建设项目成本信息的IFC表达模型

刘 欣， 赵庆华

(1. 扬州大学 建筑科学与工程学院， 江苏 扬州 225127； 2. 东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 211189)

传统的计价计量方法，对于现有的成本管理模式已经难以满足其多元化、多样化、复杂化的要求。尽管出现了大量先进的信息管理手段，但由于各系统、各利益相关方、各阶段之间的数据格式异构，导致数据不断地重复输入、信息共享与重用受到阻碍，使得成本信息趋于静态，极易导致成本管理失控。因此，在建设项目施工过程中，如何科学合理的对资源、环境、物料配送等方面进行优化配置，缩短工期，降低成本投资，进一步提高工程质量已经成为各利益相关者共同关注的话题。

作为设施的物理和功能特征的数字表示，建筑信息模型(Building Information Model，BIM)包含丰富的产品信息，这些信息通常作为参数化建筑对象属性嵌入到BIM中，在项目不同利益相关者之间进行信息流转。此外，一些对建筑从业人员至关重要的信息，如建筑对象之间的拓扑关系，仍隐含在BIM设计模型中，但由于领域语义缺失使得工程信息提取仍面临挑战。虽然IFC(Industry Foundation Classes)标准对建筑数据实体之间语义数据关系进行了定义[1]，使得不同阶段建筑数据的生成与管理都可以连接到IFC数据实体中，并可以链接到外部异构数据中，例如施工活动材料规范或实际成本。因此，作为一种集成对象数据模型，IFC对全生命周期中建筑物元素可进行系统的、有效的语义管理。然而，虽然IFC文件可以在不同的BIM软件之间传递，但总存在一些数据不能交换，或者IFC本身存在所定义信息不全等问题。

针对IFC标准的数据交换与共享问题，国内外学者已经进行了许多相关研究。如Ramaji等[2]提出基于LOD(Level of Details)的使用开放信息建模标准的成本估算框架，从早期阶段实现基于BIM的成本估算。Kim等[3]通过对现有BIM设施管理研究发现运维阶段设施信息很难访问与使用，建立BIM与设施管理信息的语义关联可以有效提高信息使用效率。邱世超等[4]针对大坝施工提出5D进度成本信息模型，以期加强对大坝施工过程中进度、资源以及成本三者之间的控制。为促进不同专业与部门的信息共享与协作提供支持，满庆鹏等[5]建立了基于IFC的施工统一信息模型。赖华辉等[6]针对在建筑项目BIM应用数据交互效率低下问题，提出基于IFC标准的数据共享与交换方法，为解决数据交互问题提供解决途径。在预制构件数据需求分析的基础上，高秋亚等[7]提出基于IFC的预制构件信息模型，以提高数据信息管理与协同工作效率为目的。针对BIM软件在钢筋参数缺失问题，陈红伦等[8]研究基于IFC标准的钢筋模型几何表达方式解析及参数化自动生成算法，以便钢筋几何信息在IFC标准中正确表达。其中，马智亮等[9]提出利用现行成本预算标准以及IFC标准，提出包含7个方面信息的成本预算信息需求模型，但对于某些细节描述不够清晰。上述研究虽然在一定程度上弥补了IFC信息交换的缺失，但是针对基于IFC的建设项目成本信息的交互与共享研究较少。

本文在此基础上通过对IFC标准的研究，综合利用IFC框架、成本管理规范、信息编码体系等建立基于IFC的建设产品成本信息模型，旨在为建设项目施工过程提供有效的信息管理与共享方法。

1 信息需求

1.1 IFC标准

IFC是由国际协同联盟(International Alliance for Interoperability，IAI)提出的开放建筑产品数据表达和数据交换的国际标准，作为软件信息交换与共享的基础，是贯穿于整个建筑项目生命周期内产品数据交换的中性机制，对于建筑业各系统之间的数据交换与管理可提供有效支持。不同于传统的建筑信息表达模式，IFC中包含丰富完整的数据信息，例如产品、资源、场地、几何、空间位置等相关信息，可有效将二维模型转换为三维可视化信息模型。本研究采用IFC4 ADD2版本进行分析。

