基于IFC標準的大壩施工期5D進度成本信息模型研究及應用

邱世超，張社榮，潘　飛，王　超

基于IFC標準的大壩施工期5D進度成本信息模型研究及應用

邱世超，張社榮，潘飛，王超

（天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

引入5D技術和工業(yè)基礎分類標準（Industry Foundation Classes，IFC），提出了基于IFC標準的大壩施工期5D進度成本信息模型的建立方法和實現過程，研究了多維度信息模型的建立、IFC標準對信息模型的表達和模型可視化顯示等關鍵技術，應用C#.NET+OpenGL圖形引擎開發(fā)出大壩施工期5D進度成本信息動態(tài)可視化管理系統(tǒng)。以某在建大壩工程為例，將大壩三維模型、施工進度以及成本需求信息通過工程工作分解結構（Work Breakdown Structure，WBS）節(jié)點和施工資源有機地結合在一起，并對其進行動態(tài)耦合可視化展示，以滿足施工人員對大壩施工進度、資源、成本全程實時動態(tài)監(jiān)控的需求。

大壩工程；施工期；5D技術；進度成本信息模型；IFC標準；可視化

0　引言

大壩施工是一項綜合和復雜的生產性活動，具有投資巨額、工程建設周期長等特點，大壩施工過程中的進度和成本之間是聯系緊密、相互制約的。同時，施工過程的高度動態(tài)變化將會引起進度以及成本信息的急劇增加。因此，做好進度控制和成本管理，提高工程質量已成為大壩工程現代信息化管理的關鍵任務。目前，國內許多學者已經結合自身研究領域對上述問題開展了多方面的研究。鐘登華等［1］基于Unity3D可視化引擎實現了大壩施工三維動態(tài)可視化仿真；燕喬等［2］基于仿真理論和數據庫技術，開發(fā)了面板堆石壩三維實時仿真系統(tǒng)；羅偉等［3］利用Petri網技術建立了碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)內部邊界條件之間復雜的耦合關系。上述研究成果只關注對大壩施工過程中進度和資源的管理，忽略了對成本的控制。此外，對施工數據沒有按照一定的數據存儲標準形成更高層次的工程信息模型，限制了信息的傳遞與共享。

本文以我國某在建碾壓混凝土重力壩為工程依托，對基于工業(yè)基礎分費標準（IFC）的大壩施工期5D進度成本信息模型（以下簡稱“大壩5D模型”）進行了研究，以期加強對大壩施工過程中進度、資源以及成本三者之間的控制。

1　研究思路及原理

5D模型［4］是在三維模型基礎上，融入時間進度信息與成本造價信息，形成由“三維幾何模型-進度-成本”的5D工程信息集成模型。5D技術則是基于5D模型的信息化技術，將工程構件的3D幾何模型與進度信息、工程造價成本信息通過工程WBS節(jié)點和施工資源需求水平（完成一個計量單位的單元工程所消耗的材料、人工、機械等施工資源）實現相互關聯，并以動態(tài)可視化的方式模擬及跟蹤施工變化過程，實現對工程進度以及成本造價的實時監(jiān)控。

IFC標準［5］提供了一個適合于計算機處理而不依賴于具體信息管理系統(tǒng)的工程數據描述和交互標準，可使不同的應用軟件之間通過該標準實現數據共享。一般通過ifcXML文件或IFC中性文件存儲符合IFC標準的數據信息，并需要專業(yè)的IFC數據解析工具對文件中的信息進行解析。

本文基于5D技術和IFC標準，通過研究大壩施工期“三維幾何模型-進度-成本”集成信息模型的邏輯結構，建立了大壩5D模型，并基于IFC數據解析工具IFC Engine DLL以及OpenGL三維圖形API的Tao框架，在C#.NET編程環(huán)境下開發(fā)出大壩施工期5D進度成本信息動態(tài)可視化管理系統(tǒng)，最后將其應用于某在建大壩工程，可視化地展示了其施工過程中進度、資源、成本信息的動態(tài)變化過程。

2　大壩5D模型

2.1模型信息內容

大壩5D模型作為大壩工程信息化建設技術的核心內容，模型的建立實現了對大壩施工期進度、資源、成本信息全方位的數字化控制，從工程量清單到施工模擬再到資源優(yōu)化以及成本統(tǒng)籌都能夠在該平臺上實現智能化、可視化管理。大壩5D模型內容包含以下3個方面的信息［6］：

