钢筋数据从IFC 向数控加工设备的传递

卢禹 韩磊 袁鹏 华攀

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司合肥分公司，合肥 230031；2.安徽省交通控股集团有限公司，合肥 230031；3.安徽省路港工程有限责任公司，合肥 230031）

引言

随着中国制造2025 的提出，信息化与工业化技术在工程建设领域得到快速发展，建造的自动化和智能化被认为是建筑业未来的发展趋势。目前，数控化的钢筋加工设备已得到大规模推广，提升了钢筋加工效率、降低了材料浪费，对于建筑业的数字化转型具有重要意义。

为实现数据在建筑全生命周期的共享和交互，IAI( International Alliance for Interoperability) 提 出 了IFC(Industry Foundation Class)标准，即工业基础类标准[1]。2013 年，IFC 被正式采纳为ISO 标准，标准编号ISO 16739；2021 年，我国基于IFC 数据格式编制并发布了《建筑信息模型存储标准》（GB/T51447-2021）。

本文通过对IFC 数据文件进行解析，将模型中的钢筋信息提取出来转换为数控加工文件，以二维码方式传递到数控加工设备，减少了工人读图、录入等中间环节，提高了钢筋的加工效率和精度。

1 国内外研究现状

随着BIM 技术的推广以及对钢筋数字化加工需求的增加，在国内外众多国家和地区出现了一批从IFC数据文件中解析钢筋信息以及信息向数控设备传递的实践和理论研究。Maciel、Alex R[2]研究了将钢筋加工数据标准BVBS 中的钢筋信息映射到IFC 标准中的方法；朱俊武[3]采用Planbar 软件建立钢筋模型，并利用模型导出钢筋下料单，实现智能钢筋加工；陈红伦[4]研究了钢筋模型几何信息在IFC 标准中表达方式，为软件开发和应用提供理论支持。王勇[5]利用IFC 的建筑结构信息模型描述方法和模型扩展机制，构建了建筑结构施工图设计的IFC 扩展模型，并开发了相关原型系统;郁嘉诚[6]基于国际IFC 标准，以连续梁为研究对象，研究其钢筋模型的自动生成算法。

以上研究都针对IFC格式模型的解析和信息提取，以及将数据传递到数控加工设备的一个或多个环节进行了分析，提供了一些可靠的解决方案。但是上述研究并没有系统地解决将IFC 格式模型数据导入到数控加工设备的问题。

2 技术方案

本文提出直接基于IFC 格式的施工图设计模型，从中解析钢筋加工信息并转换为BVBS数据格式文件，并将其输入数控钢筋加工设备的系统性解决方案。

2.1 BVBS 编码结构

目前，与CAM 钢筋加工设备进行数据交换的标准格式为BVBS 编码。BVBS 编码分为形状类型、头部数据块（H）、几何数据块（G）、钢筋网数据块（A）、钢筋数据块（X/Y）、私有块（P）、校验数据块（C）七部分。其中钢筋网数据块和钢筋数据块为钢筋网专有数据，私有快（P）用于记录自定义数据，均不在本文研究范围。其它数据块具体说明如表1 所示：

表1 BVBS 头部数据块与IFC 的字段映射

（1）形状类型：描述待加工钢筋的类别。比如“BF2D”表示加工成二维钢筋，“BF3D”表示加工成三维钢筋[7]；

（2）头部数据块(H)：提供钢筋的识别和特征数据，包括钢筋的工程编号、图号、图纸索引、钢筋编号、钢筋长度、数量、钢筋重量、钢筋直径、钢筋等级、弯曲直径等信息；

（3）几何数据块(G)：包含钢筋的段长、弯曲半径、弯折角度、XYZ 轴坐标（仅三维钢筋形状使用）等信息；

（4）校验数据块(C)：用以检验在该部分以前字符串（包含字母标识“C”）的准确性。

以上数据块中，头部数据块(H)、几何数据块(G)是需要进行数据交互的主要内容。

2.2 钢筋信息在IFC 中的表达

2.2.1 IFC 信息模型体系结构

IFC 标准将建筑全生命全专业信息架构分为四个功能层，从下到上依次为资源层、核心层、共享层、领域层，每个功能层都是由独立的模块组成，且模块之间的信息相互独立。IFC 标准为模型层级架构之间定义了严格的引用关系，即一个类型不能引用上一层级的类型，但能引用相同或下层级的类型，此种继承规则使IFC标准保持了良好的稳定性和信息延续性。