1.2 成本信息需求分析

目前随着BIM技术的发展，应用于成本管理的信息集成发展已经达到了一定阶段，但针对成本阶段的相关表述并不充分。在此基础上，本文提出建设项目的IFC成本信息表达模型，为完善成本管理过程中的有效信息管理提供支持。在建筑信息分析的基础上，本文将涉及的相关信息进行统一划分，包括产品、分部分项、成本项目、工程量、资源、价格以及进度等相关信息。其中，价格信息在表达过程中与成本项目信息在某种程度上存在一定重叠，因此将价格信息纳入到成本项目信息中，作为一个子模型进行分析。

2 成本信息表达和关系分析

2.1 整体框架

成本管理贯穿建设工程项目始终，最终以实现建筑工程预算为根本。基于IFC标准的成本信息模型研究需要将建设工程各个阶段的相关信息按照IFC框架体系转化为生产阶段的成本信息。针对施工过程的成本信息模型来说，由于成本管理过程中涉及模块较多，信息需求较大，因此本文提出的成本信息需求模型的主要模块包括建筑产品信息、分部分项信息、成本项目信息、工程量信息、资源信息、进度信息，上述各个模块之间相互关联，且具有不同的特性，进而建立成本信息需求模型，如图1所示。

图1 建筑成本信息需求模型

2.2 基于IFC标准的建筑产品信息表达

建筑业成本管理依托于各个子模块信息进行表达，参照GB 50500-2013《建设工程工程量清单计价规范》、《江苏省建筑与装饰工程计价定额》等将建筑产品信息定义为“建筑产品类(Construction Product)”“产品特征类(Product Feature)”“清单项目类(Cost Item)”，并分别根据属性特征进行分类。由于IFC标准中缺少针对产品信息的实体描述，本文拟通过增加IFC实体来实现类型的拓展，进而丰富建筑产品成本信息。

为了契合我国特色的成本管理以及IFC表达架构，按照IFC标准，实体IfcProduct用来表达产品信息，IfcObjectPlacement用来记录空间中产品的位置，IfcProductRepresentation用来表示产品的形体(特征)。通过IfcRelAssignsToProduct关系的引入，可以定义与产品有关的其他产品、过程、控制、资源或者参与方等信息。拓展信息则采用拓展实体IfcProxy进行描述，将缺少的信息包装成对象定义在其子类，但在这个定义过程中，容易造成信息层次不清、意义不明确等问题出现。因此，采用扩展机制对其进行建筑产品定义，其中扩展实体IfcProdcutSegment直接继承于实体IfcProduct。建筑产品信息模型如图2所示，其中IfcProduct派生出的构件实体IfcProdcutSegment和建筑产品特征IfcFeatureElement相关联，即利用产品的施工工艺特征、材料特征、几何特征等对建筑产品实体进行定义，并引用结合生成的个体信息描述清单项目的特征，例如带形基础特征描述中包含有建筑产品的材料特征自拌混凝土。另外，清单项目的编码需引用分部分项信息模块，用于项目编码的定义。

图2 建筑产品信息模型

2.3 基于IFC标准的分部分项信息表达

依照国标清单规范GB 50500-2013《工程量清单计价规范》中的建筑产品进行分类，可划分为单项工程(Monomial Project)、单位工程(Unit Project)、分部工程(Subsection Project)、分项工程(Subentry Project)四个层次表示语义属性，其关系如图3所示。从图中可以看出，GB 50500-2013具有较好的工程项目层次结构分类，其类别属性也较清晰。

图3 分部分项工程

IFC标准中的派生实体IfcElementType可对建筑产品从几何层面进行定义，同时IFC标准的属性定义不是单一概念，而是由多逻辑关系和直接关系所构成的属性集合，利用自定义属性集实体IfcPropertySet进行表达，对于单个未定义属性则采用抽象实体IfcProperty进行定义，该抽象实体可派生出单一属性实体IfcSingleProperty和复合属性实体IfcComplexProperty。但是该预定义较为简单，不能满足分部分项划分的复杂程度，需要根据分部分项信息特点对其进行扩展和补充。

