路基與土方工程IFC國際標準研究

趙飛飛，韓斌，楊緒坤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著BIM技術快速發展，其內涵和外延不斷深化和拓展，應用領域也從最初的建筑領域逐漸擴展到基礎設施領域。基礎設施是社會運轉所需的基礎工程設施，BIM技術在基礎設施全生命周期具有巨大的應用潛能［1-2］，而信息交換貫穿其整個生命周期。

工業基礎類（Industry Foundation Classes，IFC）是由buildingSMART發布的BIM數據交換標準，提供了一個綜合的、中立的、標準化的BIM數據交換格式，不依賴于具體系統。隨著BIM在基礎設施領域的廣泛應用，IFC標準也逐漸向基礎設施領域擴展［3-4］。在buildingSMART國際組織中，基礎設施室（Infrastructure Room）負責定義公路、橋梁、隧道等基礎設施領域的IFC標準，鐵路室（Railway Room）負責定義鐵路工程IFC標準，并分別建立了相應的IFC Road、IFC Bridge、IFC Tunnel、IFC Rail［5］等項目組。在各標準編制過程中發現，基礎設施領域存在共性的一些概念在多個項目中分別定義，容易出現不一致的問題。為此，基礎設施室在2018年啟動了IFC公用模式（IFC Common Schema）項目，旨在識別基礎設施領域共用的對象，并統一進行IFC標準擴展定義，以保證對象定義的一致性。路基與土方工程是IFC Common Schema項目的一項重要研究內容。

路基與土方工程是基礎設施領域不可或缺的組成部分，也是其他工程的基礎。在鐵路工程信息模型數據存儲國際標準框架［6］下，考慮基礎設施領域公路、鐵路等行業的應用需求，定義路基與土方工程概念模型。基于IFC標準，構建路基與土方工程IFC標準擴展架構，確定實體繼承關系，為標準編制提供重要支持。

1 路基與土方工程IFC用例

用例（use case）識別是進行需求分析的常用手段，主要用于確定交換場景和交換需求，即確定信息交換方、信息交換內容、信息交換階段、信息交換格式以及信息交換粒度。在IFC國際標準研究過程中，識別用例、確定需求通常是第1步，也是IFC標準擴展的基礎。大多數項目具有一些較為典型的用例，如可視化、模擬仿真、工程量計算、成本估算等。

building SMART在其發布的IFC基礎設施總體架構指南［7］中，定義了基礎設施領域14個通用用例。基于這些通用用例，同時參考IFC Bridge、IFC Road等基礎設施領域項目確定的用例，并通過與IFC Common Schema項目組國際專家進行充分研討，識別了路基與土方工程共27項IFC用例（見表1），包括通用用例和專有用例。其中，基床結構層厚度確定、土方填挖設計、邊坡防護設計、地基處理設計、邊坡穩定性分析和土方調配等是路基與土方工程的專有用例。

表1 路基與土方工程IFC用例

2 路基與土方工程概念模型

概念模型是現實世界到信息世界的第1層抽象，可用于表達某領域相關概念及相關概念之間的關系。IFC基本概念分解方式包括空間分解、功能（系統）分解、物理構件分解。路基與土方工程是基礎性工程，在空間上可以包含到其他工程結構中。根據IFC標準擴展的基本原則，盡量減少新增實體定義。因此，路基與土方工程相關概念主要從物理構件的角度進行分解。

統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是國際上標準化的建模語言，采用文本和符號圖形化描述面向對象的模型［8］。采用UML構建路基與土方工程概念模型，可理清路基與土方工程領域涉及的實體及相互之間的關系。在構建概念模型時，實體抽象的粒度需適當。粒度太大，難以反映工程中的實際需求；粒度太小，將使標準內容過于龐大，不利于標準的維護。

UML中有多種關系類型，如聚合（Aggregation）、泛化（Generalization）、依賴（Dependency）等。聚合用于表示整體與部分的關系；泛化用于表示一種繼承關系，子類繼承父類的所有屬性和方法；依賴表示一個概念依賴于另一個概念的定義，是一種單向的弱關聯關系。在路基與土方工程概念模型構建過程中主要使用聚合、泛化2種關系類型，表達概念與概念之間的關系。

一段路基可視為由路基與土方工程元素組成；路基與土方工程元素可進一步分為填方、挖方、地基加固和護坡；填方、挖方、地基加固可根據施工工藝工法進一步細分。路基與土方工程概念模型見圖1。

圖1 路基與土方工程概念模型（UML）

3 路基與土方工程IFC標準擴展

3.1 標準擴展架構

為提高標準的可維護性和可擴展性，IFC數據模型結構劃分為4個層次，自底向上分別是：資源層（Resource Layer）、 核心層（Core Layer）、共享層（Interop Layer）、領域層 （Domain Layer）［9］。其中，資源層定義了一些資源信息，但資源定義沒有全局唯一標識符，不能獨立使用，因此需要與上層定義一起使用；核心層包括核心模式和核心擴展模式，定義了一些基礎性的通用實體，每個實體都具有全局唯一標識符；共享層定義了多個領域共性的內容，主要用于不同領域之間的信息交換和共享；領域層定義了專門用于某個特定領域的實體，主要用于領域內部之間的信息交換和共享。

