建設項目成本信息的IFC表達模型

劉 欣， 趙慶華

(1. 揚州大學 建筑科學與工程學院， 江蘇 揚州 225127； 2. 東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211189)

傳統的計價計量方法，對于現有的成本管理模式已經難以滿足其多元化、多樣化、復雜化的要求。盡管出現了大量先進的信息管理手段，但由于各系統、各利益相關方、各階段之間的數據格式異構，導致數據不斷地重復輸入、信息共享與重用受到阻礙，使得成本信息趨于靜態，極易導致成本管理失控。因此，在建設項目施工過程中，如何科學合理的對資源、環境、物料配送等方面進行優化配置，縮短工期，降低成本投資，進一步提高工程質量已經成為各利益相關者共同關注的話題。

作為設施的物理和功能特征的數字表示，建筑信息模型(Building Information Model，BIM)包含豐富的產品信息，這些信息通常作為參數化建筑對象屬性嵌入到BIM中，在項目不同利益相關者之間進行信息流轉。此外，一些對建筑從業人員至關重要的信息，如建筑對象之間的拓撲關系，仍隱含在BIM設計模型中，但由于領域語義缺失使得工程信息提取仍面臨挑戰。雖然IFC(Industry Foundation Classes)標準對建筑數據實體之間語義數據關系進行了定義[1]，使得不同階段建筑數據的生成與管理都可以連接到IFC數據實體中，并可以鏈接到外部異構數據中，例如施工活動材料規范或實際成本。因此，作為一種集成對象數據模型，IFC對全生命周期中建筑物元素可進行系統的、有效的語義管理。然而，雖然IFC文件可以在不同的BIM軟件之間傳遞，但總存在一些數據不能交換，或者IFC本身存在所定義信息不全等問題。

針對IFC標準的數據交換與共享問題，國內外學者已經進行了許多相關研究。如Ramaji等[2]提出基于LOD(Level of Details)的使用開放信息建模標準的成本估算框架，從早期階段實現基于BIM的成本估算。Kim等[3]通過對現有BIM設施管理研究發現運維階段設施信息很難訪問與使用，建立BIM與設施管理信息的語義關聯可以有效提高信息使用效率。邱世超等[4]針對大壩施工提出5D進度成本信息模型，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。為促進不同專業與部門的信息共享與協作提供支持，滿慶鵬等[5]建立了基于IFC的施工統一信息模型。賴華輝等[6]針對在建筑項目BIM應用數據交互效率低下問題，提出基于IFC標準的數據共享與交換方法，為解決數據交互問題提供解決途徑。在預制構件數據需求分析的基礎上，高秋亞等[7]提出基于IFC的預制構件信息模型，以提高數據信息管理與協同工作效率為目的。針對BIM軟件在鋼筋參數缺失問題，陳紅倫等[8]研究基于IFC標準的鋼筋模型幾何表達方式解析及參數化自動生成算法，以便鋼筋幾何信息在IFC標準中正確表達。其中，馬智亮等[9]提出利用現行成本預算標準以及IFC標準，提出包含7個方面信息的成本預算信息需求模型，但對于某些細節描述不夠清晰。上述研究雖然在一定程度上彌補了IFC信息交換的缺失，但是針對基于IFC的建設項目成本信息的交互與共享研究較少。

本文在此基礎上通過對IFC標準的研究，綜合利用IFC框架、成本管理規范、信息編碼體系等建立基于IFC的建設產品成本信息模型，旨在為建設項目施工過程提供有效的信息管理與共享方法。

1 信息需求

1.1 IFC標準

IFC是由國際協同聯盟(International Alliance for Interoperability，IAI)提出的開放建筑產品數據表達和數據交換的國際標準，作為軟件信息交換與共享的基礎，是貫穿于整個建筑項目生命周期內產品數據交換的中性機制，對于建筑業各系統之間的數據交換與管理可提供有效支持。不同于傳統的建筑信息表達模式，IFC中包含豐富完整的數據信息，例如產品、資源、場地、幾何、空間位置等相關信息，可有效將二維模型轉換為三維可視化信息模型。本研究采用IFC4 ADD2版本進行分析。

