IFC標準下隧道智能管理系統建立與應用

鄭 帥， 姜諳男， 趙龍國， 張 勇， 申發義， 苗 偉

(1.大連海事大學 交通運輸工程學院道橋所, 遼寧 大連 116026; 2.吉林省高速公路集團有限公司， 吉林 長春 130000)

0 引言

建筑信息模型(Building Information Model， BIM)將傳統的二維圖紙轉換為三維交互模式，實現了工程設施(建設項目)物理信息的三維數字化直觀表達。更加重要的是，BIM在幾何模型的基礎上承載了設計、施工、監測、運維等多方建筑相關信息，這些信息不是單純的羅列于模型后臺數據庫中，而是依據相應標準存儲于各個模型構件內，大幅提高了信息管理與交互效率。

當前BIM主流建模平臺(例如Revit)與相應數據標準(例如IFC)偏重于對房屋建筑領域的表達，在隧道、基坑等巖土工程領域的應用方法還不完善[1]。針對這個問題，已有學者進行了相關探索。BIM模型與監測數據集成和管理方面，王超[2]提出了基于IFC標準的結構健康監測信息的集成和表達方法，并對Revit平臺進行二次開發，實現了結構健康監測信息的集成和可視化管理。SMARSLY[3]等通過擴展IFC標準實現了對語義模型的描述和表達。LIU[4]等對IFC、SensorML等標準進行了研究，分析了上述標準對傳感器信息的支持程度，最終分別實現了SensorML對傳感器類型信息的描述和IFC標準對傳感器實體信息的描述。此外，RIAZ[5]等完成了現場環境監測數據與BIM系統的集成，對施工環境的安全性進行分析及預警。ATTAR[6]等通過對辦公樓房間內照度、溫度、濕度等數據進行采集并集成到BIM系統中，實現了對上述數據的可視化的查詢進而分析了建筑的性能。結構模型的力學計算和分析方面，鄧雪原[7]等通過提取 IFC 標準模型中的信息，對BIM模型與結構模型的轉換進行探索，并生成了能夠被ETABS 和 SAP2000所識別的結構模型。李艷妮[8]等完成則是從數據接口開發的角度實現了Revit軟件與 SAP2000 軟件模型數據轉換。張劍濤[9]等探討了 IFC 文件與PKPM軟件之間的轉換。宋杰[10]、方海龍[11]等采用 Revit API 對Revit進行二次開發，編寫了模型信息提取及APDL命令流轉化插件，實現 Revit 和 ANSYS 之間的轉換。

當前，BIM的信息集成功能日趨完善，但是尚缺乏對這些集成信息有效處理與應用。對于隧道工程而言，施工過程中逐步揭露的巖體信息是反映巖體性質的最直觀判據，通過對這些信息的處理進行動態的施工調整是新奧法隧道施工所重點強調的內容之一。因此，本文首先對IFC標準進行隧道領域拓展，形成了隧道信息的IFC存儲規范；然后，開發相應計算功能模塊，對工程信息進行處理，最終建立了隧道智能管理系統平臺。

1 工程概況

甄峰嶺隧道屬于吉林省龍蒲高速公路段，是一條連接西城鎮與松江鎮的山嶺隧道工程。施工區域為長白山系北側支脈，隧道區地面高程918.50～1345.50m，最大相對高差427m左右。隧道采用分離式斷面布置形式，包含左右兩幅，左幅長5497m，右幅長5561m，為特長隧道。隧道整體采用暗挖形式，實際施工狀態如圖1所示。

圖1 隧道施工實況

甄峰嶺隧道地質條件復雜，工程量大且工法轉換頻繁。施工過程中設計大量的數據存儲、交互與讀取過程，以其為背景，探索建立BIM智能管理系統。

2 基礎模型建立

2.1 族庫模型構件

隧道結構外形特征及內部構造復雜，隧道模型創建對于以現代建筑建模見長的BIM建模軟件Revit來說是一個挑戰。Revit雖然在項目中提供墻、梁、窗以及樓板等構件樣板，顯然這些構件在隧道建模中無法進行使用，在此嘗試通過Revit提供的參數化族建模方式創建隧道構件族庫，然后通過在項目中進行裝配的形式建立工程模型。

在Revit軟件中，依次進行族樣版選擇、參照平面選取與幾何模型繪制、專業屬性參數添加、模型檢查與驗證。各步驟均為Revit自帶功能，在此不再贅述詳細操作過程，最終隧道參數化構建族模型如圖2所示。

(a) 襯砌族構件

2.2 族庫拼裝與特殊模型

Revit系統中提供了模型坐標系、視圖坐標系、族坐標系和鏈接模型坐標系等多種形式下的坐標定位。本文在族坐標系下完成了族庫中隧道構件族模型的創建，而建立隧道項目即完成族構件的組合時，為統一各個族構件的相對位置，則采用了模型坐標進行模型定位。

在此通過將隧道各族構件載入到項目并按照隧道中心線坐標進行定位，同時對部件的尺寸參數進行修改，依次完成隧道襯砌、臨時支撐結構、錨桿等構件的拼裝。拼裝形成的隧道局部渲染效果與隧道彎曲段段BIM模型如圖3、圖4所示。

