基于IFC的水利水电工程信息模型存储标准研究

2022-04-01刘丹滕彦周争何逸凡王志敏

人民长江 2022年1期

刘丹滕彦周争何逸凡王志敏

摘要：为规范水利水电工程信息模型（WPIM）数据在全生命期各阶段的存储和交换，基于国际标准Industry Foundation Classes（IFC 4.0.2.1）规定的数据模式，研究了水利水电工程信息模型的数据存储标准。结果表明：在IFC标准规定的领域层、共享层与核心层中新增水利水电工程空间结构单元（Spatial Structure Element）、构件单元（Element）两类实体和相关关系实体，通过新定义实体（Entity）、预定义类型（Predefined Type）、属性集（Property Set）的方式，扩展编制了水利水电工程信息模型存储标准。该标准是中国水利水电勘测设计协会水利水电BIM联盟先行启动的4项BIM标准之一，适用于水利水电工程全生命期全专业的BIM模型的存储和交换。

关键词：BIM; IFC; 数据标准; 水利水电工程

中图法分类号： TV61;TP312 文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.037

0 引言

BIM技术已在工程行业应用多年，在工程全过程、全专业、全参与的过程中BIM应用软件种类繁多（如Revit、Bentley、Catia、Tekla Sructurest、Rhinoceros等），不同软件生成的文件格式不尽相同，导致数据交互困难，形成信息孤岛[1]。为此，building SMART提出以工业基础类（industry foundation classes，IFC）作为BIM数据交换的标准[2]。IFC是一种中立、开放的数据交换格式。张建平等[3]提出了基于IFC标准的建筑结构设计信息模型的自动转化方法，实现了多种模型之间的自动转化;杨绪坤[4]等基于IFC扩展研究了铁路工程BIM存储标准;陈国良[5]基于IFC标准研究了三维地质模型的扩展模型IFC-3DGeoMdl，实现了地质模型与其他专业BIM模型的集成;赵继伟[6]基于IFC研究扩展了水利工程BIM模型描述标准;张志伟[7]等基于IFC研究水电工程信息模型数据导出与交换情况，并根据实际工程进行了验证;张社荣[8]等基于IFC研究了水电设备信息模型的创建技术。但水利行业基于IFC的研究还是小范围，没有成体系，无法解决行业内BIM数据不互通的问题。为此，水利水电BIM联盟在2017年启动了水利水电工程信息模型（water and hydropower projects information modeling，WPIM[9]）存储标准编制项目，在IFC数据架构基础上，根据水利水电工程的需求扩充形成了水利水电的BIM数据存储标准，以期打通BIM数据在水利水电工程全专业、全阶段、全参与方之间的流转，进一步促进BIM技术在水利水电行业深度发展。

1 IFC标准

1.1 IFC体系结构

IFC标准是由国际组织building SMART制定的一个公共的、中性的建筑产品数据描述标准。截至目前，最新被纳入ISO标准的版本为2018年发布的ISO 16739-1：2018（IFC 4.0.2.1）[10]，本次研究在该版本的基础上进行。

IFC标准为工程信息数据提供了一个模块化的模型结构，由4个概念层次组成，从下往上依次为资源层（Resource Layer）、核心层（Core Layer）、共享层（Interop Layer）、领域层（DomainLayer），各概念层次相互之间规定了严格的调用关系。每个层次只能引用同层或下层的信息资源，不能引用上层信息资源。每个概念层次中定义了一系列的模型模块[4]。

在IFC体系中，核心层规定了IFC模型的基本框架和扩展机制，除资源层类型外，所有实体类型均由核心层实体1fcRoot继承而来;同时，根类IfcRoot还派生出属性定义IfcPropertyDefinition实体、关系IfcRelationship实体、对象IfcObjectDefinition实体3个基本抽象类，每个基本抽象类又分别派生出相应的子类，如图1所示[6，11]。水利水电工程主要基类实体在图1所示的IFC体系结构的基础上进行继承扩展。

