基于IFC標準的預制構件生產信息模型研究

高秋亞，高新聞

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基于IFC標準的預制構件生產信息模型研究

高秋亞1,2，高新聞1,3

(1. 上海大學上海城建建筑產業化研究中心，上海 200072；2. 上海大學土木工程系，上海 200072；3. 上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

在研究近幾年迅速發展的BIM主流標準——IFC標準的基礎上，根據預制構件的數據信息共享需求，對預制構件的生產信息組織與表達方式進行了研究。按照IFC標準，將預制構件在生產階段的信息統一劃分為產品信息、過程信息、資源信息、成本信息和場地信息，并建立了基于IFC標準的預制構件生產信息模型。最后，給出了應用預制構件生產信息模型的具體實例，研究結果表明，該生產信息模型能有效的提高數據信息的管理，提高協同工作效率。

IFC標準；預制構件；生產信息；信息模型

近幾年來，基礎設施規模不斷擴大，公共基礎設施預制構件產業應用而生，大量工程構件由現場轉到工廠生產。盡管現在已經有大量先進的信息管理手段，但是由于設計方與生產方所用的軟件之間數據格式異構，導致兩者的數據需不斷地重復輸入，信息共享和協同工作變得難以高效進行。因此，對預制構件生產過程中，合理使用生產資源、科學進行場地布置、縮短工期、降低成本和提高質量已經成為了各參與方的共識。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)通過對工程數據的集成和數字化表達，可以很好地解決上述問題。IFC標準是目前應用最為廣泛、最為成熟的BIM信息交換標準。其提供了一個不依賴于任何具體信息管理系統、適合于計算機處理的建筑數據表示和共享標準，使不同的應用軟件可以通過標準的數據接口，進行數據交換和共享[1]。

與此同時，國內外已有學者對基于IFC標準的數據交換和信息共享進行了相關研究。滿慶鵬和孫成雙[1]基于IFC標準建立了建筑施工信息模型，對其中的過程信息模型、資源信息模型和成本信息模型進行了研究。周雅莉等[2]基于IFC標準建立了隧道工程建筑模型，并對投資、進度、安全等模型之間定義了模型視圖，使其能夠信息共享。林佳瑞和張建平[3]利用IFC標準實現了對不同參與方與應用之間綠色性能分析數據的交換與共享，提高了效率，降低了信息重復建模的成本。胡振中等[4]從技術層面和應用層面對當前國內外BIM運維方面進行研究，并對未來的發展提出了看法。KIM等[5]通過對已有的能量建模軟件與基于BIM的能量建模軟件進行對比，發現基于IFC映射的建筑能量分析模型可以有效的提高精度。YE等[6]考慮將耐久性因素整合到設計過程中，闡述了耐久性信息模型和IFC數據接口，并通過案例證明該設計能夠改善AEC項目的生命周期，提升耐久性水平。FU等[7]利用IFC標準來研究計劃、成本等方面信息的表示方式。從以上內容可以看出，雖然國內外學者對基于IFC標準的信息交換相關內容進行了研究，但是鮮有針對在生產管理上基于IFC標準的信息共享研究。

為此，本文通過對IFC標準的研究，結合最新版本IFC4標準[8]，建立了基于IFC標準的預制構件生產信息模型，旨在為構件在生產過程中提供有效的管理和信息共享手段。

1 信息模型的需求

1.1 IFC4標準

本文所用的IFC4標準是目前最為成熟的版本，如圖1所示，由下至上分別為：資源層、核心層、共享層和領域層。其中，①資源層是IFC架構中的最底層，該層主要定義了工程項目的通用信息，不針對具體的行業本身，是無整體結構的分散信息，作為描述基礎應用于整個信息模型；②核心層是IFC架構中的第二層，主要作用是將整個資源層中分散的基礎信息組織起來，形成建筑工程信息的整體框架。然后用以描述現實世界中的實物以及抽象的流程；③共享層是IFC架構中的第三層，主要是定義了一些適用于建筑項目各領域的通用概念，以實現不同領域間的信息交換，同時細化系統的組成元素；④領域層是IFC架構中的最高層，主要是定義了一個建筑項目不同領域特有的概念和信息實體，而且還可以根據實際需要不斷進行擴展。

4個層次中每個層次又包含若干個模塊，每個模塊又包含各種實體、定義類型、選擇類型、枚舉類型、規則、函數以及屬性集，并且遵循一個原則：每個層次只能引用同層次和下層的信息資源，而不能引用上層資源。這樣上層資源變動時，下層資源不會受影響，保證信息描述的穩定[9-11]。