1.2 成本信息需求分析

目前隨著BIM技術的發展，應用于成本管理的信息集成發展已經達到了一定階段，但針對成本階段的相關表述并不充分。在此基礎上，本文提出建設項目的IFC成本信息表達模型，為完善成本管理過程中的有效信息管理提供支持。在建筑信息分析的基礎上，本文將涉及的相關信息進行統一劃分，包括產品、分部分項、成本項目、工程量、資源、價格以及進度等相關信息。其中，價格信息在表達過程中與成本項目信息在某種程度上存在一定重疊，因此將價格信息納入到成本項目信息中，作為一個子模型進行分析。

2 成本信息表達和關系分析

2.1 整體框架

成本管理貫穿建設工程項目始終，最終以實現建筑工程預算為根本。基于IFC標準的成本信息模型研究需要將建設工程各個階段的相關信息按照IFC框架體系轉化為生產階段的成本信息。針對施工過程的成本信息模型來說，由于成本管理過程中涉及模塊較多，信息需求較大，因此本文提出的成本信息需求模型的主要模塊包括建筑產品信息、分部分項信息、成本項目信息、工程量信息、資源信息、進度信息，上述各個模塊之間相互關聯，且具有不同的特性，進而建立成本信息需求模型，如圖1所示。

圖1 建筑成本信息需求模型

2.2 基于IFC標準的建筑產品信息表達

建筑業成本管理依托于各個子模塊信息進行表達，參照GB 50500-2013《建設工程工程量清單計價規范》、《江蘇省建筑與裝飾工程計價定額》等將建筑產品信息定義為“建筑產品類(Construction Product)”“產品特征類(Product Feature)”“清單項目類(Cost Item)”，并分別根據屬性特征進行分類。由于IFC標準中缺少針對產品信息的實體描述，本文擬通過增加IFC實體來實現類型的拓展，進而豐富建筑產品成本信息。

為了契合我國特色的成本管理以及IFC表達架構，按照IFC標準，實體IfcProduct用來表達產品信息，IfcObjectPlacement用來記錄空間中產品的位置，IfcProductRepresentation用來表示產品的形體(特征)。通過IfcRelAssignsToProduct關系的引入，可以定義與產品有關的其他產品、過程、控制、資源或者參與方等信息。拓展信息則采用拓展實體IfcProxy進行描述，將缺少的信息包裝成對象定義在其子類，但在這個定義過程中，容易造成信息層次不清、意義不明確等問題出現。因此，采用擴展機制對其進行建筑產品定義，其中擴展實體IfcProdcutSegment直接繼承于實體IfcProduct。建筑產品信息模型如圖2所示，其中IfcProduct派生出的構件實體IfcProdcutSegment和建筑產品特征IfcFeatureElement相關聯，即利用產品的施工工藝特征、材料特征、幾何特征等對建筑產品實體進行定義，并引用結合生成的個體信息描述清單項目的特征，例如帶形基礎特征描述中包含有建筑產品的材料特征自拌混凝土。另外，清單項目的編碼需引用分部分項信息模塊，用于項目編碼的定義。

圖2 建筑產品信息模型

2.3 基于IFC標準的分部分項信息表達

依照國標清單規范GB 50500-2013《工程量清單計價規范》中的建筑產品進行分類，可劃分為單項工程(Monomial Project)、單位工程(Unit Project)、分部工程(Subsection Project)、分項工程(Subentry Project)四個層次表示語義屬性，其關系如圖3所示。從圖中可以看出，GB 50500-2013具有較好的工程項目層次結構分類，其類別屬性也較清晰。

圖3 分部分項工程

IFC標準中的派生實體IfcElementType可對建筑產品從幾何層面進行定義，同時IFC標準的屬性定義不是單一概念，而是由多邏輯關系和直接關系所構成的屬性集合，利用自定義屬性集實體IfcPropertySet進行表達，對于單個未定義屬性則采用抽象實體IfcProperty進行定義，該抽象實體可派生出單一屬性實體IfcSingleProperty和復合屬性實體IfcComplexProperty。但是該預定義較為簡單，不能滿足分部分項劃分的復雜程度，需要根據分部分項信息特點對其進行擴展和補充。