针对BVBS 编码结构中字段信息的需求，本研究从IFC 中解析以下几方面的钢筋实体信息。

2.2.2 钢筋实体的非几何信息表达。

在IFC 文件中，IfcProject 用来描述项目基本信息，包括文件创建信息、项目编号、项目名称等；IFC 中没有针对图纸编号给出相对应的存储实体，但在IfcDocumentInformation 实体中提供外部链接文档的图号和图纸索引信息。IfcReinforcingBar 实体综合描述了与钢筋直接相关的信息，包括名称、标签、对象类型、钢筋直径、钢筋长度等。

2.2.3 钢筋实体的几何形状信息表达

钢筋在IFC 中一般采用Brep 和 sweptsolid 两种几何表达形式，其中Brep 使用面片围合的方式来表示3D 模型[9]，支持在碰撞检测方面的应用，但不支持对元素的特征进行识别或编辑；sweptsolid 是通过参考轮廓在空间中沿三维曲线扫描表示3D 形状，三维曲线可通过参数化方式进行表达，便于编辑和修改，并且使用swept solid 相较于Brep 的表示方式其文件语句更少。因此，sweptsolid 是更主流的钢筋几何形状表示方式。本文仅基于sweptsolid 表达方法进行数据解析。

在sweptsolid 表达方法中，钢筋拉伸总路径用IfcCompositeCurve 实体来表达。IfcCompositeCurve 实体记录了直线段和弧线段路径的集合，通过提取其IFC语句中的路径描述参变量，可确定钢筋线性几何特征参数。

2.2.4 钢筋数量的表达

根T 梁中通常存在多根具有形状相同的一组钢筋的情况。在 IFC 标准中，为消除大量重复数据，常采用IfcMappedItem[8]方式表示多根几何形状完全相同的钢筋模型。对于具有相同几何形状的一组钢筋，在IFC中可以先用IfcReinforcingBar 实体描述其中一根，并通过IfcMappedItem 实体来实现其它钢筋的映射。因此从理论上说，可以通过IfcMappedItem 实体来获取同一型号钢筋的数量。

2.3 IFC 与BVBS 的数据映射关系

从上一节的研究可以知道，BVBS 头部数据块、几何数据块中所需的主要信息都已包含在IFC 中。几何数据块信息可从IfcCompositeCurve 实体中检索到，BVBS 头部数据块与IFC 的字段映射如表1 所示。需要说明的是，BVBS 中头部数据块中的“钢筋重量、弯曲直径”属于原材料性能和属性，无法从IFC 文件中获取。同时，BVBS 编码允许上述数据为空，并不影响钢筋的数控加工。

在从IFC 中获取到钢筋信息后，再依据2.1 中的BVBS 编码结构进行编码，即可形成钢筋加工的数控文件。

2.4 BVBS 数据向数控设备的传递

常见的数控钢筋加工设备一般支持PDF417 二维条码数据传输[10]和网络通讯数据传输两种方式。

PDF417 二维条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段，在证件识别、工业生产等各个领域都有广泛应用。

相比而言，PDF417 二维条码的数据传输方式具有便于部署、操作简便等优势。本研究选用该技术方案，即：将BVBS 码转换为数控设备支持的PDF417 二维条码，操作人员通过扫码枪完成生产订单的数据录入。数控加工设备获取加工参数后，绘制出所需钢筋的加工图形，并将参数存储在PLC 控制器中，然后执行定量加工生产。