本文引用IFC中实体IfcClassification进行拓展，该实体作为IfcExternalReferenceResource的子类，可提供从外部来源获取或使用信息的方法，因此该实体是具有共同目标或共同特征的对象作为一类或者类别，可以用来对以外部标准为参照时的分部分项信息进行表达，如图4所示。其中，Source用来表示该IfcClassification来源，Edition用来表示分类系统的版本，ClassificationForObjects表示应用于对象的分类；在定义模型对象属性时可通过IFC属性实体IfcRelationship的子类IfcRelAssociatesClassification建立模型与分类标准IfcClassificationReference之间的关联关系。

图4 分部分项信息模型

定义拓展实体IfcClassificationItem，用来表示分类系统中的类别(项)，不同的分类项之间的层次结构均定义在该类别下，通过对分类系统中类别层次信息的获取可将IfcClassificationItem进行逐层分解，其中Contains表示包含的分类项。当IfcRelAssociatesClassification属性为“Product”时表示建筑产品，其相关实例对几何数据进行定义。而拓展关系实体IfcClassificaitonItemRelationship则用来对拓展实体进行属性定义。

2.4 基于IFC标准的工程资源信息表达

在整个工程建设过程中，工程资源信息是对包括劳动力、物料、设备以及其他所需相关资源信息的组织与表达。IFC中将资源定义为“某一事物作为生产角色而加以利用”，不仅限于事物本身，也就是说IfcResource可以对基本信息进行表达，若要进行信息补充，则要通过该实体与其他实体进行关联表示实现。

本文在此基础上，通过对实体IfcResource及其派生实体IfcConstructionResource完成对资源信息的描述。其中IfcResource包含使用某种产品或物品所需的成本、进度和其他所需的信息，IfcConstructionResource则特指建筑工程中所使用的各种资源的抽象概括，包括建筑工程中的劳动力、材料、设备和产品资源，以及分包资源和人员资源的集合，也就是说IfcResource是对生产中所使用资源的表述，而IfcConstructionResource用于表示资源抽象定义。实体IfcRelAssignsToResource用来关联IfcResource与其它对象(如产品、流程、控件、资源或参与者)建立联系，IfcConstructionResource利用RelatedObjects引用项目中所使用的各种资源，从而实现对工程资源的分配。例如通过关系实体IfcRelAssignsToResource建立与实体IfcProduct和IfcActor联系，表示对人员和产品的安排。

研究利用IFC中的派生实体IfcLaborResource，IfcCrewResource，IfcConstructionProductResource，IfcConstructionMaterialResource，IfcConstruction EquipmentResource，IfcSubConstractResource分别表示劳动力、员工、产品、材料、设备、分包商。同时属性BaseCosts表示实体成本的单元基数、有效日期范围及分类；属性BaseQuantity表示抽象实体的复杂或简单基数IfcPhysicalQuantity，用来对数量进一步解释，如对名字、标签、信息属性等的描述；属性Usage捕获与建筑资源相关的时间信息。其中，劳动力资源(IfcLaborResource)是执行特定类型施工或管理工作的人员所组成的劳动力；工作人员资源IfcCrewResource则是根据需要分配给组成劳动力的相关人员；分包商资源IfcSubConstractResource即在施工过程中所需要的资源，包括特定任务的分包资源、参与者、投标成本表，以及项目执行情况(如变更等)，该实体利用LongDescription对资源进行描述(例如劳动力资源的技能集)；材料资源IfcConstructionMaterialResource是一个工程项目中所使用的材料资源类型，与实体IfcMaterial不同，该实体主要是表示物理材料，并在BaseQuantity的基础上定义对资源数量Resource Quantity进行定义，利用属性BaseQuantityConsumed和BaseQuantityProduced对材料消耗与产出情况进行表示，并通过关系实体IfcRelAssignsToResource建立IfcActor和IfcProduct的联系；产品资源IfcConstructionProductResource主要是辅助施工过程的产品，也就是施工过程中所产生的进一步使用的产品。例如，模板可以实例化为“构造模板”过程的产品，但模板在“混凝土浇筑”过程中要作为资源进行消耗；设备资源IfcConstructionEquipmentResource即辅助施工过程的设备资源。工程资源信息模型如图5所示。

