面向BIM的橋梁工程分類編碼體系研究

王小寧1， 2 王逸凡1， 2 劉 高1， 2 張秋信2 馬白虎 鐘榮煉

(1.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100088； 2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088； 3.貴州省公路開發有限責任公司，貴陽 550000)

1 引言

1.1 標準的意義

根據交通運輸部公路現狀統計結果， 2016年末，全國公路總里程469.63萬km，公路橋梁80.53萬座。隨著我國公路基礎設施的大力建設，公路的通行能力和運輸效率顯著提升，物流業迅速發展，為我國經濟發展提供可靠保障。

建筑信息模型(BIM)技術集成現代信息技術和計算機技術，以3D模式直觀表述，實現工程全生命周期的信息流通、共享和協同工作，促進項目建設過程的信息化發展。為推進BIM技術在公路水運工程中的應用，交通運輸部在2017年12月29日發布指導意見，旨在提高該領域信息化水平及項目建設品質。

不同地區、不同公司采用不同的橋梁專業分類編碼體系及數據格式，為應用BIM技術帶來一系列問題，阻礙項目信息的傳遞及標準化管理，如模型不能重用，信息不一致及信息孤島現象等。采用統一橋梁工程分類編碼標準是推動BIM技術應用快速發展的必要前提。

1.2 研究現狀

美國編制基于IFC的國家BIM標準，以ISO 12006-2框架為參考依據，對建筑工程建設過程中信息進行分類編碼[1]。

佘健俊、成虎等對比分析工程系統分解結構(EBS)和項目工作分解結構(WBS)的區別和聯系，研究工程系統的組成及EBS的應用方法[2]。楊龍闡述IFC標準、EBS分解標準和WBS分解標準等，參照以上標準制訂元素分類及編碼準則，建立一套適合鐵路工程實體模型的元素編碼表[3]。宋子婧、章征等分析EBS與工作分解結構(WBS)的區別以及在特大型橋梁全生命周期的發展變化，并對EBS的編碼方法和作用進行分析[4]。

2014年中國鐵路BIM聯盟以聯盟名義《鐵路工程實體結構分解指南》。共包含軌道、路基、橋涵、隧道、站場、環保、通信、信號、信息等[5]，參照建筑工程BIM標準，對鐵路工程范圍內信息模型的分類及編碼做出詳細要求。同年，中國勘察設計協會發布《中國市政設計行業BIM實施指南》，BIM設計考慮規劃和設計兩個階段，BIM設計目標為二維視圖和統計報表從BIM模型中得到，讓BIM技術成為廣大設計人員生產工具，提高設計效率和質量，其中對市政工程構筑物拆分及命名規則提出總體要求。

圖1 鐵路及市政工程相關BIM標準及指南

公路行業目前還沒有形成國家或者行業層面的相關標準及指南，對信息模型的分解、命名及編碼規則還沒有形成統一的參考基準。

1.3 相關技術標準

IFC 標準采用 EXPRESS(ISO 10303-11:1994)語言定義，是面向對象的三維數據共享及交換標準，其定義應用范圍為貫穿于工程全生命期數據共享的標準[9-11]。IFC標準的架構分為四層：領域層、共享層、核心層與資源層。資源層主要定義實體與類型等基本概念，不能獨立存在，依賴于其它層對其應用； 核心層定義結構、基礎的關系及其他概念信息； 信息傳遞的相關概念定義在共享層； 領域層定義對象的屬性信息。IFC標準的應用主要集中在建筑領域，國內專家及學者正在進行橋梁工程相關IFC對象定義及擴展法人相關研究。

IFD標準的作用是保障信息在共享和傳遞過程中的準確性。IFC標準中的對象、信息等都在IFD標準中都具有唯一標示碼。通過IFD標準軟件間信息交換不因為國家、地區、文化等不同而產生偏差。

EBS分解標準定義功能面和專業元素概念，功能面是指工程總系統中具有使用功能的產品或服務[12]，例如一座特大型橋梁可以分為主橋、引橋、灘橋等功能區。每一個功能面由多個專業工程元素組成，例如主橋分為橋梁工程及交通工程等。專業工程元素可以繼續分解為多個子元素，例如橋梁工程可以分為下部結構、上部結構等。

WBS分解標準是將項目系統分解成可管理的工作任務，根據分解對象的不同又衍生出組織分解結構、資源分解結構及文檔分解結構。WBS主要包括層級結構、編碼及分解結構詞典三個要素，層級結構是項目管理系統任務從總體到局部細化工作的樹狀結構； 編碼是對工作分解結構中每一項工作都進行唯一編碼形成編碼系統，在日常項目管理中編碼系統是資源安排、成本核算及進度安排等工作的重要參照； 分解結構詞典是對工作進行詳細定義和補充說明[13]。