（1）三維幾何信息。亦稱為基礎信息模型，是大壩5D模型的基礎，所有工程信息的幾何載體，貫穿于大壩施工期的核心數據。

（2）進度信息。即幾何構件中與施工進度相關聯的所有工程信息，如計劃開工時間、實際開工時間、工期等。

（3）成本信息。包括幾何構件的整體造價信息以及與施工進度相互關聯的成本需求信息。

2.2大壩5D模型的建立機制

基于工程工作分解結構（WBS）節(jié)點實現大壩施工進度的管理，而作為典型工作包級別的WBS樹形結構可依據壩體工程量清單進行編制；根據相關定額規(guī)范對模型構件完成工程量清單以及施工資源需求水平的分析，施工資源需求水平與相應的資源價格將直接影響施工資源費用［7］。施工資源費與不同的進度信息或構件工程量信息相聯合將直接影響相關類型的成本，如在根據施工進度計劃和施工資源需求水平確定資源消耗量的基礎上，可直接分析施工預算成本。綜上所述，基于工程WBS節(jié)點的進度計劃決定著壩體構件施工對資源的不同需求，基于資源價格水平，不同的施工資源需求又決定著成本費用。因此，根據工程WBS節(jié)點以及施工資源需求水平實現了對大壩三維幾何構件信息、進度信息、成本信息三者之間的多維耦合，最終形成大壩5D模型。大壩5D模型邏輯結構見圖1。

圖1　大壩5D模型邏輯結構

大壩5D模型的建立需要解決3個關鍵問題：①基于IFC標準實現大壩5D模型的信息表達；②將基于IFC標準的大壩三維模型在OpenGL可視化引擎場景中進行重構；③在可視化環(huán)境中實現施工進度、成本以及幾何模型之間的動態(tài)映射。

3　關鍵技術及理論研究

3.1IFC標準對大壩5D模型的表達

IFC標準是一種采用面向對象、規(guī)范化的語言——EXPRESS語言［8］做為數據描述語言，從而實現不同系統(tǒng)間信息交換與共享的標準，可通過實體、屬性集、規(guī)則、類型、函數依據一定的原則，實現對復雜工程數據的邏輯表達，如實體IfcProduct名為ObjectPlacement的屬性用于表達工程實體的幾何位置；基于EXPRESS語言所描述的工程信息模型，其內部數據結構之間的邏輯關系是復雜的，而利用EXPRESS-G圖形表達方法［9］有助于形象化地理解這種復雜關系。EXPRESS-G方法所表達的大壩5D模型主體信息見圖2。模型內部實體說明如下：

圖2　大壩5D模型主體信息

（1）工程實體信息。通過抽象實體IfcProduct的派生實體能夠詳細描述不同類別的三維幾何物體，如實體IfcCovering可用于表達大壩防滲帷幕。基于EXPRESS語言所表達的大壩三維幾何模型信息可由支持IFC標準的設計軟件所創(chuàng)建的大壩三維模型文件直接導出。

（2）進度信息。不同類型的施工作業(yè)可由實體IfcProcess的派生實體IfcTask進行表達，如壩體混凝土澆筑的具體施工作業(yè)包含入倉澆筑、平倉振搗、澆水養(yǎng)護等一系列活動；工程進度實體IfcWorkSchedule與實體IfcTask之間通過關系實體IfcRelAssignsTasks建立一對多的映射關系，從而實現對工程進度的控制。

（3）資源信息。實體IfcResource的派生實體可用于表達大壩施工過程中所消耗的具體施工資源，如勞動力資源可通過實體IfcLaborResource表達。

（4）工程量信息。抽象實體 IfcPhysicalQuantity繼承于實體 IfcElementQuantity，通過名為 Name和Description的屬性實現對工程量名稱和說明的表達。其派生實體 IfcPhysicalSimpleQuantity和 IfcPhysical ComplexQuantity分別用來表達單一工程量和具有復雜邏輯關系的工程量。

（5）成本信息。成本進度實體IfcCostSchedule與成本項實體IfcCostItem之間的關聯性需要基于特定的關系實體實現。實體IfcCostSchedule可通過各種屬性表達其詳細信息，如其屬性Status代表成本進度狀態(tài)。

綜上所述，幾何構件實體IfcProduct、進度實體IfcProcess、工程量實體IfcElementQuantity、資源實體IfcResource、成本項實體IfcCostItem是表達大壩5D模型的核心實體。其中，IfcProcess、IfcElementQuantity、IfcResource、IfcCostItem通過關系實體可以直接或間接性與IfcProduct建立關聯性，這也說明了三維幾何信息是大壩5D模型的核心基礎。