本文引用IFC中實體IfcClassification進行拓展，該實體作為IfcExternalReferenceResource的子類，可提供從外部來源獲取或使用信息的方法，因此該實體是具有共同目標或共同特征的對象作為一類或者類別，可以用來對以外部標準為參照時的分部分項信息進行表達，如圖4所示。其中，Source用來表示該IfcClassification來源，Edition用來表示分類系統的版本，ClassificationForObjects表示應用于對象的分類；在定義模型對象屬性時可通過IFC屬性實體IfcRelationship的子類IfcRelAssociatesClassification建立模型與分類標準IfcClassificationReference之間的關聯關系。

圖4 分部分項信息模型

定義拓展實體IfcClassificationItem，用來表示分類系統中的類別(項)，不同的分類項之間的層次結構均定義在該類別下，通過對分類系統中類別層次信息的獲取可將IfcClassificationItem進行逐層分解，其中Contains表示包含的分類項。當IfcRelAssociatesClassification屬性為“Product”時表示建筑產品，其相關實例對幾何數據進行定義。而拓展關系實體IfcClassificaitonItemRelationship則用來對拓展實體進行屬性定義。

2.4 基于IFC標準的工程資源信息表達

在整個工程建設過程中，工程資源信息是對包括勞動力、物料、設備以及其他所需相關資源信息的組織與表達。IFC中將資源定義為“某一事物作為生產角色而加以利用”，不僅限于事物本身，也就是說IfcResource可以對基本信息進行表達，若要進行信息補充，則要通過該實體與其他實體進行關聯表示實現。

本文在此基礎上，通過對實體IfcResource及其派生實體IfcConstructionResource完成對資源信息的描述。其中IfcResource包含使用某種產品或物品所需的成本、進度和其他所需的信息，IfcConstructionResource則特指建筑工程中所使用的各種資源的抽象概括，包括建筑工程中的勞動力、材料、設備和產品資源，以及分包資源和人員資源的集合，也就是說IfcResource是對生產中所使用資源的表述，而IfcConstructionResource用于表示資源抽象定義。實體IfcRelAssignsToResource用來關聯IfcResource與其它對象(如產品、流程、控件、資源或參與者)建立聯系，IfcConstructionResource利用RelatedObjects引用項目中所使用的各種資源，從而實現對工程資源的分配。例如通過關系實體IfcRelAssignsToResource建立與實體IfcProduct和IfcActor聯系，表示對人員和產品的安排。

研究利用IFC中的派生實體IfcLaborResource，IfcCrewResource，IfcConstructionProductResource，IfcConstructionMaterialResource，IfcConstruction EquipmentResource，IfcSubConstractResource分別表示勞動力、員工、產品、材料、設備、分包商。同時屬性BaseCosts表示實體成本的單元基數、有效日期范圍及分類；屬性BaseQuantity表示抽象實體的復雜或簡單基數IfcPhysicalQuantity，用來對數量進一步解釋，如對名字、標簽、信息屬性等的描述；屬性Usage捕獲與建筑資源相關的時間信息。其中，勞動力資源(IfcLaborResource)是執行特定類型施工或管理工作的人員所組成的勞動力；工作人員資源IfcCrewResource則是根據需要分配給組成勞動力的相關人員；分包商資源IfcSubConstractResource即在施工過程中所需要的資源，包括特定任務的分包資源、參與者、投標成本表，以及項目執行情況(如變更等)，該實體利用LongDescription對資源進行描述(例如勞動力資源的技能集)；材料資源IfcConstructionMaterialResource是一個工程項目中所使用的材料資源類型，與實體IfcMaterial不同，該實體主要是表示物理材料，并在BaseQuantity的基礎上定義對資源數量Resource Quantity進行定義，利用屬性BaseQuantityConsumed和BaseQuantityProduced對材料消耗與產出情況進行表示，并通過關系實體IfcRelAssignsToResource建立IfcActor和IfcProduct的聯系；產品資源IfcConstructionProductResource主要是輔助施工過程的產品，也就是施工過程中所產生的進一步使用的產品。例如，模板可以實例化為“構造模板”過程的產品，但模板在“混凝土澆筑”過程中要作為資源進行消耗；設備資源IfcConstructionEquipmentResource即輔助施工過程的設備資源。工程資源信息模型如圖5所示。