图5 工程资源信息模型

2.5 基于IFC标准的工程量信息表达

工程量信息模型主要研究在整个施工过程中相关工程量信息的组织与表达，主要是通过提取IFC数据文件中的几何数据，利用工程量计算规则，完成工程量计算[10]。IFC标准中的工程量信息表达主要利用实体IfcPhysicalQuantity进行表示，该实体包括复杂IfcPhysicalComplexQuantity或简单IfcPhysicalSimpleQuantity的度量。其中，实体IfcPhysicalComplexQuantity是一组可以对元素进行定义的单一度量值，利用属性Discrimination进行物理复杂特性的鉴别，如区分“Layer(层)”和“Steel bar diameter(钢筋直径)”等；属性Quality是在复杂物理量情况下对于数量质量的附加表示；属性Usage则是在复杂物理量情况下对于数量使用类型的附加指示。实体IfcPhysicalSimpleQuantity则是对单个数量度量值定义，主要使用派生实体IfcQuantityLength(长度)、IfcQuantityArea(面积)、体积(IfcQuantityVolume)、IfcQuantityCount(数量)、IfcQuantityWeight(重量)、IfcQuantityTime(时间)进行度量，并根据对有效信息的提取可派生出数据清单，用于其特征属性的表达。基于IFC标准的工程量信息模型如图6所示。工程量信息主要针对建筑产品信息的调动，同时利用建筑产品构件间映射的属性关系来确定计算规则进而确定量的增加，通过对项目各构件工程量累计得出总工程量。

图6 工程量信息模型

2.6 基于IFC标准的工程成本项目信息表达

成本项目信息主要是对整个建设过程中所产生的相关成本信息的表达与组织，包括资源、工程量、价格、成本和进度等相关信息。涉及具体数字化的成本信息在IFC中可进行表述，如人工费、材料费、运输费等。按照IFC标准，利用实体IfcControl及其派生实体IfcCostSchedule，IfcCostItem等对成本信息进行描述，并利用关系实体IfcRelAssignsToControl建立成本项实体IfcCostItem与成本进度实体IfcCostSchedule一对多关系，进而实现对整个成本的控制。实体IfcCostItem描述成本或财务价值信息，用于表示商品和服务的成本、按流程工作的执行情况、全生命周期成本等。其中，利用关系实体IfcRelNests可以实现不同成本项目组成表示；利用CostQuantities表示同一类型项目的成本总和，CostVaule表示项目的成本值；利用Components或者ComponentOfTotal表示成本值之间的关联。实体IfcCostSchedule是为了确定纯粹的成本信息(如建筑成本估计)或某种形式(如工作订单)下的成本信息所汇聚的IfcCostItem实例。其中，利用SubmittedOn，UpdataData分别表示成本进度的提交与更新日期，同时利用选择类型IfcDataTime对SubmittedOn，UpdataData进行定义表示，利用String表示成本计划的当前状态Status，其中的成本进度状态值包括PLANNED(计划)、AGREED(商定)、APPROVED(认可)、ISSUED(发布)、STARTED(启动)。

另外， PredefinedType分别对成本项目或进度的类型进行表示，依据IFC标准，分别采用该类型属性的枚举类型IfcCostItemTypeEnum，IfcCostScheduleTypeEnum进行定义，即可以指定成本项目/进度的预定义类型。成本信息模型如图7所示。

图7 成本项信息模型

2.7 基于IFC标准的工程进度信息表达

进度信息主要是对整个建设过程中所涉及进度信息的组织与表达，通过进度信息可以将时间参数赋予施工任务或施工计划生成。IFC标准的进度中涉及施工过程、施工计划、施工任务以及施工时间等。其中，IFC中有两类实体用以描述施工过程：IfcProcess和IfcTask。IfcProcess表示在时间上有序的单独活动或事件，IfcTask作为IfcProcess的子类，用来描述具体施工过程，如产品的施工与安装活动。IfcWorkPlan表示施工或设施管理中的工作计划，IfcWorkSchedule表示工作计划的任务调度，反过来可以包含一组不同目的的进度信息。上述实体对诸如施工工艺、时间、工期等信息均可进行描述。

