基于IFC4x1的橋梁信息模型轉(zhuǎn)換研究

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

1 引言

行業(yè)基準(zhǔn)分類(Industry Foundation Classes，IFC)由BuildingSMART(原國際協(xié)作聯(lián)盟，IAI)發(fā)布并維護(hù)，它是為建筑業(yè)量身定做的產(chǎn)品模型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型[1]。從1994年發(fā)展至今，IFC標(biāo)準(zhǔn)在建筑工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但還未在道路、橋梁、隧道等線狀工程中得到普及，這是因為在IFC4以及更早版本的框架中缺少表達(dá)土木基礎(chǔ)設(shè)施語義的實體[2]。為了進(jìn)一步支持基礎(chǔ)設(shè)施工程領(lǐng)域的信息共享，buildingSMART成立了專門委員會Infrastructure Room，并發(fā)起了IFC Alignment、IFC Bridge等多個子項目[3]，Alignment(線形)作為基礎(chǔ)設(shè)施項目所需的公有資源[4](圖1)，被列為首個需要集成到IFC標(biāo)準(zhǔn)中的項目。IFC Alignment 1.0在2015年7月被接受為buildingSMART的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，隨后又耗時兩年與IFC4 schema集成，經(jīng)過多次修訂以及公開評審，IFC4x1 Final于2017年6月正式發(fā)布[5]，標(biāo)準(zhǔn)中引入了與Alignment相關(guān)的概念、實體和屬性，使得IFC數(shù)據(jù)模型能夠完備地描述道路的平、豎曲線，同時增強(qiáng)了基于道路平、豎曲線定位空間構(gòu)件的能力。

建筑物的全生命周期中會經(jīng)歷規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等多個階段，基于IFC的BIM模型作為工程信息的載體將在這一過程中不斷豐富，并支持各個階段和領(lǐng)域間的信息共享。在橋梁的設(shè)計過程中往往需要反復(fù)調(diào)整設(shè)計參數(shù)并驗算結(jié)構(gòu)安全，工程人員無法避免地需要根據(jù)變更過后的圖紙或模型在計算軟件中重新建模，因此本文提出了把IFC中性文件作為模型信息交換的載體來簡化前處理從而減少重復(fù)工作的方法。

圖1 Alignment在IFC Infrastructure項目中的中心地位[4]

一些學(xué)者已經(jīng)對IFC模型與有限元模型的交換進(jìn)行了相關(guān)研究：秦領(lǐng)等研究了基于IFC的建筑模型與結(jié)構(gòu)有限元模型的數(shù)據(jù)共享與交換，并提出了通用結(jié)構(gòu)有限元模型平臺以支持多種有限元軟件格式[6]，張曉洋等提出了IFC-API建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模式，從而解決建筑設(shè)計向結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息斷層問題[7]；但二者討論的范圍限于建筑結(jié)構(gòu)，因此筆者選取了橋梁設(shè)計中常用的計算軟件Midas Civil作為橋梁IFC模型轉(zhuǎn)換的目標(biāo)平臺，詳細(xì)分析了基于線形的IFC實體與有限元模型的映射關(guān)系，并基于開源工具箱xBIM開發(fā)了IFC模型轉(zhuǎn)換程序。

2 IFC Alignment體系

不同于房屋建筑這類“點狀工程”，道路、橋梁等“線狀工程”擁有路線起點、樁號、平豎曲線等工程要素，表達(dá)這些語義的實體在IFC Alignment體系中定義并最終納入到IFC4x1的框架中，本節(jié)對其中一部分內(nèi)容進(jìn)行了介紹。

新增的IfcAlignmentCurve等幾何資源實體封裝了平、豎曲線的信息描述方式，如圖2所示，各實體之間的關(guān)系通過UML類圖表示。其中，空心菱形箭頭表示聚合關(guān)系(Aggregation)，實心菱形箭頭表示組合關(guān)系(Composition)，三角形空心箭頭表示泛化(Generalization)，敞開箭頭表示關(guān)聯(lián)(Association)[8]。下面以豎曲線為例說明UML類圖所表示的實體關(guān)系與屬性的含義：

IfcAlignmentCurve的屬性Vertical引用了實體IfcAlignment2DVertical(豎曲線)，其屬性Segments是元素類型為IfcAlignment2DVerticalSegment(豎曲線段)的非空數(shù)組，表示豎曲線由1或多段豎曲線段組成。

