体IfcRelAssignsToResource来将实体IfcProcess和实体IfcResource联系起来，从而表现生产过程与资源消耗之间的联系。利用关系实体IfcRelAggregates将实体IfcProcess，实体IfcResource与实体IfcSite之间建立联系，来表示生产过程，与相应场地信息和资源过程之间的联系。用关系实体IfcRelAggregate将实体IfcResource与实体IfcControl建立联系，以此来表示资源信息与成本信息之间的关系。最后，用关系实体IfcRelAssignsToControl将实体IfcProduct与实体IfcControl联系起来，表示不同的预制构件产品在生产过程中所需要产生的成本信息。另外，在成本信息模型中，本文用关系实体IfcRelSchedules CostItems建立实体IfcCostItem与实体IfcCost Schedule之间的联系，以此来反映整个生产过程中成本与项目之间的关系。在过程信息模型中，本文用关系实体IfcRelAssignsToControl建立实体IfcTask与实体IfcWorkControl之间的关系，表示某一个生产过程，可以安排不同的生产任务，而不同的生产任务可以相应的进行生产进度的控制，以此来完成对整个生产过程的控制。

图8 基于IFC标准的预制构件生产信息模型

3 实例分析

结合“上海城市轨道交通预制构件全生命周期信息管理系统”中“制造阶段”模块，选取以上海某有限公司构件分公司生产的ZZ3管片为例进行信息模型的介绍，如图9所示。

在预制构件厂生产预制管片的步骤如下：

步骤1.由系统确定生产该类型管片的信息，根据设计的图纸信息建立管片产品信息。并按照IFC标准，将产品的设计信息转化为生产信息。

由于预制管片在IFC标准中尚未进行定义，且通过IFC标准中实体IfcProxy来扩展的实体实例容易造成意义混乱，因此，本文选用基于增加实体定义的扩展机制扩充管片实体。扩展内容见表1，表内黑体加粗部分为所取的值。

步骤2.根据规范，将预制管片产品信息按生产过程，形成过程信息。

根据属性数据类型可知此管片类型为深埋，生产厂家为上海某工程有限公司构件分公司，编号类型为ZZ3。通过国标《预制混凝土衬砌管片》及地方各部门《隧道管片生产管理办法》等将预制管片生产进行细划。管片的生产过程可分为拆模起吊、模具清理、涂脱模剂、钢筋笼安放、模具组装、保护层定位、预埋件安装、检查、混凝土浇筑、抹面、蒸汽养护、拆模起吊、管片编号、管片检查、水养、管片出水养池、管片检查、存放。根据不同的过程建立相应生产任务，本文用IfcTask实体表示，并通过关系实体IfcRelAssignsToProcess与产品实体IfcSegment建立联系。

图9 上海城市轨道交通预制构件全生命周期信息管理系统

表1 预制管片实体定义

步骤3. 按照生产过程确定不同的场地，从而形成场地信息。

生产过程包含很多的生产任务，为提高效率，需要对生产过程提供不同的生产场地。在预制管片生产厂主要有4个区域：混凝土拌合区、管片生产厂房区、管片堆放区、附属配套设施区。其中，①混凝土拌合区包括混凝土拌合站、室内料仓、室外料仓；②管片生产厂房区是整个生产过程中的重点区域，主要包括管片生产区、钢筋加工及堆放区、管片钢筋笼存放区、管片养护区；③管片堆放区包括管片存放区和试验检测区；④附属配套设施区包括办公区、试验室、材料仓库、厂区锅炉房、称量系统等。本文用实体IfcSite来表示不同的生产任务的生产场地，并用关系实体IfcRelAggregates与生产任务IfcTask建立联系。

步骤4. 根据不同的过程和场地，确认在生产过程中会用到的不同资源，建立资源信息。

不同的生产任务在不同的场地会用到不同的资源，例如，在钢筋加工区，需要对钢筋进行处理：钢筋检查、钢筋切断、制作所需钢筋、制成完整钢筋笼。这里会用到不同的钢筋种类，C10、C12、C16、C20、C25、C28等。本文用关系实体IfcRel AssignsToResource建立实体IfcTask与资源实体IfcResource之间的关系，并通过关系实体IfcRelAggregates建立场地实体IfcSite与资源实体IfcResource之间的关系。

步骤5. 依据定额将过程和资源结合起来，生成成本信息，并将其与预制管片产品信息建立关联。

本文根据不同的生产任务与所用到的资源，依据定额来确定成本，见表2。根据在该过程中人、材、机的用量建立资源消耗列表，见表3。

其中，按照IFC标准，本文用实体IfcCostItem来表示成本，用关系实体IfcRelAssignsToControl与实体IfcSegmrnt、实体IfcTask和实体IfcResource之间的联系。而成本项目之间的逻辑关系，本文则通过关系实体IfcRelNests进行表达，并通过关系实体IfcRelScheduleCostItems建立于实体IfcCostSchedule的关系。

表2 预制管片生产成本项目表

表3 资源消耗列表

具体的信息需求模型与预制构件的生产信息模型对照图，如图10所示。

4 结论与展望

本文针对IFC标准在预制构件生产过程中的匮乏，在研究IFC标准的基础上，建立了基于IFC标准的预制构件生产信息模型。结论如下：

(1) 所建立的预制构件生产信息模型包含5个部分，即预制构件产品信息模型、生产过程信息模型、资源信息模型、成本信息模型和场地信息模型。

(2) 本文是依据IFC标准建立的预制构件生产信息模型，对产品信息、生产过程、资源、成本及场地等信息之间建立了关联，可以不依赖于任何平台与设备，可充分的实现信息的交流和转换，提高协同工作的效率。

图10 信息需求模型与预制构件的生产信息模型对照图

(3) 本研究将实际生产过程与预制构件的生产模型相结合，给出了应用预制构件生产信息模型的具体实例，结果表明，该生产信息模型能有效的提高数据信息的管理，提高生产效率。

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Research on Production Information Model of Prefabricated Components Based on IFC Standard

GAO Qiuya1,2, GAO Xinwen1,3

(1. SHU-SUCG Research Center for Building Industrialization, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China;3. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

This paper is based on the research of BIM mainstream standard IFC (industrial foundation classes), which has been developing rapidly in recent years. According to the data sharing requirement of prefabricated components, the production information organization and expression mode of prefabricated components are studied. In accordance with the IFC standard, this paper divides the information of the prefabricated components in the production stage into product information, process information, resource information, cost information and site information, and establishes the information model of prefabricated components based on IFC standard. Finally, this paper gives a concrete example of applying the information model of prefabricated components. The result shows that the information model can effectively improve the management of data information and the cooperative production efficiency.

industrial foundation classes standard; prefabricated components; production information; information model

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030538

A

2095-302X(2018)03-0538-09

2017-11-01；

2017-12-10

上海市科委项目(14DZ0510500)

高秋亚(1993-)，女，浙江海曙人，硕士研究生。主要研究方向为建筑信息化。E-mail：1019963618@qq.com