不同的IfcTask实例构成了不同的施工计划，IFC中利用IfcWorkPlan表示施工计划，通过关系实体IfcRelAssignsToControl建立与IfcTask的一对多关系。同时依据不同的项目目的与需求，IfcTask可组成不同的IfcWorkPlan实例，如某一工序中成本信息与计划相关联形成项目层成本计划，其中进度与工期信息形成项目层进度计划，也可以将工序进行分解形成详细的施工计划等。

同时，施工任务IfcTask或者施工计划IfcWorkPlan利用时间参数生成施工进度信息，IFC标准中的进度信息利用实体IfcWorkSchedule的实例进行描述，该实体作为IfcWorkControl子类继承了属性诸如开始时间StartTime、结束时间FinishTime、创建时间CreationTime、持续时间Duration等，这些都可与IfcTask实例利用IfcRelAssignsToControl进行关联来表示所有施工任务的进度和工期信息。同一施工任务的所有IfcWorkSchedule实例利用关系实体IfcRelAggregates关联到相应的IfcWorkPlan。利用IfcWorkCalendar可以为任务IfcTask和资源IfcResource定义工作和非工作时间，同时可以对特定时间段以及重复时间段进行定义。因此，相互关联的IfcWorkSchedule，IfcWorkPlan，IfcWorkCalendar就形成了包含项目施工进度计划的子集。另外，IFC标准把施工顺序定义为IfcProcess实例之间利用IfcRelSequence建立相互关系，其中IfcProcess实例之间建立了前后工序之间的关系，并且定义了施工间歇和施工次序。因此，工程进度信息表达如图8所示。

图8 工程进度信息模型

2.8 基于IFC标准的建筑产品成本信息模型

在上述研究基础上，按照IFC标准将其整合建立统一信息模型，包括项目成本模型、产品信息模型、进度信息模型、工程量信息模型、资源信息模型、分部分项信息模型。其中，实体IfcCostSchedule和实体IfcCostItem表示成本信息、实体IfcProduct表示产品信息，实体IfcProcess表示进度信息，实体IfcResource表示资源信息，实体IfcExternalClassification表示引入的外部分类标准，实体IfcPhysicalQuantity表示工程量信息，以上各模型中的信息均采用相应的关系实体将其联系起来。建立的建筑成本信息模型如图9所示。

图9 基于IFC标准的建设项目成本信息表达

通过关系实体IfcRelToProcess建立实体IfcProduct和IfcProcess之间的一对多关系，表示发生在建筑施工过程中与产品设计、成本核算、建造、运营等任务或程序之间的关系。关系实体IfcRelAssignsToControl建立IfcProduct和IfcControl的联系，表示不同建筑产品在生产过程中所需产生的成本。关系实体IfcRelAssignsToResource建立实体IfcProduct(IfcProcess)与IfcResource之间的相互关系，从而表示产品(生产过程)与资源消耗之间的联系。关系实体IfcRelAssociatesClassification将实体IfcClassification与IfcCostItem建立关系，其中作为IfcObject子类的IfcCostItem允许利用该关系实体建立与IfcClassficationReference之间一对多的关系。对象实体IfcRelDefinesByProperties建立实体IfcElementQuantity与IfcObject的关系，从而表示对象中一组元素与其物理属性的派生度量关系。关系实体IfcExternalRefereceRelationship建立实体IfcPhysicalQuantity与IfcExternalReference的联系，表示工程量中与数量有关的外部参考资料之间的关系。另外成本信息模型中，实体IfcCostSchedule和IfcCostItem利用关系实体IfcRelAssignsToControl建立关系，以此表示在施工过程中成本进度与项目之间的关系。进度信息模型中，利用关系实体IfcRelAssignsToControl将实体IfcTask与IfcWorkControl建立联系，进而表现出满足产品要求和规定的进度IfcWorkSchedule与计划IfcWorkPlan之间的关系，从而完成对项目的控制。