豎曲線段的屬性StartDistanceAlong表示該段豎曲線起點距離路線起點的距離(以平曲線長度計)；屬性HorizontalLength表示該段豎曲線所對應(yīng)的平曲線段長；屬性StartHeight和StartGradient分別表示該段豎曲線起點的標(biāo)高(在所屬IfcAlignment的局部坐標(biāo)系下)和斜率(坡度)。

IfcAlignment2DVerticalSegment又可進(jìn)一步特化為三種具體的豎曲線段類型：直線段、圓弧段和拋物線段，三者擁有從共同父類繼承的上述公共屬性，并具有描述自身不同幾何特性的特有屬性。描述平曲線的實體具有上述類似的性質(zhì)，區(qū)別在于平曲線段需要額外引用平面曲線段實體(IfcCurveSegment2D)才能表達(dá)平面線形，該實體類型具有平面直線段、平面圓弧段、平面緩和線段三個特化類型。

上述IFC數(shù)據(jù)模型完備地描述了平、豎曲線的相關(guān)信息，使得道路、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可以將它們作為定位元素，從而在局部坐標(biāo)系下描述自身的幾何信息。

圖2 IfcAlignmentCurve及相關(guān)實體的概念模型

3 基于IFC的橋梁信息模型表達(dá)

本節(jié)將詳細(xì)探討如何利用IFC數(shù)據(jù)模型表達(dá)基于平、豎曲線定位的橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁，并主要從定位、幾何形狀和材料特性三個方面進(jìn)行闡述。

3.1 定位

IFC4x1以前主要借助實體IfcLocalPlacement描述構(gòu)件的位置，它通常作為抽象實體IfcProduct(建筑產(chǎn)品)的屬性O(shè)bjectPlacement被引用，而它自身引用它所參考的笛卡爾坐標(biāo)系并描述一個新的局部坐標(biāo)系，在局部坐標(biāo)系下定位的實體通過多次坐標(biāo)矩陣變換可以得到最終的坐標(biāo)位置[9]。但該種方式不適用于基于曲線定位的幾何實體，因此IFC4x1中引入了實體IfcDistanceExpression，表1列出了該實體的屬性定義，它用沿線距離、橫向偏移、豎向偏移等幾個參數(shù)描述了參照曲線來定位的一個笛卡爾點的位置。

表1 IfcDistanceExpression實體屬性定義

3.2 幾何形狀

IFC4x1中引入了實體IfcSectionedSolid(多截面實體)來表示沿曲線有截面變化的掃掠實體，表2列出了它的特化IfcSectionedSolidHorizontal的屬性定義，屬性Directrix表示所參考的曲線，它可以直接引用實體IfcAlignmentCurve，也可以引用基于IfcAlignmentCurve偏移得到的實體IfcOffsetCurveByDistances；屬性CrossSections引用實體IfcProfileDef來表示截面形狀，屬性CrossSectionPositions則引用3.1所介紹的實體IfcDistanceExpression來表示每個截面相對參考曲線的位置，這兩個屬性對應(yīng)的數(shù)組元素個數(shù)相等且至少為2。

如圖3[10]所示的多主梁鋼板梁橋，單根鋼主梁用繼承自抽象實體IfcProduct的IfcBeam描述，其幾何表示引用了實體IfcSectionedSolidHorizontal。

表2 IfcSectionedSolidHorizontal實體屬性定義

圖3 鋼板梁橋IFC模型示例[10]

實體IfcProfileDef可特化為多種具體的截面形式，包括(非)對稱I形截面、T形截面等參數(shù)化截面(均由實體IfcParameterizedProfileDef特化)，適合描述規(guī)則的截面形式；同時也可以表示任意形狀截面，即通過一組或幾組多段線描述截面的外輪廓和內(nèi)輪廓。除截面的幾何形狀外，實體IfcProfileDef還可以通過反屬性HasProperties與預(yù)定義屬性集Pset_ProfileMechanical關(guān)聯(lián)，該屬性集包含了截面面積、抗彎慣矩等截面特性的定義。需要注意的是，預(yù)定義屬性集是IFCschema中定義的一種信息擴(kuò)展的機(jī)制，并不代表每一個軟件廠商在實現(xiàn)IFC時一定會使用它，因此即使IFC文件中有關(guān)于截面的描述，但也不一定有關(guān)于截面特性的描述，在信息提取時需要根據(jù)情況進(jìn)行處理。