利用國際主流數據存儲標準——IFC標準建立的大壩5D模型，可以對大壩施工管理數據進行統(tǒng)一而有效的集成化管理，進而可供同樣遵循IFC標準進行數據存儲的應用系統(tǒng)，通過標準化的數據訪問機制實現系統(tǒng)間的數據共享。

3.2大壩三維幾何實體模型的重建

由大壩三維幾何模型數據可以得到壩體構件的體量、空間位置、拓撲關系等工程基礎信息，這些信息處于大壩5D模型的基礎層，也是模型可視化顯示的主體內容。本文基于OpenGL可視化引擎API 的Tao框架，利用不規(guī)則四面體網格（Tetrahedron Network，TEN）結構表達方式實現了大壩三維幾何實體模型在OpenGL場景中的重構，并根據一定的坐標變換流程實現世界坐標系（World Coordinate System，WCS）下的三維大壩模型顯示在二維Windows屏幕上。

3.2.1初始實體模型到TEN結構的轉換

曲面三角網格劃分方法對復雜的幾何形狀具有很強的適用能力，其劃分結果也是TEN結構三角面的邊界輸入數據。在可視化系統(tǒng)開發(fā)中，一般需要借助第三方軟件（如Hypermesh）實現對初始模型的曲面三角網格劃分，IFC Engine DLL插件不僅能解析IFC文件中模型的幾何表達信息和描述方式，還提供了將解析出的模型信息轉化為三角網格的圖形接口［10］，其轉換信息可直接供TEN結構使用，無需借助第三方軟件。圖3為利用TEN結構表達方式重新生成的大壩三維幾何實體模型。

圖3　大壩模型重建

圖4　三維幾何模型屏幕顯示流程

3.2.2大壩模型顯示流程

利用TEN結構在OpenGL場景中重建的三維大壩模型是處于世界坐標系下的，需要采取一定的坐標轉換過程，實現模型在二維Windows屏幕上的顯示［11］。具體轉換流程見圖4。

（1）由IFC Engine DLL插件將大壩模型IFC文件解析成一系列的三角形網格點數據集合，并由點的屬性實體IfcCartesianPoint獲取其在WCS中對應的X、Y、Z坐標。

（2）視圖變換。OpenGL的成像原理類似于相機拍照，而視圖變換相當于把相機固定在指定位置并使它對準三維場景。Tao框架提供的 API函數gluLookAt（GLdouble eyex、GLdouble eyey、GLdouble eyez、GLdouble centerx，GLdouble centery、GLdouble centerz、GLdouble upx、GLdouble upy和 GLdouble upz）用來實現OpenGL場景下的視圖變換。

（3）模型變換。通過縮放函數glScalef（）、平移函數glTranslatef（）以及旋轉函數glRotatef（）三者之間的相互組合，完成對模型的一系列變換控制。

（4）投影變換。投影變換決定著哪些點會出現在視野之內以及如何被投影到Windows屏幕上。Tao框架提供的glFrustum（）函數和gluPerspective（）函數可以實現透視投影，glOrtho（）函數則用來指定正射投影。

（5）視口變換。通過視口變換函數 glViewPort （Glintx、Glinty、GLsizei width和GLsizei height）確定三維場景在Windows屏幕上所占據的區(qū)域。

（6）計算屏幕顯示輸出。首先需要調用gluProject（）函數將OpenGL世界坐標轉換為視景體坐標；其次利用特定的數量關系將視景體坐標轉化為屏幕坐標，從而實現OpenGL三維環(huán)境下的模型顯示在二維Windows屏幕中。

3.3“三維幾何模型-進度-成本”動態(tài)映射算法

在可視化環(huán)境中，施工進度到大壩幾何模型的映射就是根據當前大壩施工狀態(tài)來控制實體單元的重構和消隱［12］（即設置 render屬性為 False，使其變?yōu)橥该鳡顟B(tài)）。同時，基于工程定額規(guī)范以及WBS節(jié)點關聯原則，實現成本信息的可視化顯示。

3.3.1施工進度狀態(tài)與大壩三維模型的動態(tài)映射

大壩壩體單元工程（大壩WBS節(jié)點）主要依據施工壩段和常用施工澆筑層厚度的公約數進行分段和分層劃分［13］。在大壩施工策劃階段以及建設階段，壩體單元工程應錄入相應的計劃開工日期、計劃結束日期、實際開工日期、實際結束日期、日澆筑量等工程信息。根據當前給定的施工時間可將任一壩體單元工程分為尚未施工、正在施工、施工結束3種施工狀態(tài)。設在t時刻第i項壩體單元工程ai的施工進度狀態(tài)為mit，則