1.2 IFC扩展机制

IFC标准具有3种扩展方式，分别为IFC实体扩展、属性集扩展、基于IfcProxy的实体扩展。IFC实体扩展和基于lfcProxy的实体扩展属于实体扩展机制的方式，可以满足用户直接自定义实体的要求;其中，IFC实体扩展是新增实体定义，而基于IfcProxy的实体扩展是临时派生。IFC属性集扩展的机制是在已有的实体描述基础上，增加新的没有定义的属性信息[6]。

针对IFC标准缺乏水利水电领域描述，需要进行扩展大量新的实体定义情况，采用增加IFC实体定义的方式进行扩展编制，这种方式也是对IFC标准的扩充，运行效率较高。对于IFC标准已有的相关工程对象的定义，直接加以引用，不再重复定义实体。

2 水利水电工程IFC扩展

2.1 水利水电工程空间结构分解

IFC分解方式有3种：系统分解、实体构件分解、空间结构分解。系统分解主要应用于机电系统中，空间结构分解主要应用于土建领域[12-13]。按照专业领域划分，可以将水利水电工程划分出土建专业、机电金结专业以及地质专业三大类。针对土建部分，采用空间结构分解与实体构件分解相结合的方式。分解方法为：空间结构→更小的空间结构→构件。故水利水电工程项目（IfcProject）包含水利水电工程建筑产品（IfcWaterAndHydropower），水利水电工程建筑产品可分解为水利枢纽建筑物（IfcHydroJunction）、导截流建筑物（IfcDiversion）、引调水建筑物（IfcTransfer）、河道整治建筑物（IfcRiverRegulation）。水利枢纽建筑再分解为挡水建筑物（IfcDam）、泄水建筑物（IfcSpillway）、引水发电建筑物（IfcHeadracePower）。由此土建专业分解成以上几个空间结构单元（SpatialStructure），然后再进行实体构件分解，最终分解到构件级（Element）。空间结构单元、构件之间的关系如图2所示。其中，IfcRelAggregates表示聚合关系，它有2个属性：RelatingObject和RelatedObjects。RelatingObject表示聚合对象，是整体的意思;RelatedObjects表示被聚合的对象，是部分的意思，应用于空間结构单元之间。IfcRelContainedInSpatialStructure表示空间结构包含关系，也有2个属性：RelatingStructure和RelatedElements。RelatingStructure表示空间结构单元，RelatedElements表示包含在空间结构单元中的构件，应用于空间结构单元与构件之间。

针对地质专业部分，也采用空间结构分解与实体构件分解相结合的方式，分解为地层、不良地质体、地质构造、地下水等，再往下细分至构件。

针对机电金结部分，采用系统分解与实体构件分解相结合的方式，分解方法为：系统→子系统→设备[12-13]。将机电金结系统分解为水机、金结、电气、通信4个子系统，然后再进行实体构件分解，最终分解到设备级。

2.2 水利水电工程信息模型基础数据架构

在IFC数据架构基础上，根据水利水电工程特点进行扩展的水利水电工程信息模型基础数据架构如图3所示。在核心层，新增水利水电工程相关概念实体。

在共享层，新增共享水利水电工程元素的定义，包括公用构件类型、公用空间结构单元、公用构件实体、公用关系实体、公用属性集。在领域层，新增土建专业、机电金结领域、地质专业领域3个领域。

3 基于IFC的水利水电工程具体扩展内容

本次研究主要将WPIM（水利水电工程信息模型）划分为空间结构单元、构件2种。在IFC基础上，通过新定义相应的空间结构单元（IfcSpatialStructureElement）、构件（IfcElement），给出具体的实体定义、类型定义与属性集定义的方式进行扩展[14]，各层次具体扩展实体如表1所列。