3 研究案例

3.1 参数化创建与布置

某工程的项目代号HZGS，其预制T 梁的图号为QTL-25-09，索引号B-B。其中某型号钢筋为12mm 直径的HRB400 热轧带肋钢筋（如图1 所示），钢筋数量193 根。现基于5#钢筋提取数据，并转换为BVBS 码，以二维码方式传递到数控加工设备。

图1 钢筋尺寸示例图

3.2 模型导出与解析

模型采用Autodesk Revit 2021 版建立，录入必要的项目信息后，导出为IFC4 版本的数据文件。基于第2 节提供的方法，从数据文件中解析到钢筋实体的有关信息，如表2 所示。

表2 从IFC 中解析的头部数据块信息

在从Revit2021 软件中导出的IFC 文件中，并没有查到预先记载的图号、图纸索引信息，所有钢筋均以IfcReinforcingBar 实体的方式定义，因此为钢筋数量的获取也带来了困难。考虑到生产加工的管理需要，本次在提取数据后，为其补充相关数据，如表3 所示。

表3 人工补充的头部数据块信息

在该钢筋相关的IfcCompositeCurve 实体中，找到了钢筋形状的描述，转换为极坐标表达方式后，如表4所示。

表4 从IFC 中解析的钢筋几何数据块信息

3.3 BVBS 编码

根据上节获取到的信息以及人工补充的信息，这批待加工钢筋的BVBS 编码如下：

形状类型：BF2D@

头部数据块：HjHZGS@rQTL-25-09@iB-B@p5@l2664.8@n193@e@d12@gHRB400@s@v@a@t@

几何数据块： Gl330@w-81@l341.2@w0@r74@w81@l61.7@w0@r36@w90@l876@w0@r36@w90@l61.7@w0@r74@w81@l341.2@w-81@l330@w0@

校验数据块：C84@（计算过程略）

完整的BVBS 码如下： BF2D@HjHZGS@rQTL-25-09@iB-B@p5@l2664.8@n193@e@d12@gHRB400@s@v@a@t@Gl330@w-81@l341.2@w0@r74@w81@l61.7@w0@r36@w90@l876@w0@r36@w90@l61.7@w0@r74@w81@l341.2@w-81@l330@w0@C84@

3.4 将BVBS 编码转换为PDF417 二维条码格式

本研究利用在线插件将上一节中的BVBS 码生成为PDF417 二维条码，其列数设定为8 列，生成条码如图2 所示。

图2 以PDF417 条码格式呈现的BVBS 编码

经验证，将Codeland CL5100 型号扫描枪接入MEP 品牌的SL18 型号钢筋数控加工设备，并正确设置后，可成功将上述PDF 二维条码信息读入数控加工设备中。

3.5 在工程项目中应用情况

德州至上饶国家高速公路合肥至枞阳段项目设计有4 000 多片预制T 梁。T 梁生产中使用了先进的数控钢筋加工设备和流水式T 梁生产线。在钢筋尺寸录入数控设备过程中，部分T 梁钢筋使用了上述从IFC 文件读取信息、扫码录入的方式。相比传统人工录入过程，该方法省略了现场工人读取二维图、人工录入参数的过程，保证了信息传递的准确性。由于减少了人工录入环节，对钢筋加工的效率也有一定程度的提升。

4 结论

应用实践表明，基于IFC 格式的数字化交互方式基本满足设计信息向建造阶段的应用需要，在模型中的相关信息可有效传递并转换为BVBS 编码，并传送到数控设备进行加工。该技术可减少中间环节，提高钢筋的加工效率和精度。但是，即使像Revit 这样市场覆盖率较高的成熟软件，在转换为IFC 文件过程中也存在数据丢失的现象，从而增加了人工录入数据的环节。基于IFC 标准，如何采取更可靠的方式表达钢筋的非几何信息，并与数字化生产管理系统结合起来形成体系化的数据传递流程，将是下一步的研究方向。