IFC标准下隧道智能管理系统建立与应用

2021-04-12姜谙男赵龙国申发义

公路工程 2021年1期

郑帅，姜谙男，赵龙国，张勇，申发义，苗伟

(1.大连海事大学交通运输工程学院道桥所, 辽宁大连 116026; 2.吉林省高速公路集团有限公司，吉林长春 130000)

0 引言

建筑信息模型(Building Information Model， BIM)将传统的二维图纸转换为三维交互模式，实现了工程设施(建设项目)物理信息的三维数字化直观表达。更加重要的是，BIM在几何模型的基础上承载了设计、施工、监测、运维等多方建筑相关信息，这些信息不是单纯的罗列于模型后台数据库中，而是依据相应标准存储于各个模型构件内，大幅提高了信息管理与交互效率。

当前BIM主流建模平台(例如Revit)与相应数据标准(例如IFC)偏重于对房屋建筑领域的表达，在隧道、基坑等岩土工程领域的应用方法还不完善[1]。针对这个问题，已有学者进行了相关探索。BIM模型与监测数据集成和管理方面，王超[2]提出了基于IFC标准的结构健康监测信息的集成和表达方法，并对Revit平台进行二次开发，实现了结构健康监测信息的集成和可视化管理。SMARSLY[3]等通过扩展IFC标准实现了对语义模型的描述和表达。LIU[4]等对IFC、SensorML等标准进行了研究，分析了上述标准对传感器信息的支持程度，最终分别实现了SensorML对传感器类型信息的描述和IFC标准对传感器实体信息的描述。此外，RIAZ[5]等完成了现场环境监测数据与BIM系统的集成，对施工环境的安全性进行分析及预警。ATTAR[6]等通过对办公楼房间内照度、温度、湿度等数据进行采集并集成到BIM系统中，实现了对上述数据的可视化的查询进而分析了建筑的性能。结构模型的力学计算和分析方面，邓雪原[7]等通过提取 IFC 标准模型中的信息，对BIM模型与结构模型的转换进行探索，并生成了能够被ETABS 和 SAP2000所识别的结构模型。李艳妮[8]等完成则是从数据接口开发的角度实现了Revit软件与 SAP2000 软件模型数据转换。张剑涛[9]等探讨了 IFC 文件与PKPM软件之间的转换。宋杰[10]、方海龙[11]等采用 Revit API 对Revit进行二次开发，编写了模型信息提取及APDL命令流转化插件，实现 Revit 和 ANSYS 之间的转换。

当前，BIM的信息集成功能日趋完善，但是尚缺乏对这些集成信息有效处理与应用。对于隧道工程而言，施工过程中逐步揭露的岩体信息是反映岩体性质的最直观判据，通过对这些信息的处理进行动态的施工调整是新奥法隧道施工所重点强调的内容之一。因此，本文首先对IFC标准进行隧道领域拓展，形成了隧道信息的IFC存储规范；然后，开发相应计算功能模块，对工程信息进行处理，最终建立了隧道智能管理系统平台。

1 工程概况

甄峰岭隧道属于吉林省龙蒲高速公路段，是一条连接西城镇与松江镇的山岭隧道工程。施工区域为长白山系北侧支脉，隧道区地面高程918.50～1345.50m，最大相对高差427m左右。隧道采用分离式断面布置形式，包含左右两幅，左幅长5497m，右幅长5561m，为特长隧道。隧道整体采用暗挖形式，实际施工状态如图1所示。

图1 隧道施工实况

甄峰岭隧道地质条件复杂，工程量大且工法转换频繁。施工过程中设计大量的数据存储、交互与读取过程，以其为背景，探索建立BIM智能管理系统。

2 基础模型建立

2.1 族库模型构件

隧道结构外形特征及内部构造复杂，隧道模型创建对于以现代建筑建模见长的BIM建模软件Revit来说是一个挑战。Revit虽然在项目中提供墙、梁、窗以及楼板等构件样板，显然这些构件在隧道建模中无法进行使用，在此尝试通过Revit提供的参数化族建模方式创建隧道构件族库，然后通过在项目中进行装配的形式建立工程模型。

在Revit软件中，依次进行族样版选择、参照平面选取与几何模型绘制、专业属性参数添加、模型检查与验证。各步骤均为Revit自带功能，在此不再赘述详细操作过程，最终隧道参数化构建族模型如图2所示。