1.2 生產信息模型

目前，隨著BIM技術的發展，應用于生產管理的信息集成得到了提升，但是現階段，IFC標準對于產品生產階段的信息定義不充分，因此，本文提出基于IFC標準的預制構件生產信息模型，加強對生產過程中信息的統一、有效管理。

通過對目前流行的PC構件、箱梁、管片、U梁、節段梁等預制構件的生產過程分析，本文將這些預制構件進行了生產階段信息的統一劃分，主要分為5個主要部分：產品信息模型、過程信息模型、資源信息模型、成本信息模型和場地信息模型。

2 預制構件生產信息模型

2.1 整體框架

在預制構件生產過程中，不同的構件會有特定的生產過程，并對應于不同的生產場地，在這過程中，不同的生產場地用到的資源也不盡相同，因此，不同的產品在生產過程中會產生不同的成本。本文對于該過程，建立了預制構件生產信息模型，將其分為預制構件產品信息模型、過程信息模型、資源信息模型、成本信息模型和場地信息模型，具體模型關系如圖2所示。例如，要想生產預制管片，需要分析設計院送來的圖紙保證管片的產品信息。而針對上海的預制管片，每環管片又包含2個標準塊，2個鄰接塊、1個拱底塊和1個封頂塊，因此有不同的生產過程。針對每塊管片，需要場地來制作鋼筋籠，需要材料堆放區、產品制作區、養護區等不同的場地。在此過程中，會用到不同的資源信息，因此也會涉及到不同的成本信息。

圖1 IFC4的基本架構圖

圖2 預制構件生產信息模型

2.2 基于IFC標準的預制構件產品信息表達

預制構件生產的產品信息模型，主要是來源于設計階段的信息，但需要將設計階段的信息按照IFC標準轉化為生產階段的產品信息。對于預制構件生產的產品信息模型，最新IFC4標準中尚未提供具體的實體描述。為此，本文通過對IFC標準提供的增加實體定義來進行實體構建類型的拓展[12]，以此來建立產品的生產階段信息。

按照IFC標準，本文用實體IfcProduct來表示產品信息，用ObjectPlacement記錄產品的空間幾何位置，用Representation對產品的幾何形體進行描述。若是用實體IfcProxy擴展，由于其擴展的實例都屬于IfcProxy類型，容易造成意義不明確，因此，本文選用基于實體定義的擴展機制擴充預制構件產品。例如，對預制管片進行表示，則可以將其定義為擴充實體IfcSegment，其是直接繼承于實體IfcProduct。預制構件產品信息模型如圖3所示。

圖3 預制構件產品信息模型

2.3 基于IFC標準的預制構件過程信息表達

過程信息模型是指生產作業前后邏輯關系及組合信息的組織與表達，包括生產過程作業之間的順序、并發、選擇、循環等與時間相關信息。過程管理對于預制構件的生產是極其重要的，產品類型、成本控制、資源分配、場地選擇等均與生產過程有關。

按照IFC標準，本文用實體IfcProcess及其繼承實體和相關的關系實體來表示過程。通過實體IfcProcess與關系實體IfcRelSequence建立聯系，表達不同生產任務間的順序關系。用SequenceType表示序列類型，其屬性類型是枚舉類型，用TimeLag表示時間滯后，序列類型定義“時間滯后”應用于工序，將其作為時間比率或時間度量。本文用實體IfcProcess的派生實體IfcTask來表示具體的生產任務。在這里，IfcProcess是指某一相對獨立的工作，而IfcTask是描述具體的生產過程。例如，實體IfcProcess表示某種預制構件的生產項目，而派生實體IfcTask則表示鋼筋運輸、鋼筋綁扎制作、混凝土運輸、混凝土澆筑、模板安裝、預制構件養護等具體的生產過程。IfcTask實體的主要屬性有WorkMethod、Status、IsMilestone、Priority、PredefinedType、TaskTime等，用于對任務的工作方法、狀態、是否是里程碑、優先級、預定義類型及任務時間進行描述。用關系實體IfcRelAssigns ToControl建立與實體IfcTask的一對多關系，從而實現對項目的控制。用實體IfcControl的派生實體IfcWorkControl來對整個項目的生產進度進行描述，包括項目的工作進度和工作計劃。過程信息模型如圖4所示。