3.1 土建IFC扩展

3.1.1 土建领域数据模式

通过定义相应的空间结构单元和构件的方式，来扩展土建BIM模型基础数据架构，其IFC类扩展继承关系如图4所示。

空间结构单元与构件的扩展方法类似，现以构件的扩展为例，首先从IfcElement派生出IfcWaterAndHydropowerElement（水利水电工程构件），再派生出IfcDamElement（挡水建筑物构件）、IfcSpillwayElement（泄水建筑物构件）、IfcHeadracePowerElement（引水发电建筑物构件）、IfcDiversionElement（导截流建筑物构件）、IfcTransferElement（引调水建筑物构件）、IfcRiverRegulationElement（河道整治建筑物构件），放在领域层。每一项又可扩展出具体的构件，如挡水建筑物构件可派生出大坝坝身（IfcDamBody）、大坝结构层（IfcStructureLayer）、防渗体（IfcImperviousBody）、坝顶抗震结构（IfcAseismicStructure）等构件。

3.1.2 共享数据模式

考虑到水利水电工程各扩展领域中存在通用的空间结构单元、构件，如隧洞、衬砌、水工墙等不仅存在于引水发电工程，也存在于引调水工程，将这类实体统一归集为水利水电工程共享数据，新增公用空间结构单元实体定义、公用构件实体与类型定义、公用关系实体定义、公用属性集定义。

如表1所列，新增公用空间结构单元实体定义水利枢纽空间结构单元（IfcHydroJunctionStructureElement），EXPRESS描述如下：

ENTITY IfcHydroJunctionStructureElement

SUPERTYPE OF（One of

（IfcDamStructureElement

，IfcSpillwayStructureElement

，IfcHeadracePowerStructureElement））

SUBTYPE OF（IfcWaterAndHydropowerStructureElement）;

END_ENTITY;

通过对各类工程的梳理整合，公用构件实体主要为混凝土构件（IfcConcreteElement）与岩土构件（IfcGeoElement）。混凝土构件包括：隧洞、衬砌、喷混、廊道、水工墙、楼梯、交通橋、孔口、墩、梁、水工板、柱、护坦、护底、桩等。岩土构件包括锚杆、锚索、钢筋网、钢拱架、临时支护、止水、排水等。其中混凝土构件（IfcConcreteElement）EXPRESS描述如下：

ENTITYIfcConcreteElement

SUBTYPE OF（IfcWaterAndHydropowerElement）;

PredefinedType：IfcConcreteElementTypeEnum;

END_ENTITY;

根据水利水电工程需求扩展了4个关系实体。填充关系实体（IfcRelFillsHydraulicElement）与空腔实体边界关系（IfcRelBoundryOfHollowElement）因为建立在水工实体与其父级（IfcElement）之间，故设置在核心层[3]。上下游关系（IfcRelWaterConnectionElement）与左右岸关系（IfcRelBankConnectionElement）由于仅涉及水工专业实体，可设置在共享层或领域层，考虑IFC数据架构遵从重力引用原则，将这2个关系实体放在共享层。其中填充关系实体（IfcRelFillsHydraulicElement）EXPRESS描述如下：

ENTITY IfcRelFillsHydraulicElement

SUBTYPE OF IfcRelConnects

RelatingElement：IfcWaterAndHydropowerElement;

RelatedHydroElement：IfcElement;

END_ENTITY;

共享层定义了一些公用构件，需对每一类构件定义属性集，考虑到一些构件具有一部分相同的属性，如隧洞、水工墙、楼梯、交通桥等都是混凝土构件，为避免每类构件重复定义属性，抽取出相同属性形成公用属性集[12]。按照IFC属性集定义规则，公用属性集定义了水利水电工程通用属性集、混凝土构件通用属性集以及一些公用构件的专有属性集。混凝土构件通用属性集包含属性如表3所列。

