一種基于IFC的地形模型共享方法

牛作鵬，李國杰

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

BIM(building information modeling，建筑信息模型)是一個含有屬性信息的三維或N維建筑模型，其目的是使項目各參建方都可以在三維或N維建筑模型中獲取、編輯、操作模型信息，從而在全壽命周期內(nèi)實現(xiàn)模型信息傳遞與共享，降低風(fēng)險和錯誤，提升協(xié)作效率。BIM技術(shù)作為一種革命性的技術(shù)，它代表著建筑工程行業(yè)信息化發(fā)展的方向[1]。

BIM技術(shù)的應(yīng)用已貫穿設(shè)計、施工到運維的全壽命周期過程，但BIM技術(shù)在測繪領(lǐng)域方面的研究和使用不多。鄧江鋒[2]基于某運動場及訪客中心項目，探索了BIM技術(shù)在土石方測量中的應(yīng)用；楊田[3]基于傾斜攝影建立真三維模型的關(guān)鍵技術(shù),以實例研究BIM技術(shù)在建筑設(shè)計階段的應(yīng)用,探索了傾斜攝影測量與BIM技術(shù)的有效結(jié)合；周薇[4]研究了BIM技術(shù)在測量各領(lǐng)域的應(yīng)用,分析各種應(yīng)用的優(yōu)勢和存在的問題。

測繪數(shù)據(jù)作為水運工程信息模型基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，已貫穿設(shè)計、施工到運維的全壽命周期過程，但一個完整的建筑項目具有多部門、多專業(yè)，各部門、各專業(yè)分工不同必然導(dǎo)致使用不同的BIM工作軟件，但不同的BIM工作軟件存在不同的數(shù)據(jù)文件格式，使得不同部門、不同專業(yè)應(yīng)用BIM過程中存在模型信息傳遞及共享效率低的問題。本文以東營某港區(qū)一液體散貨泊位工程為例，研究基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的地形模型通過IFC實現(xiàn)共享的方法，為解決BIM設(shè)計過程中的地形模型共享存在的屬性信息丟失問題提供一條有效的解決途徑。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)及擴(kuò)展機(jī)制

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

IFC(industry foundation class，工業(yè)基礎(chǔ)類)標(biāo)準(zhǔn)是一種開放的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換和表達(dá)的國際標(biāo)準(zhǔn),具有較強(qiáng)的描述能力,通過基于對象的描述方式來表達(dá)較為復(fù)雜的建筑對象信息,滿足不同BIM應(yīng)用系統(tǒng)之間在橫向上的模型信息數(shù)據(jù)交換,解決建筑物全壽命周期在縱向上的數(shù)據(jù)管理,IFC標(biāo)準(zhǔn)于1997年發(fā)布第1個版本,目前已有6個較大版本的更替,IFC標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)正式成為ISO標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)號為ISO16739:2013),IFC4Add2是最新的版本號[5]。雖然IFC標(biāo)準(zhǔn)源于建筑領(lǐng)域，并不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換內(nèi)容和適用性的擴(kuò)充和完善，但還不能完全覆蓋所有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域范圍，因此行業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者正在對IFC標(biāo)準(zhǔn)開展基于其整體框架的領(lǐng)域擴(kuò)展研究。

1.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)包含領(lǐng)域?qū)?domainlayer)、共享層(sharedlayer)、核心層(corelayer)和資源層(resourcelayer)，見圖1。領(lǐng)域?qū)佣x某一領(lǐng)域資源實體或?qū)佼a(chǎn)品及過程，目的是實現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)部信息傳遞和共享；共享層定義多個領(lǐng)域共用的資源實體或?qū)佼a(chǎn)品及過程，目的是實現(xiàn)領(lǐng)域間信息傳遞和共享；核心層定義最常用實體和IFC核心架構(gòu)及核心擴(kuò)展架構(gòu)；資源層定義IFC基本資源，如幾何、屬性、材料、成本、數(shù)量等。

圖1 IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)

1.3 IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展機(jī)制

由于IFC標(biāo)準(zhǔn)所定義的實體類型尚未覆蓋所有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域范圍，因此，IFC標(biāo)準(zhǔn)提供了新增實體定義擴(kuò)展和屬性集擴(kuò)展兩種擴(kuò)展機(jī)制[6]，以滿足對其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域?qū)嶓w定義的需求。