若整個大壩共計有n項壩體單元工程，則在t時刻，大壩整體施工狀態(tài)的進度向量Mt可以表示為

若mit=-1，則將該壩體單元工程設置為透明狀態(tài)；若mit=0，則將該壩體單元工程尚未澆筑完成的部分標記為透明，完成部分不作處理；若mit= 1，則對該壩體單元工程不做任何處理。大壩閘墩澆筑進度可視化示意見圖5。

圖5　大壩閘墩澆筑進度可視化示意

3.3.2施工成本信息與大壩三維模型的動態(tài)映射

施工成本信息與模型的映射是直接的。由大壩5D模型邏輯結構可知，根據構件幾何信息可以對壩體單元工程完成工程量統(tǒng)計，通過目前已完善的國家和不同地區(qū)以及企業(yè)自主制定的概預算定額［14］、WBS節(jié)點的施工進度信息和支付信息完成不同施工階段的工程預算成本以及實際成本的分析，從而實現構件的三維模型、進度狀態(tài)與相應成本信息之間的關聯，達到對工程成本可視化控制的目的。

4　系統(tǒng)開發(fā)與工程應用

根據上述建立大壩5D模型的方法及技術路線，以IFC Engine DLL插件作為IFC文件的解析工具、OpenGL為三維圖形顯示引擎、SQL Server 2008為數據庫平臺，結合我國西南地區(qū)某在建碾壓混凝土重力壩工程，在C#.NET編程環(huán)境下開發(fā)出大壩施工期5D進度成本信息動態(tài)可視化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設計架構見圖6。系統(tǒng)主界面見圖7。實現5號壩段澆筑3單元的碾壓混凝土幾何構件（工程量清單對應項目）與大壩WBS節(jié)點（最低級別）之間相互關聯（簡稱清單關聯）的系統(tǒng)界面見圖8。基于實體三維參數化模型和相應定額規(guī)范實現大壩右岸溢流壩段工程量清單自動統(tǒng)計的系統(tǒng)界面見圖9。對大壩工程自2014年6月15日～2015年8月5日進行5D施工模擬，圖10是模擬分析結果的系統(tǒng)界面。

圖6　系統(tǒng)整體設計架構

圖7　系統(tǒng)主界面

圖8　清單關聯操作界面

5　結論

本文提出了大壩5D模型的研究思路以及建立機制，并基于OpenGL可視化圖形引擎開發(fā)框架，構建了大壩施工期5D進度成本信息動態(tài)可視化管理系統(tǒng)。應用表明，該系統(tǒng)能夠實現對大壩5D信息的三維動態(tài)繪制、交互式查詢以及動態(tài)模擬等智能化操作，可全面掌握大壩施工進度與成本控制的綜合進展情況，有助于提高項目管理水平。

圖9　工程量清單自動統(tǒng)計

圖10　5D模擬分析結果

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（責任編輯楊健）

Study and Application of 5D Schedule and Cost Information Model of Dam Based on IFC Standard during Construction

QIU Shichao，ZHANG Sherong，PAN Fei，WANG Chao
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

By introducing 5D technique and Industry Foundation Classes（IFC）standard，the establishment method and implementation process of 5D schedule and cost information model based on IFC standard during dam construction are proposed.Some key techniques such as the establishment of multidimensional information model，the expression of IFC standard to information model and the visualization of information model are focused，and finally a dynamic visualization management system of 5D schedule and cost information during construction is developed with C#.NET and OpenGL graphic engine.Taking a dam under construction for example，the three-dimensional dam model，construction schedule and cost information are organically combined with construction resources through the Work Breakdown Structure（WBS）and the coupled visualization is dynamically displayed to meet engineers'demands for real-time dynamic monitoring of construction progress，resources and schedule information in the period of dam construction.

damproject；periodofconstruction；5Dtechnique；scheduleandcostinformationmodel；IFC standard；visualization

TV511；TP391.9

A

0559-9342（2016）02-0054-06

2015-10-16

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金（51321065）；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃（13JCYBJC19400）；河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放基金（2014491211）

邱世超（1991—），男，山東德州人，碩士研究生，研究方向為水工結構；張社榮（通訊作者）.