(a) 衬砌族构件

2.2 族库拼装与特殊模型

Revit系统中提供了模型坐标系、视图坐标系、族坐标系和链接模型坐标系等多种形式下的坐标定位。本文在族坐标系下完成了族库中隧道构件族模型的创建，而建立隧道项目即完成族构件的组合时，为统一各个族构件的相对位置，则采用了模型坐标进行模型定位。

在此通过将隧道各族构件载入到项目并按照隧道中心线坐标进行定位，同时对部件的尺寸参数进行修改，依次完成隧道衬砌、临时支撑结构、锚杆等构件的拼装。拼装形成的隧道局部渲染效果与隧道弯曲段段BIM模型如图3、图4所示。

图3 隧道局部组合渲染模型

图4 隧道弯曲段模型

限于隧道工程的特殊性，对于不同的地质条件需采用相应的开挖工法，因此需建立隧道开挖工法BIM模型库以满足不同情况下隧道开挖形式的BIM展示需求。仍采用前述方法，分别对台阶法、预留核心土法、中隔壁法，单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等5种开挖工法模型进行模型建立，建立结果如图5所示。

图5 隧道开挖工法BIM模型库

3 IFC标准拓展与解析

工业基础类(Industry Foundation Class，IFC)标准是BIM软件之间信息交互的通用规范。在现阶段，虽然IFC标准中已经定义了许多较为详细的实体及类型用于描述BIM模型对象空间和物理信息，但这些实体并没有考虑到隧道结构的特征，无法用于直接描述隧道结构。

隧道工程区别于一般工程的特点是构件类型以及几何外观，在IFC标准中几何外观属性是由资源层所定义的特定类型实体进行描述。实际需求调研表明，IFC标准的资源层、核心层、共享层所包含的对象类能够满足基础调用需求，因此对IFC标准领域层实体进行扩展。

3.1 实体拓展

自定义新的IFC实体，首先需基于IFC标准进行隧道空间结构及物理元素的表达，明确新增实体类的名称以及其在IFC模型框架中的继承关系。并利用EXPRESS语言完成隧道新增实体及其对应类型枚举的定义，然后在官方提供的标准EXPRESS文件(即IFC标准内容文件)基础上将自定义隧道实体以及类型加入到它的父级对象下，同时需要加入类型枚举、约束等其自身的属性。分别从空间结构与实体元素表达两个方面介绍拓展方式。

a. IFC标准对建筑领域的空间结构的描述是通过将空间结构的超类Ifc Spatial Structure Element派生为IfcBuilding(建筑)、Ifc Building Storey(楼层)、IfcSite(场地)和Ifc Space(空间)等空间描述子类的方式，根据空间布置将项目整体模型分解为各个子集合。通过对现有IFC标准对房建工程项目的空间结构描述方式进行借鉴，本文在现有空间结构的超类所派生的子类基础上添加表示隧道整体空间的实体Ifc Tunnel和表示隧道分部空间的实体Ifc Tunnel Part，用以专门进行隧道空间结构描述及表达。

五要加强水土流失综合治理，保护和改善农村生态环境。继续推进长江上中游、黄河上中游、东北黑土区、西南石漠化地区等重点区域水土流失综合治理，进一步加大革命老区水土流失治理力度。突出加强以小流域为单元的坡耕地水土流失综合治理，力争到2020年建成1亿亩标准化、规模化、设施配套化的旱涝保收基本农田和高标准梯田。依法强化预防保护和监督检查，有效防止人为水土流失，实施清洁小流域工程，开展农村水环境综合整治，改善农村人居环境。

b. 隧道物理元素表达可参考建筑结构物理元素的实体描述方式，其定义隧道结构实体类同样需要包含通用元素、外形表达等信息，故可首先添加土木领域结构抽象超类Ifc Civil Element，并将其与建筑领域结构元素抽象超类Ifc Building Element放置于IFC框架机制的相同位置层次，使其同样继承于IFC标准中表示物理结构元素的超类Ifc Element，然后在Ifc Civil Element下添加Ifc Tunnel Element，用于作为所有隧道结构元素的抽象超类从而派生围岩(Ifc Tunnel Surounding Rock)、锚杆(Ifc System Anchor Bolt)、钢拱架(Ifc System Steel Frame)等构成隧道结构的主要组件进行隧道结构元素的描述。

参照上述过程，将第2节中所建立的模型生成为IFC文件，并采用C#语言开发了检索程序，进行隧道领域相应实体的明确定义写入，如图6所示。其意义在于明确了各隧道组成结构的分类信息，便于BIM概念在隧道工程中的进一步推广应用。