1)新增實體定義擴(kuò)展方式。新增實體定義擴(kuò)展方式主要用于IFC標(biāo)準(zhǔn)版本更迭，它是基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在繼承關(guān)系，對現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充和更新，以增添新的實體定義，進(jìn)而建立新的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，達(dá)到解決新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的信息表達(dá)和信息交換問題。

2)屬性集擴(kuò)展方式。屬性集擴(kuò)展方式是通過自定義屬性集(user-defined PSETs)進(jìn)行擴(kuò)展，見圖2。通過IFC標(biāo)準(zhǔn)核心層的IfcBuildingElementProxy實體和自定義屬性集，共同描述所需表達(dá)的實體和屬性信息。IfcBuildingElementProxy繼承于IfcObject，用PredefinedType屬性表示擴(kuò)展實體的類型，其枚舉值包含PARTIAL、COMPLEX、ELEMENT、NOTDEFINED、USERDEFINED等。

圖2 IFC數(shù)據(jù)模型與自定義屬性集的關(guān)系

2 地形模型創(chuàng)建及共享

2.1 基于Civil 3D的地形模型創(chuàng)建

在測繪工作中，地形模型又稱數(shù)字高程模型，即在一個區(qū)域范圍內(nèi)，通過密集的地形模型點的坐標(biāo)來表達(dá)地面高低起伏的形態(tài)。地形模型點可以是隨機(jī)分布的，也可以是規(guī)則分布的。而在BIM設(shè)計軟件Civil 3D 中，數(shù)字地形模型又被稱為“曲面”[7],Civil 3D可通過任何一種測量源數(shù)據(jù)(點數(shù)據(jù)、等高線、特征線、二維地形圖DWG數(shù)據(jù)、DEM文件和LandXML文件等)生成曲面，也可以混合使用多種測量源數(shù)據(jù)，只要把這些測量源數(shù)據(jù)逐一添加至所創(chuàng)建曲面的定義目錄下即可。

圖3 地形模型創(chuàng)建技術(shù)路線

2.2 地形模型的屬性集定義

屬性信息是物理及功能特征的載體，也是信息模型的重要組成部分。從過程角度看，信息模型的創(chuàng)建就是以建筑模型作為信息載體，將屬性信息集成到幾何模型的過程，本文以Civil 3D創(chuàng)建的地形模型作為信息交換的載體。而對于地形模型屬性集的定義，可基于Civil 3D自有功能實現(xiàn)，通過“管理”“定義特性集”對地形模型進(jìn)行設(shè)置。參照中國交通建設(shè)股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CCCC SY302—2019《水運工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》對測量專業(yè)模型信息細(xì)度的要求，分別設(shè)置“非幾何信息”和“幾何信息”兩個子類特性集[8]，按照《水運工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》再對兩個子類特性集進(jìn)行屬性內(nèi)容設(shè)置。見表1。

表1 測量專業(yè)模型信息細(xì)度

2.3 地形模型共享

1)專用中間文件格式。專用中間文件格式是一個由軟件廠商研制并公開發(fā)行，旨在實現(xiàn)其他廠商軟件與該廠商軟件之間的數(shù)據(jù)交換，最常見的專用中間格式是Autodesk公司開發(fā)的DXF格式。由于專用中間文件格式具有廠商的特殊要求，因此它們的完整性相對較差，比如專用中間文件格式在傳遞模型的屬性信息時存在信息丟失的情況。

2)公共數(shù)據(jù)模型格式。目前，最常見的公共數(shù)據(jù)模型格式是基于三維數(shù)據(jù)表達(dá)的IFC，它能夠描述幾何形狀、構(gòu)件屬性等。公共數(shù)據(jù)模型格式能有效地將構(gòu)件幾何信息和構(gòu)件屬性關(guān)聯(lián)起來，貫穿于建筑項目全壽命周期中，可滿足各個階段的信息傳遞和共享，提高了信息間共享的準(zhǔn)確性和效率。