圖3 隧道局部組合渲染模型

圖4 隧道彎曲段模型

限于隧道工程的特殊性，對于不同的地質條件需采用相應的開挖工法，因此需建立隧道開挖工法BIM模型庫以滿足不同情況下隧道開挖形式的BIM展示需求。仍采用前述方法，分別對臺階法、預留核心土法、中隔壁法，單側壁導坑法、雙側壁導坑法等5種開挖工法模型進行模型建立，建立結果如圖5所示。

圖5 隧道開挖工法BIM模型庫

3 IFC標準拓展與解析

工業基礎類(Industry Foundation Class，IFC)標準是BIM軟件之間信息交互的通用規范。在現階段，雖然IFC標準中已經定義了許多較為詳細的實體及類型用于描述BIM模型對象空間和物理信息，但這些實體并沒有考慮到隧道結構的特征，無法用于直接描述隧道結構。

隧道工程區別于一般工程的特點是構件類型以及幾何外觀，在IFC標準中幾何外觀屬性是由資源層所定義的特定類型實體進行描述。實際需求調研表明，IFC標準的資源層、核心層、共享層所包含的對象類能夠滿足基礎調用需求，因此對IFC標準領域層實體進行擴展。

3.1 實體拓展

自定義新的IFC實體，首先需基于IFC標準進行隧道空間結構及物理元素的表達，明確新增實體類的名稱以及其在IFC模型框架中的繼承關系。并利用EXPRESS語言完成隧道新增實體及其對應類型枚舉的定義，然后在官方提供的標準EXPRESS文件(即IFC標準內容文件)基礎上將自定義隧道實體以及類型加入到它的父級對象下，同時需要加入類型枚舉、約束等其自身的屬性。分別從空間結構與實體元素表達兩個方面介紹拓展方式。

a. IFC標準對建筑領域的空間結構的描述是通過將空間結構的超類Ifc Spatial Structure Element派生為IfcBuilding(建筑)、Ifc Building Storey(樓層)、IfcSite(場地)和Ifc Space(空間)等空間描述子類的方式，根據空間布置將項目整體模型分解為各個子集合。通過對現有IFC標準對房建工程項目的空間結構描述方式進行借鑒，本文在現有空間結構的超類所派生的子類基礎上添加表示隧道整體空間的實體Ifc Tunnel和表示隧道分部空間的實體Ifc Tunnel Part，用以專門進行隧道空間結構描述及表達。

五要加強水土流失綜合治理，保護和改善農村生態環境。繼續推進長江上中游、黃河上中游、東北黑土區、西南石漠化地區等重點區域水土流失綜合治理，進一步加大革命老區水土流失治理力度。突出加強以小流域為單元的坡耕地水土流失綜合治理，力爭到2020年建成1億畝標準化、規模化、設施配套化的旱澇保收基本農田和高標準梯田。依法強化預防保護和監督檢查，有效防止人為水土流失，實施清潔小流域工程，開展農村水環境綜合整治，改善農村人居環境。

b. 隧道物理元素表達可參考建筑結構物理元素的實體描述方式，其定義隧道結構實體類同樣需要包含通用元素、外形表達等信息，故可首先添加土木領域結構抽象超類Ifc Civil Element，并將其與建筑領域結構元素抽象超類Ifc Building Element放置于IFC框架機制的相同位置層次，使其同樣繼承于IFC標準中表示物理結構元素的超類Ifc Element，然后在Ifc Civil Element下添加Ifc Tunnel Element，用于作為所有隧道結構元素的抽象超類從而派生圍巖(Ifc Tunnel Surounding Rock)、錨桿(Ifc System Anchor Bolt)、鋼拱架(Ifc System Steel Frame)等構成隧道結構的主要組件進行隧道結構元素的描述。

參照上述過程，將第2節中所建立的模型生成為IFC文件，并采用C#語言開發了檢索程序，進行隧道領域相應實體的明確定義寫入，如圖6所示。其意義在于明確了各隧道組成結構的分類信息，便于BIM概念在隧道工程中的進一步推廣應用。

圖6 隧道IFC標準拓展寫入

3.2 屬性拓展

對于IFC中已拓展的隧道實體，參照實際工程需求對各實體進行屬性拓展，具體屬性集劃分及具體屬性定義可依據實際功能需求進行界定。遵循IFC基本格式規范，將相關屬性名稱及屬性值以屬性集的形式寫入至拓展實體中，完成隧道領域IFC屬性拓展目的，并開發圖6所示相應C#檢索程序實現自動化讀寫過程。

在實體拓展基礎上進行屬性拓展意義在于能夠從根本上實現隧道領域具體信息的跨平臺交流。拓展后的、以IFC文件為表述載體的隧道信息不僅能夠在自主開發平臺中進行調用展示，同時能夠在Revit通用平臺中進行讀取，說明能夠實現拓展信息的跨平臺交互目的，完成了隧道領域信息的規范化無損交流。拓展結果在自主開發平臺與Revit中的讀取結果分別見圖7、圖8。