2 分類體系研究

信息模型分類是根據模型的屬性和特征，依照特定的原則和方法將信息模型進行分解和分類，形成多層級的分類體系。分類的主要方法包括：線分法、面分法和混合分類法。

2.1 分類原則

橋梁工程信息模型中對象的分類應遵循如下基本原則：

(1)適用性

分類要基于全生命周期考慮，滿足不同項目階段、不同管理精度的要求，既滿足項目前期階段(規劃階段、方案階段)又滿足項目中期及后期階段(建設階段、運營階段等)的管理需求。

(2)系統性

分類應按照特定的分類方法形成一個多層級合理的分類體系。同一層級不能相互包含，層級之間具有隸屬關系，上層級可包含下層級。

(3)擴展性

分類應保證在不影響已有分類體系的基礎上，可進行補充和完善，滿足不同管理精度及不同管理階段的需要。

2.2 分類方法

信息分類的主要方法包括：線分法、面分法和混合分法。線分法將目標物按屬性或特征分解成若干個層級的類目，同一層級類目為并列關系，不同層級類目是隸屬關系。面分法將分類對象按照屬性和特征分解成若干面，每個面可繼續分成若干獨立的面，若干獨立的面組著在一起，形成復合類目。混合分類法是線分法和面分法的融合，首先將對象按照分成若干面，再在面內采用線分法對每個類目進行層級分解，混合分類法可較好適用于復雜對象的分類，其中最典型的就是OminClass分類法[14]。

本文在吸收及總結各方面分類標準的基礎上形成一套面向BIM的橋梁工程元素分類標準(IFD)，為橋梁工程信息模型分解提供另外一種思路。同樣基于ISO 12006-2框架，采用OminClass分類法中面分法將《橋梁工程信息模型分類表》按不同特征和屬性進行分類形成11張表，每張表中對象再采用線分法分為多層級的表格。

表1 橋梁工程信息模型分類

表編號分類名稱備注01按功能分公路橋、鐵路橋、公鐵兩用橋等02按形式分梁橋、斜拉橋、懸索橋等03按元素分主梁、橋墩等04建設項目階段規劃、設計、施工等05建設行為投資、規劃、報建等06組織角色設計單位、施工單位等07專業領域橋梁工程、交通工程等08工具塔吊、腳手架等09材料瀝青、水泥等10屬性形狀、尺寸、重量等11產品場地、預制件等

3 編碼體系研究

信息模型編碼是將信息模型中的對象賦予計算機容易識別的符號，形成編碼集合。整個信息模型是一個大的編碼集合，集合中每一個編碼代表信息模型中的某類對象。

信息模型中具有相同屬性和特征的對象分為一類，具有相同的編碼符號。類別編碼在信息模型的編碼集合中具有唯一性，這可保證信息模型在不同專業及不同應用系統之間能夠正確解析。

3.1 編碼原則

橋梁工程信息模型中元素的編碼應遵循如下基本原則：

(1)唯一性

在分類編碼體系中，每一個類別有且僅有一個編碼，一個編碼也只對應一個元素類別。

(2)規范性

在分類編碼體系中，編碼結構及格式應保持一致。對編碼中使用的符號給與解釋說明。

(3)擴展性

元素分類編碼時應考慮冗余余量，滿足未來不斷擴展的需要。

3.2 編碼方法

層級編碼以對象層級分類為基礎，將對象編碼成為順序遞增可擴展的類。對象編碼由表格編碼和層級編碼(第一級、第二級等)組成，表格編碼和層級編碼都由2位數字組成。采用“-”連接分類與層級碼，采用“.”連接層級碼。在項目建設的不同階段，項目對編碼的精確度要求不一樣，單一類目的編碼并不能精確的描述對象，將不同編碼與“+”、“-”、“<”、“>”符號一起使用可以準確地描述復雜對象。

不同的運算符號代表不同的含義，“+”將多個代碼組合在一起；“/”表示單個表中的分類對象代碼段，“/”前代碼為起點，“/”后代碼為終點，“<”“>”用于表示分類對象間的隸屬或主次關系[15]。

元素編碼一般結構如圖2所示。

圖2 分類編碼結構圖

表編號來源于《橋梁工程信息模型分類》，如“編3”對應橋梁工程信息模型分類表中的元素表。層級編碼對應元素表中的某個元素，每一個層級編碼對應元素分類表中的相應層級的編碼對象。