圖5 工程資源信息模型

2.5 基于IFC標準的工程量信息表達

工程量信息模型主要研究在整個施工過程中相關工程量信息的組織與表達，主要是通過提取IFC數據文件中的幾何數據，利用工程量計算規則，完成工程量計算[10]。IFC標準中的工程量信息表達主要利用實體IfcPhysicalQuantity進行表示，該實體包括復雜IfcPhysicalComplexQuantity或簡單IfcPhysicalSimpleQuantity的度量。其中，實體IfcPhysicalComplexQuantity是一組可以對元素進行定義的單一度量值，利用屬性Discrimination進行物理復雜特性的鑒別，如區分“Layer(層)”和“Steel bar diameter(鋼筋直徑)”等；屬性Quality是在復雜物理量情況下對于數量質量的附加表示；屬性Usage則是在復雜物理量情況下對于數量使用類型的附加指示。實體IfcPhysicalSimpleQuantity則是對單個數量度量值定義，主要使用派生實體IfcQuantityLength(長度)、IfcQuantityArea(面積)、體積(IfcQuantityVolume)、IfcQuantityCount(數量)、IfcQuantityWeight(重量)、IfcQuantityTime(時間)進行度量，并根據對有效信息的提取可派生出數據清單，用于其特征屬性的表達。基于IFC標準的工程量信息模型如圖6所示。工程量信息主要針對建筑產品信息的調動，同時利用建筑產品構件間映射的屬性關系來確定計算規則進而確定量的增加，通過對項目各構件工程量累計得出總工程量。

圖6 工程量信息模型

2.6 基于IFC標準的工程成本項目信息表達

成本項目信息主要是對整個建設過程中所產生的相關成本信息的表達與組織，包括資源、工程量、價格、成本和進度等相關信息。涉及具體數字化的成本信息在IFC中可進行表述，如人工費、材料費、運輸費等。按照IFC標準，利用實體IfcControl及其派生實體IfcCostSchedule，IfcCostItem等對成本信息進行描述，并利用關系實體IfcRelAssignsToControl建立成本項實體IfcCostItem與成本進度實體IfcCostSchedule一對多關系，進而實現對整個成本的控制。實體IfcCostItem描述成本或財務價值信息，用于表示商品和服務的成本、按流程工作的執行情況、全生命周期成本等。其中，利用關系實體IfcRelNests可以實現不同成本項目組成表示；利用CostQuantities表示同一類型項目的成本總和，CostVaule表示項目的成本值；利用Components或者ComponentOfTotal表示成本值之間的關聯。實體IfcCostSchedule是為了確定純粹的成本信息(如建筑成本估計)或某種形式(如工作訂單)下的成本信息所匯聚的IfcCostItem實例。其中，利用SubmittedOn，UpdataData分別表示成本進度的提交與更新日期，同時利用選擇類型IfcDataTime對SubmittedOn，UpdataData進行定義表示，利用String表示成本計劃的當前狀態Status，其中的成本進度狀態值包括PLANNED(計劃)、AGREED(商定)、APPROVED(認可)、ISSUED(發布)、STARTED(啟動)。

另外， PredefinedType分別對成本項目或進度的類型進行表示，依據IFC標準，分別采用該類型屬性的枚舉類型IfcCostItemTypeEnum，IfcCostScheduleTypeEnum進行定義，即可以指定成本項目/進度的預定義類型。成本信息模型如圖7所示。

圖7 成本項信息模型

2.7 基于IFC標準的工程進度信息表達

進度信息主要是對整個建設過程中所涉及進度信息的組織與表達，通過進度信息可以將時間參數賦予施工任務或施工計劃生成。IFC標準的進度中涉及施工過程、施工計劃、施工任務以及施工時間等。其中，IFC中有兩類實體用以描述施工過程：IfcProcess和IfcTask。IfcProcess表示在時間上有序的單獨活動或事件，IfcTask作為IfcProcess的子類，用來描述具體施工過程，如產品的施工與安裝活動。IfcWorkPlan表示施工或設施管理中的工作計劃，IfcWorkSchedule表示工作計劃的任務調度，反過來可以包含一組不同目的的進度信息。上述實體對諸如施工工藝、時間、工期等信息均可進行描述。