圖7 自編譯平臺的效果展示

圖8 Revit平臺的拓展結果展示

4 隧道智能管理系統

我國隧道多采用新奧法進行施工，新奧法的核心思想是關注圍巖特性，充分利用其自身穩定性進行針對性支護。施工過程中，及時獲取圍巖信息，并根據相關信息進行穩定性評價與支護方案優化等動態設計過程是新奧法施工的關鍵所在，當前隧道動態施工尚未形成有效的動態設計體系與相應的智能管理系統，為了實現這個目標，在前述IFC標準在隧道領域拓展基礎上，開發隧道智能管理系統，初步建立了隧道工程的智能化管理系統，為隧道智能施工進行了有益的探索與嘗試。

所建立的智能管理系統主要包括自動化監測數據處理、圍巖分級與工法推薦、圍巖參數反分析等核心功能，系統主界面如圖9所示，各主要功能應用實例將一一介紹。

圖9 隧道智能管理系統

4.1 自動化監測數據處理

通過前文已建立方法，對自動化監測終端進行BIM建模，并將相應信息寫入至拓展的IFC標準中。自動化監測系統所采集數據通過GPRS上傳至云端后存儲于服務器中，通過IFC讀寫程序將服務器上的傳感器測量數據同步到本地BIM模型，點擊查詢功能鍵，實現對IFC標準隧道信息集成模型相應傳感器的監測數據進行查詢分析、監控量測數據曲線查看以及監控量測數據預警，如圖10、圖11所示。

圖10 自動化監測模塊

圖11 自動化監測數據查詢與預警

4.2 分級預測與工法推薦

甄峰嶺隧道地質復雜，變異性大且地層交錯變化，因此在施工過程中進行及時有效的圍巖等級評價是十分必要的。程序編寫過程中，分別采用DE-ANN和BQ兩種方法進行分級計算，綜合非線性映射結果與經典公式計算結果對比驗證共同確定巖體實際狀態，計算界面見圖12。

該圍巖分級模塊提供BIM分級參數查看以及BIM分級參數修改等圍巖參數操作選項，用于將查詢及修改隧道集成模型IFC文件中的圍巖分級指標屬性參數。點擊“圍巖級別預測按鈕”，程序對當前界面所顯示的BIM圍巖分級指標參數進行分級計算，最終兩種分級方式所得結果都將顯示于操作界面，供用戶對比分析以確保分級的準確性，與此同時，該動態圍巖分級結果也及時寫入至相應IFC文件。

圖12 隧道圍巖分級計算界面

動態圍巖分級進入圍巖分級信息可視化查詢功能模塊后，鼠標左鍵點選可視化隧道模型或IFC文件結構樹形架構中的圍巖或地質體模型，圍巖分級信息解析顯示窗口則實時更新相應圍巖分級信息。分級結果的BIM展示如圖13所示。

圖13 分級結果BIM展示

根據分級結果，系統允許通過Navis Work時程控制的方式進行圖5所示開挖工法庫的開挖工法推薦，進行相應圍巖級別下開挖工法的三維動態展示。

實際施工過程中，應用本程序計算得K94+276～ YK94+246區段為Ⅴ級圍巖，此處原設計級別為Ⅳ級。因此對支護方案進行了加強變更，變更后結果如圖14所示。按變更方案施工后，安全監測結果顯示該區域為穩定狀態，說明了程序應用的有效性。

圖14 變更后施工情況

4.3 隧道錨固參數優化

該模塊能夠實現隧道反饋分析集成模型IFC物理文件中工程設計錨固參數的查詢，并提供對相應斷面的錨固參數優化功能，通過點擊錨固參數優化按鈕，系統調用后臺基于粒子群算法的隧道圍巖錨固參數優化程序，分別給出圍巖變形最小、工程造價最低情況下的錨固支護方案，系統基于上述兩種錨固參數方案給出較為合理支護參數優化結果，并在窗口右下角的支護參數優化結果顯示欄內顯示，見圖15。

圖15 圍巖參數反分析模塊

點擊優化結構反饋至BIM模型功能按鈕，該斷面的錨固參數優化結果則反饋至隧道動態施工信息集成模型，同時窗口右上角的模型顯示區對更新后的模型進行顯示，便于施工管理人員查詢參考。

5 結論

a. 建筑信息模型是復雜工程信息管理的一種有效平臺與途徑，但是當前已有規范僅適用于房屋建筑領域，隧道等土木工程建設的BIM信息管理模式還不完善，巖土工程相關BIM標準有待于進一步開發。

b. 基于IFC標準的隧道工程信息存儲標準拓展是一種巖土工程信息科學管理與規劃的有效手段，能夠實現不同BIM平臺之間工程信息的無損交互，可為相關基坑、邊坡等巖土工程施工信息管理平臺建立提供參考。

c. 隧道施工過程中各方信息是相互關聯的，對所得信息進行計算分析是信息化施工過程不可或缺的一步。本文嘗試建立的基于IFC標準拓展的隧道工程智能管理系統平臺，經驗證具有一定的工程適用性，為類似巖土工程信息化施工體系建立提供了一種新思路。