3 案例分析

为确保建设项目成本数据存储的一致性与准确性，在IFC标准的数据结构和存储形式组织数据基础上，提出建设项目成本信息模型，实现基于BIM的成本信息有效流转与共享。本文以叠合楼板Composite Slab为例，基本建模步骤如下：

(1)叠合楼板是由预制板和现浇混凝土层叠合而成的装配式整体式楼板，根据实际需求建立叠合楼板产品信息，并按照IFC标准，将其产品信息转换为分部分项信息。由于IFC中对楼板定义集中在标准楼板IfcSlabStandardCase与带有特定约束的楼板IfcSlabElementCase方面，缺少针对半预制体系的叠合板定义，因此采用产品模型中所定义的扩展实体IfcProductSegment对其进行定义，在IFC中叠合板上定义其为拓展实体IfcCompositeSlabElement。

(2)根据规范结合叠合板工艺流程，按过程信息及工作进度信息进行描述，形成进度信息。叠合板的预制薄板(厚50～80 mm，本工程为60 mm)与上部现浇混凝土层结合成为一个整体，共同进行受力。依据JGJ 1-2014《装配式混凝土结构技术规程》的相关规定，叠合板的预制板厚度不小于60 mm，后浇混凝土叠合层厚度不应小于60 mm。本文利用IfcWorkSchedule表示工程进度，同时辅以过程信息IfcProcess表示，并通过关系实体IfcRelAggregates，IfcRelAssignsToControl，IfcRelDeclares分别建立有IfcProject，IfcTask等相关关系，同时也间接与所提出的信息模型中其他元素产生联系。

(3)按照产品在施工过程确定相应所需资源，如人力、物料、设备等。叠合板在生产过程中主要由预制和现浇两部分组成，不同的施工任务在不同的流程或者场所中对于资源需求不同，例如通常情况下，预制预应力薄板和现浇混凝土层采用不同标号的混凝土。本文采用IfcResource表示资源信息，利用IfcRelAssignsToResource建立与实体IfcTask，IfcComposisteSlabElement的关系。

(4)依照国标清单规范作为外部参考规范，利用关系实体IfcExternalReferenceRelationship建立IfcExternalReference与IfcElementQuantity的关系。

(5)建立对象属性集。利用不同的对象属性，如TypeDesignator，ToppingType，EdgeDistanceToFirstAxis等可对构件类型、轴线距离、夹角、厚度等进行定义，进而完成对产品叠合板的描述。

(6)将上述各部分所列信息结合，生成成本信息模型，并将其与叠合板建立关联。按照IFC标准，文章利用实体IfcCostItem表示成本项，如表1所示，结合关系实体IfcRelAssignsToControl，IfcRelAssignsToProcess，IfcRelAssignsToResource等建立与IfcWorkSchedule，IfcExternalReference，IfcElementQuantity，IfcResource关于IfcCompositeSlabElement的成本信息模型，同时根据叠合板自身特点，利用对象属性对其属性集合进行定义。具体的建设项目成本信息模型如图10所示。

表1 叠合板成本项目信息

图10 成本信息模型

(7)利用生成的叠合板成本信息模型，从单位成本库中提取所需成本价格，并根据上述成本项数量IfcElementQuantity进行成本与工程量计算，进而形成工程量清单。

4 结 论

为提高建筑业成本信息建设和管理的水平，促进基于BIM的成本信息管理效率提升，本文通过对当前建设项目成本信息管理的现状分析，提出了成本管理信息需求，进而提出集于IFC的建设项目成本信息模型。主要结论如下：

(1)本文提出的成本信息模型包含进度、资源、产品、成本项目、分部分项、工程量等信息模型。

(2)以IFC标准为基础，分别对上述需求模型进行分析，从而建立信息模型架构，并对其相互关系进行了分析。其中，对于IFC中信息缺失也添加相应的信息进行补充，可以在不依赖外部平台与设备的前提下，通过实体、关系实体、对象实体等建立不同信息之间的关联，实现BIM环境中信息的交流与转换，对于提高协同工作效率具有一定意义。

(3)以叠合板为例，对于成本信息需求模型的分析做了说明，并对需求信息、属性等进行了分析，表明模型的提出对于实际信息管理有效。