图6 隧道IFC标准拓展写入

3.2 属性拓展

对于IFC中已拓展的隧道实体，参照实际工程需求对各实体进行属性拓展，具体属性集划分及具体属性定义可依据实际功能需求进行界定。遵循IFC基本格式规范，将相关属性名称及属性值以属性集的形式写入至拓展实体中，完成隧道领域IFC属性拓展目的，并开发图6所示相应C#检索程序实现自动化读写过程。

在实体拓展基础上进行属性拓展意义在于能够从根本上实现隧道领域具体信息的跨平台交流。拓展后的、以IFC文件为表述载体的隧道信息不仅能够在自主开发平台中进行调用展示，同时能够在Revit通用平台中进行读取，说明能够实现拓展信息的跨平台交互目的，完成了隧道领域信息的规范化无损交流。拓展结果在自主开发平台与Revit中的读取结果分别见图7、图8。

图7 自编译平台的效果展示

图8 Revit平台的拓展结果展示

4 隧道智能管理系统

我国隧道多采用新奥法进行施工，新奥法的核心思想是关注围岩特性，充分利用其自身稳定性进行针对性支护。施工过程中，及时获取围岩信息，并根据相关信息进行稳定性评价与支护方案优化等动态设计过程是新奥法施工的关键所在，当前隧道动态施工尚未形成有效的动态设计体系与相应的智能管理系统，为了实现这个目标，在前述IFC标准在隧道领域拓展基础上，开发隧道智能管理系统，初步建立了隧道工程的智能化管理系统，为隧道智能施工进行了有益的探索与尝试。

所建立的智能管理系统主要包括自动化监测数据处理、围岩分级与工法推荐、围岩参数反分析等核心功能，系统主界面如图9所示，各主要功能应用实例将一一介绍。

图9 隧道智能管理系统

4.1 自动化监测数据处理

通过前文已建立方法，对自动化监测终端进行BIM建模，并将相应信息写入至拓展的IFC标准中。自动化监测系统所采集数据通过GPRS上传至云端后存储于服务器中，通过IFC读写程序将服务器上的传感器测量数据同步到本地BIM模型，点击查询功能键，实现对IFC标准隧道信息集成模型相应传感器的监测数据进行查询分析、监控量测数据曲线查看以及监控量测数据预警，如图10、图11所示。

图10 自动化监测模块

图11 自动化监测数据查询与预警

4.2 分级预测与工法推荐

甄峰岭隧道地质复杂，变异性大且地层交错变化，因此在施工过程中进行及时有效的围岩等级评价是十分必要的。程序编写过程中，分别采用DE-ANN和BQ两种方法进行分级计算，综合非线性映射结果与经典公式计算结果对比验证共同确定岩体实际状态，计算界面见图12。

该围岩分级模块提供BIM分级参数查看以及BIM分级参数修改等围岩参数操作选项，用于将查询及修改隧道集成模型IFC文件中的围岩分级指标属性参数。点击“围岩级别预测按钮”，程序对当前界面所显示的BIM围岩分级指标参数进行分级计算，最终两种分级方式所得结果都将显示于操作界面，供用户对比分析以确保分级的准确性，与此同时，该动态围岩分级结果也及时写入至相应IFC文件。

图12 隧道围岩分级计算界面

动态围岩分级进入围岩分级信息可视化查询功能模块后，鼠标左键点选可视化隧道模型或IFC文件结构树形架构中的围岩或地质体模型，围岩分级信息解析显示窗口则实时更新相应围岩分级信息。分级结果的BIM展示如图13所示。

图13 分级结果BIM展示

根据分级结果，系统允许通过Navis Work时程控制的方式进行图5所示开挖工法库的开挖工法推荐，进行相应围岩级别下开挖工法的三维动态展示。

实际施工过程中，应用本程序计算得K94+276～ YK94+246区段为Ⅴ级围岩，此处原设计级别为Ⅳ级。因此对支护方案进行了加强变更，变更后结果如图14所示。按变更方案施工后，安全监测结果显示该区域为稳定状态，说明了程序应用的有效性。

图14 变更后施工情况

4.3 隧道锚固参数优化

该模块能够实现隧道反馈分析集成模型IFC物理文件中工程设计锚固参数的查询，并提供对相应断面的锚固参数优化功能，通过点击锚固参数优化按钮，系统调用后台基于粒子群算法的隧道围岩锚固参数优化程序，分别给出围岩变形最小、工程造价最低情况下的锚固支护方案，系统基于上述两种锚固参数方案给出较为合理支护参数优化结果，并在窗口右下角的支护参数优化结果显示栏内显示，见图15。