3.2 机电金结IFC扩展

由于水利水电工程机电金结对象的扩展与土建对象的组织逻辑不同，机电金结属于“网状输送系统”，因此采用系统分解与实体构件分解相结合的方式。在IFC标准中，有专门针对管线输送系统IFC模型描述的方式：① 用来表达定义整体的管线空间结构关系的管线系统对象（IfcDistributionSystem）;② 用来定义连接各类实体之间关系的接口对象（IfcDistributionPort）;③ 用来定义各类具有真实物理形状实体的管线实体构件（IfcDistributionElement）[15-16]。

3.2.1 机电金结系统对象

机电金结信息模型基础数据架构由配送系统（IfcDistributionSystem）、配送构件（IfcDistributionElement）及配送接口（IfcDistributionPort）组成。将水利水电工程机电金结系统划分为4个专业系统：水机系统（IfcHydraulicMachine）、金结系统（IfcMetalStructure）、电气系统（IfcElectrical）、通信系统（IfcSignalCommunication），并为其定义新的构件实体、构件类型与属性集，以满足水利水电工程领域的需求。IFC管线系统对象聚合关系如图5所示。

3.2.2 设备对象

以水机系统扩展为例，使用IfcDistributionSystem表达整个水机系統，使用IfcDistributionElement进行设备构件对象的表达（扩展继承关系见图6），在IfcFlowController（管线控制设施）下扩展IfcValve（阀门）、IfcGenerator（发电机）、IfcGeneratorCircuitBreaker（发电机断路器）;在IfcDistributionChamberElement（管线上的节点装备）下扩展IfcHydraulicMeasuringDevice（水力测量装置）、IfcAuxiliaryWatervaperSystem（辅助水气系统）、IfcGeneratorCircuitBreaker（发电机断路器）;在IfcFlowMovingDevice（流体动力设施）下扩展IfcTurbine（水轮机）、IfcPump（泵）等构件（见图6）。

对新增的设备构件进行类型定义、实体定义与属性集定义，形成水机系统的BIM数据存储规则，金结、电气、通信系统扩展方法与其类似，均可参照执行。

4 标准应用

基于本研究扩展形成水利水电IFC标准的不同软件平台之间的数据共享与交互应用路线（见图7），包括2方面数据交互，具体如下。

（1）建模软件之间数据交互。Revit、Bentley、Catia等BIM软件可通过配置文件或修改设置手动自定义添加IFC类，也可通过二次开发IFC定义设置功能。根据本研究制定的标准批量设置完成后导出为IFC文件，能更精确地表达水利水电工程实体与信息，满足在不同软件之间的数据无损交互。

（2）与BIM平台数据交互。基于IFC标准建立模型解析逻辑，实现IFC模型的结构化处理，并在此基础上建立BIM模型平台，进一步实现基于IFC标准的信息模型数据共享和交换，满足后续基于BIM的各项业务应用。

5 结语

本文以IFC标准为基础，阐明了水利水电工程土建领域空间分解逻辑与机电金结领域系统分解逻辑，分土建类与机电类两大方面研究水利水电工程信息模型存储标准具体扩展方案。目前，基于IFC扩展的水利水电工程信息模型存储标准已于2020年5月正式对外发布与实施。

由于人力资源、时间、经费等因素限制，没有对施工领域相关内容做过多扩展，有待进一步完善，并且也暂未开展基于实际项目的软件验证工作，计划下一阶段实施并作为完善标准的依据，为全面实现水利水电工程项目全阶段、全专业、跨平台的BIM应用与协同奠定基础。

参考文献：

[1] 赖华辉，邓雪原，刘西拉.基于IFC标准的BIM数据共享与交换[J].土木工程学报，2018，51（4）：121-128.

[2] 郭红领，周颖，叶啸天，等.IFC数据模型至关系型数据库模型的自动映射[J/OL].清华大学学报（自然科学版）：1-9[2020-09-14].https：∥doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.030.

[3] 王勇，张建平，王鹏翊，等.建筑结构设计中的模型自动转化方法[J].建筑科学与工程学报，2012，29（4）：53-58.