圖4展示了IFC物理文件中一段用實體IfcBeam及其屬性描述I形截面主梁的數(shù)據(jù)樣例，以“#”為前綴的數(shù)字代表實體的實例號，每個實例在單個文件中只能被定義一次，但可以被多次被其他實例的屬性所引用。

圖4 EXPRESS語言描述的IFC文件數(shù)據(jù)段示例

3.3 材料特性

位于資源層的實體IfcMaterial描述一種材料的基本屬性，包括名稱和分類，更具體的材料特性諸如容重、彈性模量等通過關(guān)聯(lián)Pset_MaterialCommon、Pset_MaterialMechanical等預(yù)定義屬性集來表達(dá)。在用IFC文件描述的一項實際工程中，IfcMaterial的實例必定通過關(guān)系實體IfcRelAssociatesMaterial與某一具體的產(chǎn)品實例(如IfcBeam)關(guān)聯(lián)，否則不具有任何意義。

4 IFC模型到MCT模型的映射

將IFC模型作為數(shù)據(jù)交換與共享的平臺有效減輕了不同軟件之間私自交換數(shù)據(jù)的實現(xiàn)代價，但仍需要考慮到IFC模型與數(shù)據(jù)交換目標(biāo)平臺之間的數(shù)據(jù)映射，接口設(shè)計不當(dāng)或未考慮全面都有可能造成信息的丟失[11]。本文選取了常用的橋梁計算軟件MIDAS Civil作為目標(biāo)平臺，討論了以*.ifc文件作為輸入進(jìn)行解析和處理，最終輸出為*.mct文件(MIDAS支持的腳本文件，可直接導(dǎo)入生成有限元模型)的過程。

4.1 IFC數(shù)據(jù)讀取

IFC實例文件以STEP格式存儲，訪問其數(shù)據(jù)最常用的是早聯(lián)編(early binding)和晚聯(lián)編(late binding)兩種實現(xiàn)方法[12]。IFC Wiki整理了支持IFC文件讀寫的一些開源項目[13]，筆者經(jīng)調(diào)研后選擇了對IFC4x1 schema支持較好的xBIM Toolkit，該工具箱核心庫XbimEssentials采用C#語言實現(xiàn)了IFC數(shù)據(jù)模型，并提供了完整的API(程序編程接口)供開發(fā)人員使用[14]，圖5中的C#代碼展示了如何調(diào)用xBIM所提供的接口讀取IFC文件中的信息。讀者也可以選擇用任何一種編程語言自行實現(xiàn)IFC文件讀寫功能，好處是方便對schema進(jìn)行擴(kuò)展，但開發(fā)工作量較大且運行效率不易保證。

圖5 調(diào)用XbimEssentials API獲取IFC數(shù)據(jù)代碼示例

4.2 MCT數(shù)據(jù)模型

通過分析MIDAS使用手冊附錄中的MCT命令說明，抽象出圖6所示的類關(guān)系圖來模擬建立計算模型所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所有的資源類均繼承自抽象基類MCTRoot，因此擁有共同屬性Id，具體到不同的資源表現(xiàn)為節(jié)點號、單元號、材料號和截面號。表示節(jié)點數(shù)據(jù)的類MCTNode較為簡單，除Id外只擁有X、Y、Z三個坐標(biāo)值作為屬性；表示材料特性的類MCTMaterial和表示截面特性的類MCTSection根據(jù)材料類型、截面類型的不同，具有不同的屬性參數(shù)，并可以進(jìn)一步派生出更多子類；尤其對于MCTSection，圖6只展示了包含共同屬性截面名稱、截面類型等的抽象基類，開發(fā)的過程中可以根據(jù)實際情況派生出所需要的類并定義其特有的屬性，如第5節(jié)中的轉(zhuǎn)換程序用到了表示I形截面的類MCTHSection；表示單元的類MCTElement根據(jù)單元類型的不同將引用2至多個節(jié)點實例，并關(guān)聯(lián)對應(yīng)的截面號和材料號。

4.3 數(shù)據(jù)映射

獲取IFC模型數(shù)據(jù)后，需要對相關(guān)實體的信息進(jìn)行一定程度的處理才能映射到MCT數(shù)據(jù)模型上。處理工作包括：

1)從模型中過濾出需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的實體(IfcBeam)；

2)從上一步過濾得到的實體出發(fā)，通過其屬性和關(guān)系收集所有映射時需要用到的實體(IfcMate rial、IfcAlignmentCurve等)；