綜上所述，使用專用中間文件格式的間接共享具有一定局限性，而國際化、開放的公共數(shù)據(jù)模型格式IFC，能夠有效地避免因?qū)Ｓ弥虚g文件格式間接共享產(chǎn)生的局限性。

3 案例分析

本文技術(shù)研究基于東營某港區(qū)一液體散貨泊位工程，該工程位于東營某港區(qū)一突堤北側(cè)根部、一港池南側(cè)區(qū)域，工程規(guī)模為建設(shè)2個10萬噸級液體散貨泊位，碼頭岸線長度636 m。地形模型BIM設(shè)計范圍包括液體散貨泊位碼頭結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)水域部分、生產(chǎn)輔助區(qū)域部分建(構(gòu))筑物。

3.1 地形模型創(chuàng)建

使用原始測量點數(shù)據(jù)通過Civil 3D創(chuàng)建的曲面是最為準(zhǔn)確、直接的方式。本項目原始測量數(shù)據(jù)主要為水域部分的測深點數(shù)據(jù)和項目地形圖DWG文件數(shù)據(jù)，對于需要表現(xiàn)局部地區(qū)細(xì)節(jié)特征的地形復(fù)雜區(qū)域，野外采集的離散地形點數(shù)據(jù)不足以表達(dá)地形高低起伏真實現(xiàn)狀，采用集成二維地形圖DWG數(shù)據(jù)中的等高線及手繪特征點、特征線等方式進(jìn)行重點區(qū)域細(xì)化，生成反映項目地表形態(tài)的地形模型，見圖4。

圖4 基于Civil 3D創(chuàng)建的地形模型

3.2 屬性集定義

基于Civil 3D自有功能，并參照Q/CCCC SY302—2019《水運工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，實現(xiàn)對地形模型屬性集的細(xì)度定義。具體設(shè)置流程如下：選擇Civil 3D“管理”選項卡中的“特性集數(shù)據(jù)”面板；進(jìn)入“定義特性集”中“樣式管理器”對話框，新建一個“特性集定義”；參照標(biāo)準(zhǔn)要求命名特性集為“非幾何信息(地形)”，并設(shè)置特性集應(yīng)用對象為“三角網(wǎng)曲面”和“實體(三維)”。同樣設(shè)置流程完成“幾何信息(地形)”屬性集的設(shè)置。見圖5。

圖5 地形模型屬性集

3.3 地形模型共享

現(xiàn)階段，設(shè)計人員主要通過Revit完成建筑物的BIM設(shè)計，并基于Revit自有“鏈接CAD”功能，通過Autodesk公司開發(fā)的專用中間文件格式DXF實現(xiàn)地形模型跨平臺共享，以集成地形模型和建筑物模型，專用中間文件格式DXF的完整性相對較差，地形模型跨平臺共享會出現(xiàn)地形模型屬性信息丟失的問題。如圖6所示，基于Civil 3D創(chuàng)建的地形模型以專用中間文件格式DXF導(dǎo)入Revit中后，地形模型屬性信息丟失。

圖6 基于DXF格式的地形模型共享

基于以上情況，本文考慮采用公共數(shù)據(jù)模型格式IFC進(jìn)行地形模型跨平臺共享，如圖7所示，將Civil 3D創(chuàng)建的地形模型，以IFC格式導(dǎo)入Revit中實現(xiàn)跨平臺共享，未出現(xiàn)專用中間文件格式DXF共享時模型屬性信息丟失的情況，保留了屬性信息的完整性，提高了信息間傳遞和共享的效率及準(zhǔn)確性。

圖7 基于IFC的地形模型共享

4 結(jié)語

1)基于Civil 3D完成案例項目地形模型的創(chuàng)建，并參照Q/CCCC SY302—2019《水運工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，完成地形模型屬性集的細(xì)度定義，實現(xiàn)地形模型與屬性信息的有效關(guān)聯(lián)。

2)基于IFC的地形模型數(shù)據(jù)共享技術(shù)路線，實現(xiàn)了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的地形模型在不同軟件間信息的準(zhǔn)確、高效地跨平臺傳遞和共享，避免地形模型屬性信息丟失，保留了屬性信息的完整性，提高模型信息互用效率。