公路行业桥梁信息模型存储标准研究

公路行业桥梁信息模型存储标准研究

刘清

中交公路规划设计院有限公司 北京 100088

摘要：本文在IFC4.3的基础上对公路行业桥梁信息模型存储标准进行扩展，提出了IFC Bridge的扩展方法，对IFC Bridge的实体（Entity）对象进行梳理，与公路桥梁构件进行对应，以预定义实体类型的方式进行扩展。最后给出了实体之间的空间分解关系，实现IFC Bridge在桥梁信息模型存储中的应用。

关键词：桥梁信息模型；存储标准

1.概述

在BIM应用过程中，通常需要多个软件协同完成，不同软件之间就会出现数据交换和共享的需求。这时，工程人员都希望能将工作成果从一个软件完整地导入到另外一个软件。而IFC就是这种标准、公开的数据表达和存储方法。

Industry Foundation Classes（IFC）数据模型旨在描述建筑行业的数据。它不受平台限制的开放文件格式规范，是一种基于对象的文件格式，以促进建筑工程和建筑（AEC）行业的互操作性。IFC于1996年发布，经过20多年的发展，2017年10月发布的IFC4 ADD2 TC1版本成为ISO16739-1:2018国际标准，是目前最新的官方版本。最新的候选版本为2021年2月的IFC4.3 RC3版^[1]，是目前集成最多新成果的版本。

2.IFC Bridge发展情况

IFC最初为建筑领域设计，对桥梁的扩展是从2016年底开始，IFC Bridge的扩展由法国MINnD主导,FHWA、BrIM、KICT、China Railway BIM Alliance等多个国家的机构参与，在2019年4月的IFC4.2中首次发布了对IFC Bridge的扩展^[2],[3]。截止到IFC4.3 RC3版，IFC Bridge仍在修改中，目前完成的工作主要是对桥梁的的实体进行了补充，并定义了实体类型枚举类，可以将桥梁的主要构件用IFC实体类表达。

但是IFC在工程应用仍面临诸多问题^[4]，一方面还缺乏大量的针对桥梁构件的属性集，另一方面即使是实体的分类，还存在少量的缺失，国外的分类应用体系，也与国内的工程实际有所不同，需要针对桥梁进一步梳理与扩展。

3.IFC Bridge扩展方法与思路

IFC的数据存储架构可以划分为四个层次：即资源层（Resource Layer）、核心层（Core Layer）、交互层（Interoperability Layer）和领域层（Domain Layer）。每个层次都包含一些信息描述模块，各层级引用应遵循“重力”原则，每个层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，下层资源不受影响，保证信息描述的稳定。^[5]

信息模型对象定义增加相应实体（Entities）、类型（Types）、属性集(Property Sets)与工程量集（Quantity Sets）^[6]。实体定义应包含实体的名称、实体的类型、实体所包含的属性和实体之间的相互关系。类型定义应包含类型名称、对象的通用样式特征定义。属性定义应包含属性名称、对象的工程特有信息定义等。属性集定义应包含属性集名称、相同类型的一个或多个属性组合等。数量集定义应包含数量集名称、数量集属性定义、量集取值规则等。

在进行IFC Bridge扩展的对象概念应先与既有的IFC对象进行比对，找到新扩展对象与既有IFC对象类在层级结构中的最佳匹配。扩展对象应先考虑通过扩展既有IFC对象的预定义类型和相应属性集方式实现，当类型和属性集方式扩展不满足要求时，可采用扩展既有实体对象的新子类型。在不改变信息模型数据结构基础上对模型信息的扩充，应采用基于代理实体的扩展方法，实例化代理实体类表达新的工程对象。

4.IFC-Bridge扩展内容

4.1 资源层扩展

资源层作为最底层，是通用类，不是建筑专门的类，它们的作用是作为一种定义高级层里的实体属性的资源。信息模型中被重复引用的最基础对象，应在资源层进行定义和描述，目前桥梁作为建筑行业中的专业领域，目前的资源内容基本可以满足桥梁专业的需求，因此扩展不涉及对此层的操作。

4.2 核心层扩展

核心层是IFC体系中最通用的层，此层中定义的实体可以被层次结构中上面的所有实体引用和专门化。核心层为模型进一步深入提供基本结构、基本关系和通用概念。IFC Bridge在本层中引入了IfcBridge和IfcFacilityPart两个实体，其中IfcBridge以IfcFacility空间结构元素为基类,用于表示一个完整的桥梁，规定了IfcBridgeTypeEnum，枚举了主要的桥梁类型，IfcFacilityPart空间元素类包含IfcBridgePart构件，通过IfcFacilityPartSelect用于表示桥梁构件，并规定了IfcBridgePartTypeEnum，枚举了主要的构件类型。核心层还定义了IfcProjectionElement作为一种特殊的空间结构，用于预应力齿块的定义，反映了其需要附着于面的特性。核心层用于桥梁的空间结构单元与预定义类型如下表如示：