不同的IfcTask實例構成了不同的施工計劃，IFC中利用IfcWorkPlan表示施工計劃，通過關系實體IfcRelAssignsToControl建立與IfcTask的一對多關系。同時依據不同的項目目的與需求，IfcTask可組成不同的IfcWorkPlan實例，如某一工序中成本信息與計劃相關聯形成項目層成本計劃，其中進度與工期信息形成項目層進度計劃，也可以將工序進行分解形成詳細的施工計劃等。

同時，施工任務IfcTask或者施工計劃IfcWorkPlan利用時間參數生成施工進度信息，IFC標準中的進度信息利用實體IfcWorkSchedule的實例進行描述，該實體作為IfcWorkControl子類繼承了屬性諸如開始時間StartTime、結束時間FinishTime、創建時間CreationTime、持續時間Duration等，這些都可與IfcTask實例利用IfcRelAssignsToControl進行關聯來表示所有施工任務的進度和工期信息。同一施工任務的所有IfcWorkSchedule實例利用關系實體IfcRelAggregates關聯到相應的IfcWorkPlan。利用IfcWorkCalendar可以為任務IfcTask和資源IfcResource定義工作和非工作時間，同時可以對特定時間段以及重復時間段進行定義。因此，相互關聯的IfcWorkSchedule，IfcWorkPlan，IfcWorkCalendar就形成了包含項目施工進度計劃的子集。另外，IFC標準把施工順序定義為IfcProcess實例之間利用IfcRelSequence建立相互關系，其中IfcProcess實例之間建立了前后工序之間的關系，并且定義了施工間歇和施工次序。因此，工程進度信息表達如圖8所示。

圖8 工程進度信息模型

2.8 基于IFC標準的建筑產品成本信息模型

在上述研究基礎上，按照IFC標準將其整合建立統一信息模型，包括項目成本模型、產品信息模型、進度信息模型、工程量信息模型、資源信息模型、分部分項信息模型。其中，實體IfcCostSchedule和實體IfcCostItem表示成本信息、實體IfcProduct表示產品信息，實體IfcProcess表示進度信息，實體IfcResource表示資源信息，實體IfcExternalClassification表示引入的外部分類標準，實體IfcPhysicalQuantity表示工程量信息，以上各模型中的信息均采用相應的關系實體將其聯系起來。建立的建筑成本信息模型如圖9所示。

圖9 基于IFC標準的建設項目成本信息表達

通過關系實體IfcRelToProcess建立實體IfcProduct和IfcProcess之間的一對多關系，表示發生在建筑施工過程中與產品設計、成本核算、建造、運營等任務或程序之間的關系。關系實體IfcRelAssignsToControl建立IfcProduct和IfcControl的聯系，表示不同建筑產品在生產過程中所需產生的成本。關系實體IfcRelAssignsToResource建立實體IfcProduct(IfcProcess)與IfcResource之間的相互關系，從而表示產品(生產過程)與資源消耗之間的聯系。關系實體IfcRelAssociatesClassification將實體IfcClassification與IfcCostItem建立關系，其中作為IfcObject子類的IfcCostItem允許利用該關系實體建立與IfcClassficationReference之間一對多的關系。對象實體IfcRelDefinesByProperties建立實體IfcElementQuantity與IfcObject的關系，從而表示對象中一組元素與其物理屬性的派生度量關系。關系實體IfcExternalRefereceRelationship建立實體IfcPhysicalQuantity與IfcExternalReference的聯系，表示工程量中與數量有關的外部參考資料之間的關系。另外成本信息模型中，實體IfcCostSchedule和IfcCostItem利用關系實體IfcRelAssignsToControl建立關系，以此表示在施工過程中成本進度與項目之間的關系。進度信息模型中，利用關系實體IfcRelAssignsToControl將實體IfcTask與IfcWorkControl建立聯系，進而表現出滿足產品要求和規定的進度IfcWorkSchedule與計劃IfcWorkPlan之間的關系，從而完成對項目的控制。