圖4 過程信息模型

2.4 基于IFC標準的預制構件資源信息表達

資源信息模型是指整個生產過程中所需資源信息的組織與表達，包括人力資源、物料資源和設備資源等。IFC標準中定義的資源為“某一事物作為生產角色而加以利用”，而不僅僅局限于事物本身。如果只需要一些基本信息，那么實體IfcResource即可滿足要求，若想要進更多信息，則可以通過實體IfcResource與其他實體進行關聯。

按照IFC標準，本文用實體IfcResource及其派生實體IfcConstructionResource來描述資源信息。用實體IfcResource表示在生產過程中使用到的資源。而在IFC標準中，實體IfcConstructionResource是對資源的抽象定義，因此，本文用其派生實體：IfcLaborResource、IfcCrewResource、IfcSubConstract Resource、IfcConstructionMaterialResource、Ifc ConstructionProductResource、IfcConstruction EquipmentResource來分別表示勞動力資源、人員資源、分包商資源、材料資源、產品資源和設備資源。其中，勞動力資源可以指定不同的人員來組成勞動力；分包商資源實體用LongDescription對其相關工作進行描述，通過關系實體IfcRelAssignsTo Resource與實體IfcActor建立聯系，從而實現對分包商人員的安排；用BaseQuantityConsumed和BaseQuantity Produced來表示材料的使用情況，通過關系實體IfcRelAssignsToResource與實體IfcActor和實體IfcProduct進行聯系來表達對人員和產品的安排；用關系實體IfcRelAssignsTo Resource與實體IfcProduct建立聯系，表示產品資源中全部或部分在生產過程中占用產品的性能。本文用BaseCosts表示基礎成本，用以對單位基數、有效日期范圍、分類等信息進行描述；用BaseQuantity表示基數，描述的是一個度量值，用來描述名字、名稱標簽、信息屬性等信息；用Usage表示用法，描述與資源有關時間的信息。資源信息模型如圖5所示。

圖5 資源信息模型

2.5 基于IFC標準的預制構件成本信息表達

成本資源模型主要研究在整個生產過程中所產生成本信息的組織與表達，包括工程量信息、資源信息和價格信息等。在IFC標準中只能將可以具體數字化的成本進行表述，例如，材料采購費、人工費、運輸費、材料損耗費等。

按照IFC標準，本文用實體IfcControl的派生實體IfcCostSchedule和實體IfcCostItem等對成本信息進行描述。通過關系實體IfcRelSchedules CostItems建立成本進度實體IfcCostSchedule與成本項目實體IfcCostItem一對多的關系，從而實現對整個成本的控制。用SubmittedOn表示成本進度的提交日期，用UpdateDate表示成本進度的更新日期，并定義兩者的類型都是選擇類型IfcdateDate。用Status表示成本進度的當前狀態，用PLANNED、APPROVED、AGREED、ISSUED、STARTED，分別表示狀態：計劃、核準、商定、發布和啟動。本文用PredefinedType表示成本進度的類型，定義其類型是枚舉類型IfcCostSchedule TypeEnum。用實體IfcCostItem描述成本或財務價值信。由于一個成本項目可能包含其他成本項目，因此，本文用關系實體IfcRelNests進行實現。用PredefinedType表示成本項目的類型，依據IFC標準，定義該類型屬性為枚舉類型IfcCostItem TypeEnum，即可以指定成本項目的預定義類型，是一個基于屬性設定的具體預定義類型。用CostQuantities表示同一類型項目的成本總和。用CostValues表示項目的成本值。用關系實體IfcAppliedValuedRelationship表述成本值之間的關聯。成本信息模型如圖6所示。

圖6 成本信息模型

2.6 基于IFC標準的預制構件場地信息表達

場地信息模型主要是指在整個生產過程中所涉及的場地信息的組織與表達，包括材料的堆放區、構建的養護場地和生產作業場地等。在IFC標準中是用IfcSite來表示進行施工或者其他開發的土地或水源，并使用WGS84來確定場地的空間位置。