表4.1 核心层空间结构单元与预定义类型定义

4.3 交互层扩展

交互层应定义特定产品、过程或资源实体，实现领域间的数据交换和数据共享，这一层中定义了大多数普通建筑实体。应用于桥梁的主要有IfcBeam、IfcBearing、IfcColumn、IfcCaissonFoundation、IfcMember、IfcPlate、IfcRailing、IfcSlab、IfcWall等。通过补充原有的预定义类型，即可表示出桥梁构件。对复杂的构件，采用核心层的IfcElementAssembly进行表示。交互层实体构件的定义与预定义类型通过空间结构的逻辑总结如下：

表4.3 桥梁下部结构实体与预定义类型

表4.4 桥梁上部结构实体与预定义类型

表4.5 拱桥构件实体与预定义类型

表4.6 斜拉桥构件实体与预定义类型

表4.7 悬索桥构件实体与预定义类型

表4.8 附属结构实体与预定义类型

4.4 领域层扩展

领域层应定义专业领域特有的产品、过程或资源实体，实现专业之间的数据交换和消息共享，包含了为独立的专业领域的概念定义的实体。工程领域的专有对象，一般在领域层扩展，如道路工程、铁路工程等扩展均在此层新设IfcRoad、IfcRail等领域。桥梁工程作为比较单纯的结构类型的工程，绝大部分实体均可与建筑共用。因此在扩展时，直接引用领域层的扩展IfcStructuralElementsDomain进行，其中已经定义了IfcFooting、IfcPile、IfcTendon、IfcReinforcingBar及其类型。同时IfcCaissonFoundation与IfcPile均属于IfcDeepFoundation的子类，应当移到领域层。领域层不同实体对象的引用与扩展如下表所示：

表4.9 领域层构件实体定义与预定义类型

5. IFC Bridge实体关系

IFC Bridge实体的关系主要可分为三种：空间继承关系、空间包含关系和构件连接关系^[3]。

空间继承关系主要是IfcBridge与IfcFacilityPart空间单元之间的继承，每个IfcBridge代表一座桥梁，其由多个IfcFacilityPart空间单元组成，通过IfcRelAggregates的方式聚合。例如同一座桥中，不同里程桩号下的桥墩，分别用不同的IfcFacilityPart进行表示。

空间包含关系由IfcFacilityPart所定义的空间单元可以由不同的IfcElementAssembly通过IfcContainedInSpatialStructure进行组合，例如，对同一里程桩号下的多个桥墩，可用预定义类型为PIER的IfcFacilityPart表示，由表示单一的桥墩的多个IfcElementAssembly组合而成。IFC的空间分解结构如下图所示：

图5 IFC空间分解结构

构件的连接关系是由IfcElementAssembly分拆出的小单元，例如ABUTMENT属性的桥台构件，可以进一步拆分出多个IfcWall和IfcBeam（HATSTONE）以及IfcPlate（BASE_PLATE）等构件组成。

6.结语

桥梁信息模型存储标准在保证IFC Bridge主体结构的基础上做了适当的修改与补充，在不增加实体的情况下，通过预定义属性进行扩展，保证与国际标准的一致性。本研究内容的成果已经写入发布的《公路工程信息模型统一标准》^[8]中，并在桥梁项目中进行了初步的验证，下一步将在XCUBE项目软件中进行试用，逐步完善，最终实现不同软件桥梁数据的无缝传递。

参考文献

[1]buildingSMART 1996-2020,IFC4_3/RC3, 2021

[2]Christophe Castaing, et al. IFC Bridge Fast Track Project Report WP1: Requirements analysis, 2018.

[3]Christophe Castaing, et al. IFC Bridge Fast Track Project Report WP2: Conceptual Model, 2018.

[4]何清华, 钱丽丽, 段运峰,等. BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J]. 工程管理学报, 2012, 26(001):P.12-16.

[5]陈立春, 赖华辉, 邓雪原,等. IFC标准领域层实体扩展方法研究[J]. 图学学报, 2015, 36(002):282-288.

[6]杨绪坤. 基于IFC的铁路工程信息模型数据存储标准研究[J]. 铁路技术创新, 2015(06):10-14.

[7]李永鑫. 基于IFC标准的公路工程信息扩展研究[D]. 河北工业大学.

[8]中国交通建设股份有限公司. 中华人民共和国行业推荐性标准 JTG/T 2420-2021:公路工程信息模型应用统一标准[M]. 人民交通出版社, 2021.