基于IFC的水利水電工程信息模型存儲標準研究

劉丹 滕彥 周爭 何逸凡 王志敏

摘要：為規范水利水電工程信息模型（WPIM）數據在全生命期各階段的存儲和交換，基于國際標準Industry Foundation Classes（IFC 4.0.2.1）規定的數據模式，研究了水利水電工程信息模型的數據存儲標準。結果表明：在IFC標準規定的領域層、共享層與核心層中新增水利水電工程空間結構單元（Spatial Structure Element）、構件單元（Element）兩類實體和相關關系實體，通過新定義實體（Entity）、預定義類型（Predefined Type）、屬性集（Property Set）的方式，擴展編制了水利水電工程信息模型存儲標準。該標準是中國水利水電勘測設計協會水利水電BIM聯盟先行啟動的4項BIM標準之一，適用于水利水電工程全生命期全專業的BIM模型的存儲和交換。

關 鍵 詞：BIM; IFC; 數據標準; 水利水電工程

中圖法分類號： TV61;TP312 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.037

0 引 言

BIM技術已在工程行業應用多年，在工程全過程、全專業、全參與的過程中BIM應用軟件種類繁多（如Revit、Bentley、Catia、Tekla Sructurest、Rhinoceros等），不同軟件生成的文件格式不盡相同，導致數據交互困難，形成信息孤島[1]。為此，building SMART提出以工業基礎類（industry foundation classes，IFC）作為BIM數據交換的標準[2]。IFC是一種中立、開放的數據交換格式。張建平等[3]提出了基于IFC標準的建筑結構設計信息模型的自動轉化方法，實現了多種模型之間的自動轉化;楊緒坤[4]等基于IFC擴展研究了鐵路工程BIM存儲標準;陳國良[5]基于IFC標準研究了三維地質模型的擴展模型IFC-3DGeoMdl，實現了地質模型與其他專業BIM模型的集成;趙繼偉[6]基于IFC研究擴展了水利工程BIM模型描述標準;張志偉[7]等基于IFC研究水電工程信息模型數據導出與交換情況，并根據實際工程進行了驗證;張社榮[8]等基于IFC研究了水電設備信息模型的創建技術。但水利行業基于IFC的研究還是小范圍，沒有成體系，無法解決行業內BIM數據不互通的問題。為此，水利水電BIM聯盟在2017年啟動了水利水電工程信息模型（water and hydropower projects information modeling，WPIM[9]）存儲標準編制項目，在IFC數據架構基礎上，根據水利水電工程的需求擴充形成了水利水電的BIM數據存儲標準，以期打通BIM數據在水利水電工程全專業、全階段、全參與方之間的流轉，進一步促進BIM技術在水利水電行業深度發展。

1 IFC標準

1.1 IFC體系結構

IFC標準是由國際組織building SMART制定的一個公共的、中性的建筑產品數據描述標準。截至目前，最新被納入ISO標準的版本為2018年發布的ISO 16739-1：2018（IFC 4.0.2.1）[10]，本次研究在該版本的基礎上進行。

IFC標準為工程信息數據提供了一個模塊化的模型結構，由4個概念層次組成，從下往上依次為資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、共享層（Interop Layer）、領域層（DomainLayer），各概念層次相互之間規定了嚴格的調用關系。每個層次只能引用同層或下層的信息資源，不能引用上層信息資源。每個概念層次中定義了一系列的模型模塊[4]。

在IFC體系中，核心層規定了IFC模型的基本框架和擴展機制，除資源層類型外，所有實體類型均由核心層實體1fcRoot繼承而來;同時，根類IfcRoot還派生出屬性定義IfcPropertyDefinition實體、關系IfcRelationship實體、對象IfcObjectDefinition實體3個基本抽象類，每個基本抽象類又分別派生出相應的子類，如圖1所示[6，11]。水利水電工程主要基類實體在圖1所示的IFC體系結構的基礎上進行繼承擴展。

1.2 IFC擴展機制

IFC標準具有3種擴展方式，分別為IFC實體擴展、屬性集擴展、基于IfcProxy的實體擴展。IFC實體擴展和基于lfcProxy的實體擴展屬于實體擴展機制的方式，可以滿足用戶直接自定義實體的要求;其中，IFC實體擴展是新增實體定義，而基于IfcProxy的實體擴展是臨時派生。IFC屬性集擴展的機制是在已有的實體描述基礎上，增加新的沒有定義的屬性信息[6]。

針對IFC標準缺乏水利水電領域描述，需要進行擴展大量新的實體定義情況，采用增加IFC實體定義的方式進行擴展編制，這種方式也是對IFC標準的擴充，運行效率較高。對于IFC標準已有的相關工程對象的定義，直接加以引用，不再重復定義實體。