按照IFC標準，本文用實體IfcSpatialStructure Elements進行場地的表示。由于一個生產項目可能有多個場地，因此，本文用實體IfcSpatialStructure Elements的派生實體IfcSite表示不同的場地，將實體IfcSite分為COMPLEX、ELEMENT、PARTIAL，分別表示綜合體、獨立場地和單體。例如，對于一個正規的預制構件廠，場地可以分為材料堆放區、預制構件的養護場地、生產作業場地等，即同一個工廠內有不同場地的安排。用關系實體IfcRel Aggregates建立項目實體IfcProject與場地實體IfcSite之間的聯系。用實體IfcSite的派生實體IfcLocalPlacement表示不同場地直接的聯系。例如，在同一個場地內，不同預制構件的擺放位置按照一定的規則有所不同。本文用關系實體IfcRel ContainedInSpatialStructure建立實體IfcSite與實體IfcGeographicElement之間的聯系，并將實體IfcGeographicElement也與實體IfcLocalPlacement進行聯系。用屬性RefElevation表示以海平面為基準面的類型；用屬性RefLongitude表示世界經緯度參考點，相對于世界大地測量系統WGS84的度、分、秒，對應的類型是IfcCompoundPlaneAngle Measure；用屬性LandTitleNumber表示土地的編號；用屬性SiteAddress與實體IfcBuilding建立聯系，對應實體IfcPostalAddress。例如，不同隧道項目所需要的預制構件，可以通過確定的場址，然后在工廠內確定好預制構件的編號，從而按編號運送到項目的施工場地。場地信息模型如圖7所示。

圖7 場地信息模型

2.7 基于IFC標準的預制構件生產信息模型

本文按照IFC標準，將預制構件在生產階段的信息整理成相應的信息模型，統一劃分為預制構件產品信息模型、過程信息模型、資源信息模型、成本信息模型和場地信息模型。其中，用實體IfcProduct來表示預制構件信息，用實體IfcProcess來表示過程信息，用實體IfcResource來表示資源信息，用實體IfcControl的派生實體IfcCostSchedule和IfcCostItem來表示成本信息，用實體IfcSite來表示場地信息，并通過相應的關系實體將它們聯系起來。

建立的預制構件生產信息模型如圖8所示。本文用關系實體IfcRelToProcess來建立實體IfcProduct與實體IfcProcess之間的一對多的關聯，以此來表示預制構件產品與生產任務之間的關系。用關系實體IfcRelAssignsToResource來將實體IfcProcess和實體IfcResource聯系起來，從而表現生產過程與資源消耗之間的聯系。利用關系實體IfcRelAggregates將實體IfcProcess，實體IfcResource與實體IfcSite之間建立聯系，來表示生產過程，與相應場地信息和資源過程之間的聯系。用關系實體IfcRelAggregate將實體IfcResource與實體IfcControl建立聯系，以此來表示資源信息與成本信息之間的關系。最后，用關系實體IfcRelAssignsToControl將實體IfcProduct與實體IfcControl聯系起來，表示不同的預制構件產品在生產過程中所需要產生的成本信息。另外，在成本信息模型中，本文用關系實體IfcRelSchedules CostItems建立實體IfcCostItem與實體IfcCost Schedule之間的聯系，以此來反映整個生產過程中成本與項目之間的關系。在過程信息模型中，本文用關系實體IfcRelAssignsToControl建立實體IfcTask與實體IfcWorkControl之間的關系，表示某一個生產過程，可以安排不同的生產任務，而不同的生產任務可以相應的進行生產進度的控制，以此來完成對整個生產過程的控制。

圖8 基于IFC標準的預制構件生產信息模型

3 實例分析

結合“上海城市軌道交通預制構件全生命周期信息管理系統”中“制造階段”模塊，選取以上海某有限公司構件分公司生產的ZZ3管片為例進行信息模型的介紹，如圖9所示。

在預制構件廠生產預制管片的步驟如下：

步驟1.由系統確定生產該類型管片的信息，根據設計的圖紙信息建立管片產品信息。并按照IFC標準，將產品的設計信息轉化為生產信息。

由于預制管片在IFC標準中尚未進行定義，且通過IFC標準中實體IfcProxy來擴展的實體實例容易造成意義混亂，因此，本文選用基于增加實體定義的擴展機制擴充管片實體。擴展內容見表1，表內黑體加粗部分為所取的值。

步驟2.根據規范，將預制管片產品信息按生產過程，形成過程信息。

根據屬性數據類型可知此管片類型為深埋，生產廠家為上海某工程有限公司構件分公司，編號類型為ZZ3。通過國標《預制混凝土襯砌管片》及地方各部門《隧道管片生產管理辦法》等將預制管片生產進行細劃。管片的生產過程可分為拆模起吊、模具清理、涂脫模劑、鋼筋籠安放、模具組裝、保護層定位、預埋件安裝、檢查、混凝土澆筑、抹面、蒸汽養護、拆模起吊、管片編號、管片檢查、水養、管片出水養池、管片檢查、存放。根據不同的過程建立相應生產任務，本文用IfcTask實體表示，并通過關系實體IfcRelAssignsToProcess與產品實體IfcSegment建立聯系。