3 案例分析

為確保建設項目成本數據存儲的一致性與準確性，在IFC標準的數據結構和存儲形式組織數據基礎上，提出建設項目成本信息模型，實現基于BIM的成本信息有效流轉與共享。本文以疊合樓板Composite Slab為例，基本建模步驟如下：

(1)疊合樓板是由預制板和現澆混凝土層疊合而成的裝配式整體式樓板，根據實際需求建立疊合樓板產品信息，并按照IFC標準，將其產品信息轉換為分部分項信息。由于IFC中對樓板定義集中在標準樓板IfcSlabStandardCase與帶有特定約束的樓板IfcSlabElementCase方面，缺少針對半預制體系的疊合板定義，因此采用產品模型中所定義的擴展實體IfcProductSegment對其進行定義，在IFC中疊合板上定義其為拓展實體IfcCompositeSlabElement。

(2)根據規范結合疊合板工藝流程，按過程信息及工作進度信息進行描述，形成進度信息。疊合板的預制薄板(厚50～80 mm，本工程為60 mm)與上部現澆混凝土層結合成為一個整體，共同進行受力。依據JGJ 1-2014《裝配式混凝土結構技術規程》的相關規定，疊合板的預制板厚度不小于60 mm，后澆混凝土疊合層厚度不應小于60 mm。本文利用IfcWorkSchedule表示工程進度，同時輔以過程信息IfcProcess表示，并通過關系實體IfcRelAggregates，IfcRelAssignsToControl，IfcRelDeclares分別建立有IfcProject，IfcTask等相關關系，同時也間接與所提出的信息模型中其他元素產生聯系。

(3)按照產品在施工過程確定相應所需資源，如人力、物料、設備等。疊合板在生產過程中主要由預制和現澆兩部分組成，不同的施工任務在不同的流程或者場所中對于資源需求不同，例如通常情況下，預制預應力薄板和現澆混凝土層采用不同標號的混凝土。本文采用IfcResource表示資源信息，利用IfcRelAssignsToResource建立與實體IfcTask，IfcComposisteSlabElement的關系。

(4)依照國標清單規范作為外部參考規范，利用關系實體IfcExternalReferenceRelationship建立IfcExternalReference與IfcElementQuantity的關系。

(5)建立對象屬性集。利用不同的對象屬性，如TypeDesignator，ToppingType，EdgeDistanceToFirstAxis等可對構件類型、軸線距離、夾角、厚度等進行定義，進而完成對產品疊合板的描述。

(6)將上述各部分所列信息結合，生成成本信息模型，并將其與疊合板建立關聯。按照IFC標準，文章利用實體IfcCostItem表示成本項，如表1所示，結合關系實體IfcRelAssignsToControl，IfcRelAssignsToProcess，IfcRelAssignsToResource等建立與IfcWorkSchedule，IfcExternalReference，IfcElementQuantity，IfcResource關于IfcCompositeSlabElement的成本信息模型，同時根據疊合板自身特點，利用對象屬性對其屬性集合進行定義。具體的建設項目成本信息模型如圖10所示。

表1 疊合板成本項目信息

圖10 成本信息模型

(7)利用生成的疊合板成本信息模型，從單位成本庫中提取所需成本價格，并根據上述成本項數量IfcElementQuantity進行成本與工程量計算，進而形成工程量清單。

4 結 論

為提高建筑業成本信息建設和管理的水平，促進基于BIM的成本信息管理效率提升，本文通過對當前建設項目成本信息管理的現狀分析，提出了成本管理信息需求，進而提出集于IFC的建設項目成本信息模型。主要結論如下：

(1)本文提出的成本信息模型包含進度、資源、產品、成本項目、分部分項、工程量等信息模型。

(2)以IFC標準為基礎，分別對上述需求模型進行分析，從而建立信息模型架構，并對其相互關系進行了分析。其中，對于IFC中信息缺失也添加相應的信息進行補充，可以在不依賴外部平臺與設備的前提下，通過實體、關系實體、對象實體等建立不同信息之間的關聯，實現BIM環境中信息的交流與轉換，對于提高協同工作效率具有一定意義。

(3)以疊合板為例，對于成本信息需求模型的分析做了說明，并對需求信息、屬性等進行了分析，表明模型的提出對于實際信息管理有效。