本文著重介紹橋梁工程分類編碼體系，把需要編碼的對象分解為樹狀層級結構，部分分類表格如表2-4所示。

表2 按功能分橋梁(部分)

編碼第一級第二級備注01-01橋梁01-01.01公路橋01-01.02鐵路橋01-01.03公鐵兩用橋01-01.04人行天橋01-01.05管線橋

表3 按形式分橋梁(部分)

編碼第一級第二級第三級備注02-01橋梁02-01.01懸索橋02-01.01.01單塔02-01.01.02雙塔02-01.01.03多塔02-01.02斜拉橋02-01.02.01單塔02-01.02.01雙塔02-01.02.01多塔

表4 橋梁元素分類表(部分)

編碼第一級第二級第三級第四級第五級03-01橋梁03-01.01下部結構03-01.01.01基礎03-01.01.01.01樁基礎03-01.01.01.01.01承臺03-01.01.01.01.02樁基03-01.01.01.02沉井03-01.01.01.03地連墻03-01.01.01.04………03-01.01.02墩臺

4 分類與編碼體系應用

4.1 EBS編碼

EBS是工程結構在信息系統的數字化描述，將實際工程結構拆分為滿足管理需要的最小單元。EBS編碼結構形式為樹狀層級結構，是分類編碼的實例化編碼形式。本文將EBS編碼形式定義如圖3所示。

圖3 EBS編碼結構圖

編碼形式中的分幅位置可根據項目需要進行層級的調整，整個EBS的編碼層級不固定，根據項目需要，管理人員可進行不同層級的編碼，滿足復雜項目的使用要求； 每一個元素編碼由兩部分組成：元素類型編碼和實例化編碼，中間用“：”連接，“：”前的編碼為元素類型編碼，其可與《橋梁工程信息模型分類表》中元素類型表的分類編碼進行一一映射，“：”后的編碼為這個元素的實際編號，如“02：001”中“02”與《橋梁元素分類編碼表》中的樁基礎編碼保持映射，“001”表示001號樁基。

以平塘特大橋主塔基礎和引橋基礎為例，根據上述編碼結構可表示為：PTQ-01-01-01：015-03-01-01： 01(平塘特大橋—橋梁工程—下部結構-15#索塔—不分幅—基礎—承臺)和PTQ-01-01-02：020-01-01-02： 001(平塘特大橋—橋梁工程—下部結構-20#橋墩—左幅—基礎-001號樁基)。

工程系統按照“功能面”及“工程要素”進行結構分解，分解對象編碼形成EBS編碼集合。EBS編碼集合反映工程項目的實體結構，信息模型分類編碼可確定橋梁元素的類型。兩種編碼保證映射關系，并且聯合使用形成工程項目編碼體系，其可反映工程實體的結構層次，又可使信息模型在不同專業信息系統共享及流轉過程中，元素能被正確解析出相應類型及附帶的屬性信息。

4.2 分類與編碼體系作用

在設計階段，技術人員按照EBS編碼規則及對應的分類編碼表可進行橋梁元素標識符的編碼工作，此編碼具有唯一性。在BIM模型建模過程中，建模人員可將確定的唯一編碼賦予BIM模型。BIM模型附加的結構化信息及非結構化信息就可無損傳遞給施工階段。

在施工階段，技術人員基于相同的分類編碼規則及EBS編碼規則就可以接受設計階段傳遞的BIM模型，并提取模型上附加的屬性信息。施工期項目管理工作是基于WBS展開的，WBS是將項目涉及的各項內容按照一定的準則進行分解，直至分解成內容單一、便于管理的工作單元，是對工作任務的分解。WBS與EBS的編碼是高度類似，密不可分的，根據設計模型上附加的編碼可以快速形成一套適合于施工期項目管理工作的WBS編碼。

5 結論

建立一套適合全生命周期的編碼規則體系是實現BIM模型信息交互的重要保障。通過對國內外建筑、鐵路、公路及市政領域信息分類與編碼體系的研究分析，結合橋梁工程的特點，本文將橋梁工程中的對象分為11張分類表，并制定EBS編碼結構形式。分類編碼可以確定元素的類別屬性，EBS編碼可以確定橋梁工程構件的唯一性，兩者結合對BIM模型信息傳遞及項目管理工作提供重要保障，提出一套適用于橋梁工程BIM技術應用需要的分類與編碼體系。

本文提出的分類與編碼體系只經過部分項目的應用，分類編碼表中關于附屬結構及交通工程的內容還需進一步完善，編碼體系的應用還局限在設計及施工階段，運維階段的應用暫未開展。