圖9 上海城市軌道交通預制構件全生命周期信息管理系統

表1 預制管片實體定義

步驟3. 按照生產過程確定不同的場地，從而形成場地信息。

生產過程包含很多的生產任務，為提高效率，需要對生產過程提供不同的生產場地。在預制管片生產廠主要有4個區域：混凝土拌合區、管片生產廠房區、管片堆放區、附屬配套設施區。其中，①混凝土拌合區包括混凝土拌合站、室內料倉、室外料倉；②管片生產廠房區是整個生產過程中的重點區域，主要包括管片生產區、鋼筋加工及堆放區、管片鋼筋籠存放區、管片養護區；③管片堆放區包括管片存放區和試驗檢測區；④附屬配套設施區包括辦公區、試驗室、材料倉庫、廠區鍋爐房、稱量系統等。本文用實體IfcSite來表示不同的生產任務的生產場地，并用關系實體IfcRelAggregates與生產任務IfcTask建立聯系。

步驟4. 根據不同的過程和場地，確認在生產過程中會用到的不同資源，建立資源信息。

不同的生產任務在不同的場地會用到不同的資源，例如，在鋼筋加工區，需要對鋼筋進行處理：鋼筋檢查、鋼筋切斷、制作所需鋼筋、制成完整鋼筋籠。這里會用到不同的鋼筋種類，C10、C12、C16、C20、C25、C28等。本文用關系實體IfcRel AssignsToResource建立實體IfcTask與資源實體IfcResource之間的關系，并通過關系實體IfcRelAggregates建立場地實體IfcSite與資源實體IfcResource之間的關系。

步驟5. 依據定額將過程和資源結合起來，生成成本信息，并將其與預制管片產品信息建立關聯。

本文根據不同的生產任務與所用到的資源，依據定額來確定成本，見表2。根據在該過程中人、材、機的用量建立資源消耗列表，見表3。

其中，按照IFC標準，本文用實體IfcCostItem來表示成本，用關系實體IfcRelAssignsToControl與實體IfcSegmrnt、實體IfcTask和實體IfcResource之間的聯系。而成本項目之間的邏輯關系，本文則通過關系實體IfcRelNests進行表達，并通過關系實體IfcRelScheduleCostItems建立于實體IfcCostSchedule的關系。

表2 預制管片生產成本項目表

表3 資源消耗列表

具體的信息需求模型與預制構件的生產信息模型對照圖，如圖10所示。

4 結論與展望

本文針對IFC標準在預制構件生產過程中的匱乏，在研究IFC標準的基礎上，建立了基于IFC標準的預制構件生產信息模型。結論如下：

(1) 所建立的預制構件生產信息模型包含5個部分，即預制構件產品信息模型、生產過程信息模型、資源信息模型、成本信息模型和場地信息模型。

(2) 本文是依據IFC標準建立的預制構件生產信息模型，對產品信息、生產過程、資源、成本及場地等信息之間建立了關聯，可以不依賴于任何平臺與設備，可充分的實現信息的交流和轉換，提高協同工作的效率。

圖10 信息需求模型與預制構件的生產信息模型對照圖

(3) 本研究將實際生產過程與預制構件的生產模型相結合，給出了應用預制構件生產信息模型的具體實例，結果表明，該生產信息模型能有效的提高數據信息的管理，提高生產效率。

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Research on Production Information Model of Prefabricated Components Based on IFC Standard

GAO Qiuya1,2, GAO Xinwen1,3

(1. SHU-SUCG Research Center for Building Industrialization, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China;3. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

This paper is based on the research of BIM mainstream standard IFC (industrial foundation classes), which has been developing rapidly in recent years. According to the data sharing requirement of prefabricated components, the production information organization and expression mode of prefabricated components are studied. In accordance with the IFC standard, this paper divides the information of the prefabricated components in the production stage into product information, process information, resource information, cost information and site information, and establishes the information model of prefabricated components based on IFC standard. Finally, this paper gives a concrete example of applying the information model of prefabricated components. The result shows that the information model can effectively improve the management of data information and the cooperative production efficiency.

industrial foundation classes standard; prefabricated components; production information; information model

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030538

A

2095-302X(2018)03-0538-09

2017-11-01；

2017-12-10

上海市科委項目(14DZ0510500)

高秋亞(1993-)，女，浙江海曙人，碩士研究生。主要研究方向為建筑信息化。E-mail：1019963618@qq.com