3)解析實體包含的信息并映射到各自對應(yīng)的MCT類。

圖7展示了IFC數(shù)據(jù)模型中相關(guān)實體與MCT數(shù)據(jù)模型相關(guān)類之間的映射關(guān)系。

圖6 MCT數(shù)據(jù)模型UML類圖

圖7 IFC數(shù)據(jù)模型和MCT數(shù)據(jù)模型映射關(guān)系

對于同一個幾何體，IFC數(shù)據(jù)模型的描述方式與MIDAS計算模型中的描述方式并不完全相同，因此需要進(jìn)行一些額外的處理計算。以圖8所示的I形截面梁為例，在IFC模型中該掃掠實體的中心線位于截面包圍盒的中心，而計算模型中梁單元的單元參考線位于截面形心，為非對稱截面時二者并不重合，因此需要事先計算出截面的形心位置，并在生成單元節(jié)點坐標(biāo)時考慮該偏移量。

從圖8的例子可以看到，基于IFC的BIM模型有時可能并未包含計算模型所需要的全部信息(如截面特性)，需要對缺失的信息進(jìn)行補(bǔ)全，因此數(shù)據(jù)映射時應(yīng)根據(jù)需求充分考慮兩種數(shù)據(jù)模型之間的共性和差異，盡量減少數(shù)據(jù)交換過程中信息的丟失。

圖8 非對稱I形截面

5 方法驗證

為了驗證本文提出的IFC模型與MIDAS模型映射的方法，筆者開發(fā)了模型轉(zhuǎn)換程序原型，主程序采用C#語言編寫，IFC文件解析部分調(diào)用開源庫XbimEssentials。以IFC 4.1 Bridge Information Exchange-2017 [Draft]提供的模型[15]為測試文件作為轉(zhuǎn)換程序的輸入，成功將橋梁上部結(jié)構(gòu)的鋼主梁和混凝土橋面板轉(zhuǎn)換為MIDAS計算模型，如圖9所示，經(jīng)對比驗證，材料、截面等信息保持完整。盡管當(dāng)前主流的BIM建模軟件還不支持IFC4x1格式的導(dǎo)出，但可以利用支持IFC4x1讀寫的工具如本文采用的xBIM輸出IFC數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步測試。

圖9 模型轉(zhuǎn)換實例

對于類似的結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的方法中需要依靠工程人員從圖紙或模型中識別出建立計算模型需要的信息，然后手動在MIDAS軟件中通過“自底向下”的方式依次輸入建立節(jié)點、單元等所需要的數(shù)據(jù)，這一過程將耗費較長時間，并且當(dāng)設(shè)計變更導(dǎo)致主梁的線形發(fā)生變化時，往往需要重新建模，由此帶來了大量的重復(fù)工作；而采用本文提出的方法將由程序自動完成信息的提取和映射工作，盡管開發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序會耗費掉一些時間，但程序可被重復(fù)調(diào)用以解決同一類問題，因此對比傳統(tǒng)方法，本文提出的基于IFC文件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換的方法具有明顯的優(yōu)勢。

6 結(jié)語

隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷擴(kuò)展和完善，IFC數(shù)據(jù)模型將逐漸成為適用于整個土木建筑工程領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)存儲與交換模型，但要打破建設(shè)工程項目的信息孤島還需要各領(lǐng)域研究者進(jìn)行更加深入的研究。本文提出的數(shù)據(jù)映射方法可在一定程度上減少橋梁設(shè)計人員重復(fù)建模的工作，但仍留有以下問題需要在今后的研究中解決：

1)IFC模型可以簡化為不同的計算模型，如計算整體受力時可以采用梁單元，而進(jìn)行局部板件受力驗算時則需要簡化為板單元或?qū)嶓w單元模型，數(shù)據(jù)映射模型應(yīng)根據(jù)實際需求的不同進(jìn)一步完善。

2)不同階段的IFC模型細(xì)度不同，其中一些可能未對構(gòu)件之間的連接關(guān)系進(jìn)行描述，或者描述信息不完整，模型映射時如何處理這些連接還需要進(jìn)一步研究。

3)本文的研究是在IFC4x1 final的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，根據(jù)后續(xù)IFC版本的更新，橋梁信息模型的描述方法和數(shù)據(jù)映射方法都需要進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整。