2 水利水電工程IFC擴展

2.1 水利水電工程空間結構分解

IFC分解方式有3種：系統分解、實體構件分解、空間結構分解。系統分解主要應用于機電系統中，空間結構分解主要應用于土建領域[12-13]。按照專業領域劃分，可以將水利水電工程劃分出土建專業、機電金結專業以及地質專業三大類。針對土建部分，采用空間結構分解與實體構件分解相結合的方式。分解方法為：空間結構→更小的空間結構→構件。故水利水電工程項目（IfcProject）包含水利水電工程建筑產品（IfcWaterAndHydropower），水利水電工程建筑產品可分解為水利樞紐建筑物（IfcHydroJunction）、導截流建筑物（IfcDiversion）、引調水建筑物（IfcTransfer）、河道整治建筑物（IfcRiverRegulation）。水利樞紐建筑再分解為擋水建筑物（IfcDam）、泄水建筑物（IfcSpillway）、引水發電建筑物（IfcHeadracePower）。由此土建專業分解成以上幾個空間結構單元（SpatialStructure），然后再進行實體構件分解，最終分解到構件級（Element）。空間結構單元、構件之間的關系如圖2所示。其中，IfcRelAggregates表示聚合關系，它有2個屬性：RelatingObject和RelatedObjects。RelatingObject表示聚合對象，是整體的意思;RelatedObjects表示被聚合的對象，是部分的意思，應用于空間結構單元之間。IfcRelContainedInSpatialStructure表示空間結構包含關系，也有2個屬性：RelatingStructure和RelatedElements。RelatingStructure表示空間結構單元，RelatedElements表示包含在空間結構單元中的構件，應用于空間結構單元與構件之間。

針對地質專業部分，也采用空間結構分解與實體構件分解相結合的方式，分解為地層、不良地質體、地質構造、地下水等，再往下細分至構件。

針對機電金結部分，采用系統分解與實體構件分解相結合的方式，分解方法為：系統→子系統→設備[12-13]。將機電金結系統分解為水機、金結、電氣、通信4個子系統，然后再進行實體構件分解，最終分解到設備級。

2.2 水利水電工程信息模型基礎數據架構

在IFC數據架構基礎上，根據水利水電工程特點進行擴展的水利水電工程信息模型基礎數據架構如圖3所示。在核心層，新增水利水電工程相關概念實體。

在共享層，新增共享水利水電工程元素的定義，包括公用構件類型、公用空間結構單元、公用構件實體、公用關系實體、公用屬性集。在領域層，新增土建專業、機電金結領域、地質專業領域3個領域。

3 基于IFC的水利水電工程具體擴展內容

本次研究主要將WPIM（水利水電工程信息模型）劃分為空間結構單元、構件2種。在IFC基礎上，通過新定義相應的空間結構單元（IfcSpatialStructureElement）、構件（IfcElement），給出具體的實體定義、類型定義與屬性集定義的方式進行擴展[14]，各層次具體擴展實體如表1所列。

3.1 土建IFC擴展

3.1.1 土建領域數據模式

通過定義相應的空間結構單元和構件的方式，來擴展土建BIM模型基礎數據架構，其IFC類擴展繼承關系如圖4所示。

空間結構單元與構件的擴展方法類似，現以構件的擴展為例，首先從IfcElement派生出IfcWaterAndHydropowerElement（水利水電工程構件），再派生出IfcDamElement（擋水建筑物構件）、IfcSpillwayElement（泄水建筑物構件）、IfcHeadracePowerElement（引水發電建筑物構件）、IfcDiversionElement（導截流建筑物構件）、IfcTransferElement（引調水建筑物構件）、IfcRiverRegulationElement（河道整治建筑物構件），放在領域層。每一項又可擴展出具體的構件，如擋水建筑物構件可派生出大壩壩身（IfcDamBody）、大壩結構層（IfcStructureLayer）、防滲體（IfcImperviousBody）、壩頂抗震結構（IfcAseismicStructure）等構件。

3.1.2 共享數據模式

考慮到水利水電工程各擴展領域中存在通用的空間結構單元、構件，如隧洞、襯砌、水工墻等不僅存在于引水發電工程，也存在于引調水工程，將這類實體統一歸集為水利水電工程共享數據，新增公用空間結構單元實體定義、公用構件實體與類型定義、公用關系實體定義、公用屬性集定義。

如表1所列，新增公用空間結構單元實體定義水利樞紐空間結構單元（IfcHydroJunctionStructureElement），EXPRESS描述如下：

ENTITY IfcHydroJunctionStructureElement

SUPERTYPE OF（One of

（IfcDamStructureElement

，IfcSpillwayStructureElement

，IfcHeadracePowerStructureElement））

SUBTYPE OF（IfcWaterAndHydropowerStructureElement）;

END_ENTITY;

通過對各類工程的梳理整合，公用構件實體主要為混凝土構件（IfcConcreteElement）與巖土構件（IfcGeoElement）。混凝土構件包括：隧洞、襯砌、噴混、廊道、水工墻、樓梯、交通橋、孔口、墩、梁、水工板、柱、護坦、護底、樁等。巖土構件包括錨桿、錨索、鋼筋網、鋼拱架、臨時支護、止水、排水等。其中混凝土構件（IfcConcreteElement）EXPRESS描述如下：

ENTITYIfcConcreteElement

SUBTYPE OF（IfcWaterAndHydropowerElement）;

PredefinedType：IfcConcreteElementTypeEnum;

END_ENTITY;

根據水利水電工程需求擴展了4個關系實體。填充關系實體（IfcRelFillsHydraulicElement）與空腔實體邊界關系（IfcRelBoundryOfHollowElement）因為建立在水工實體與其父級（IfcElement）之間，故設置在核心層[3]。上下游關系（IfcRelWaterConnectionElement）與左右岸關系（IfcRelBankConnectionElement）由于僅涉及水工專業實體，可設置在共享層或領域層，考慮IFC數據架構遵從重力引用原則，將這2個關系實體放在共享層。其中填充關系實體（IfcRelFillsHydraulicElement）EXPRESS描述如下：

ENTITY IfcRelFillsHydraulicElement

SUBTYPE OF IfcRelConnects

RelatingElement：IfcWaterAndHydropowerElement;

RelatedHydroElement：IfcElement;

END_ENTITY;

共享層定義了一些公用構件，需對每一類構件定義屬性集，考慮到一些構件具有一部分相同的屬性，如隧洞、水工墻、樓梯、交通橋等都是混凝土構件，為避免每類構件重復定義屬性，抽取出相同屬性形成公用屬性集[12]。按照IFC屬性集定義規則，公用屬性集定義了水利水電工程通用屬性集、混凝土構件通用屬性集以及一些公用構件的專有屬性集。混凝土構件通用屬性集包含屬性如表3所列。

3.2 機電金結IFC擴展

由于水利水電工程機電金結對象的擴展與土建對象的組織邏輯不同，機電金結屬于“網狀輸送系統”，因此采用系統分解與實體構件分解相結合的方式。在IFC標準中，有專門針對管線輸送系統IFC模型描述的方式：① 用來表達定義整體的管線空間結構關系的管線系統對象（IfcDistributionSystem）;② 用來定義連接各類實體之間關系的接口對象（IfcDistributionPort）;③ 用來定義各類具有真實物理形狀實體的管線實體構件（IfcDistributionElement）[15-16]。

3.2.1 機電金結系統對象

機電金結信息模型基礎數據架構由配送系統（IfcDistributionSystem）、配送構件（IfcDistributionElement）及配送接口（IfcDistributionPort）組成。將水利水電工程機電金結系統劃分為4個專業系統：水機系統（IfcHydraulicMachine）、金結系統（IfcMetalStructure）、電氣系統（IfcElectrical）、通信系統（IfcSignalCommunication），并為其定義新的構件實體、構件類型與屬性集，以滿足水利水電工程領域的需求。IFC管線系統對象聚合關系如圖5所示。

3.2.2 設備對象

以水機系統擴展為例，使用IfcDistributionSystem表達整個水機系統，使用IfcDistributionElement進行設備構件對象的表達（擴展繼承關系見圖6），在IfcFlowController（管線控制設施）下擴展IfcValve（閥門）、IfcGenerator（發電機）、IfcGeneratorCircuitBreaker（發電機斷路器）;在IfcDistributionChamberElement（管線上的節點裝備）下擴展IfcHydraulicMeasuringDevice（水力測量裝置）、IfcAuxiliaryWatervaperSystem（輔助水氣系統）、IfcGeneratorCircuitBreaker（發電機斷路器）;在IfcFlowMovingDevice（流體動力設施）下擴展IfcTurbine（水輪機）、IfcPump（泵）等構件（見圖6）。

對新增的設備構件進行類型定義、實體定義與屬性集定義，形成水機系統的BIM數據存儲規則，金結、電氣、通信系統擴展方法與其類似，均可參照執行。

4 標準應用

基于本研究擴展形成水利水電IFC標準的不同軟件平臺之間的數據共享與交互應用路線（見圖7），包括2方面數據交互，具體如下。

（1） 建模軟件之間數據交互。Revit、Bentley、Catia等BIM軟件可通過配置文件或修改設置手動自定義添加IFC類，也可通過二次開發IFC定義設置功能。根據本研究制定的標準批量設置完成后導出為IFC文件，能更精確地表達水利水電工程實體與信息，滿足在不同軟件之間的數據無損交互。

（2） 與BIM平臺數據交互。基于IFC標準建立模型解析邏輯，實現IFC模型的結構化處理，并在此基礎上建立BIM模型平臺，進一步實現基于IFC標準的信息模型數據共享和交換，滿足后續基于BIM的各項業務應用。

5 結 語

本文以IFC標準為基礎，闡明了水利水電工程土建領域空間分解邏輯與機電金結領域系統分解邏輯，分土建類與機電類兩大方面研究水利水電工程信息模型存儲標準具體擴展方案。目前，基于IFC擴展的水利水電工程信息模型存儲標準已于2020年5月正式對外發布與實施。

由于人力資源、時間、經費等因素限制，沒有對施工領域相關內容做過多擴展，有待進一步完善，并且也暫未開展基于實際項目的軟件驗證工作，計劃下一階段實施并作為完善標準的依據，為全面實現水利水電工程項目全階段、全專業、跨平臺的BIM應用與協同奠定基礎。

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（編輯：鄭 毅）