隱爆角礫巖是熱液運移的良好通道和容礦場所，是金屬礦床的一種重要類型[9]，常與淺成—超淺成中酸性斑巖體相伴產出。許多斑巖型金、銀、鎢錫礦及斑巖型銅金鉬礦床都與隱爆角礫巖存在密切的時空及成因聯系[10-11]。

路基與土方工程作為基礎設施領域共性的內容，在IFC架構的共享層進行定義。基于路基與土方工程概念模型，在IFC4.2標準架構的共享層新增共享基礎設施元素模塊（Shared Infrastructure Elements），并在其中增加挖方（IfcEarthworksCut）、路基與土方工程元素（IfcEarthworksElements）、填方 （IfcEarthworksFill）、地基加固（IfcReinforcedSoil）等實體定義；在共享層的共享建筑元素模塊（Shared Building Elements）中，以預定義類型枚舉值的方式增加侵蝕防護（EROSIONPREVENTION）的概念。路基與土方工程IFC標準擴展架構見圖2。

圖2 路基與土方工程IFC標準擴展架構

3.2 實體擴展

IFC標準定義了對象、屬性和關系，其中，對象主要分為空間元素、物理構件和系統，分別采用IfcSpatialElement、IfcElement和IfcSystem來表示。預定義類型（PredefinedType）是IFC實體的一個特殊屬性，可實現對實體類型的進一步細分。預定義類型屬性為枚舉型，其取值一般是廣泛認可的分類。基于上述概念模型，路基與土方工程IFC標準定義了4個新的物理構件實體，并通過預定義類型屬性，定義了路基與土方工程23個預定義類型枚舉項（見圖3）。

圖3 路基與土方工程IFC實體繼承關系（UML）

（1）IfcEarthworksCut：表示挖方概念，繼承自IfcFeatureElementSubtraction實體類，并通過預定義類型屬性IfcEarthworksCutTypeEnum定義了9個預定義類型枚舉值，包括：TOPSOILREMOVAL（清表）、CUT（路塹）、TRENCH（挖溝槽）、DREDGING（清淤）、BASEEXCAVATION（挖基）、OVEREXCAVATION（超挖）、PAVEMENTMILLING（路面銑刨）、STEPEXCAVATION（挖臺階）、EXCAVATION（一般挖方）。

（2）IfcEarthworksElement：表示路基與土方工程元素，繼承自IfcBuiltElement，并派生出IfcEarthworksFill和IfcReinforcedSoil兩個子類。

（3）IfcEarthworksFill：表示填方概念，繼承自IfcEarthworksElement，并通過預定義類型屬性IfcEarthworksFillTypeEnum定義了7個預定義類型枚舉值，包括：SUBGRADE（路基本體）、SUBGRADEBED（基床）、EMBANKMENT（路堤）、SLOPEFILL（邊坡填筑）、BACKFILL（回填）、COUNTERWEIGHT（反壓護道）、TRANSITIONSECTION（過渡段）。

（4）IfcReinforcedSoil：表示地基加固，繼承自IfcEarthworksElement，并通過預定義類型屬性IfcReinforcedSoilTypeEnum定義了6個預定義類型枚舉值，包括：ROLLERCOMPACTED（振動碾壓）、DYNAMICALLYCOMPACTED（強夯）、SURCHARGEPRELOADED（堆載預壓）、GROUTED（注漿）、REPLACED（換填）、VERTICALLYDRAINED（豎向排水）。

此外，在IfcBuiltSystemTypeEnum枚舉類型中新增了侵蝕防護（EROSIONPREVENTION）枚舉值，表示護坡概念，并通過屬性集定義了典型的侵蝕防護類型，包括：植物防護（Planting）、實體防護（Solid）、框架防護（Framework）、錨桿框架防護（Anchored framework）、噴射混凝土防護（Shotcrete）、防護網（Screening）、土工合成材料防護（Geosynthetics）等。

3.3 屬性集擴展

IFC標準可通過靜態擴展的方式定義新的屬性集［10-11］。屬性集的擴展可分為2種方式：一種是在IFC已有屬性集中增加新的屬性；另一種是新增屬性集。在IFC Common Schema項目中，不同國家和地區對路基與土方工程屬性集的需求不同，目前項目成果中僅定義了很小部分屬性集和屬性。路基與土方工程部分屬性集定義見表2。

表2 路基與土方工程屬性集定義

3.4 實例圖

實例圖（Instance Diagram）可表達IFC實體之間的關系，以及IFC對象與業務需求之間的映射。IFC實體之間的關系是通過IFC關系對象來表達的，包括IfcRel-Aggregates、 IfcRelContainedInSpatialStructure、 IfcRelReferencedInSpatialStructure、IfcRelVoidsElement、IfcRelAssigns-ToGroup等，關系對象定義在IFC架構的核心層。IfcRel-Aggregates關系對象表示一種聚合關系，通常用于表達整體與部分之間的關系；IfcRelContainedInSpatialStructure表示構件與空間結構之間的包含關系，具有嚴格的層次性，一個構件只能包含在一個空間結構單元中；IfcRelReferencedInSpatialStructure表示空間參考或引用關系，沒有嚴格的層次性；IfcRelVoidsElement表示在某種現有結構上進行開孔/開洞/挖除，形成一種空間；IfcRelAssignsToGroup表示將對象關聯到一個組對象。

以鐵路工程為例的實例見圖4，圖中使用IFC表達了一段半路堤半路塹鐵路路基：場地對象（IfcSite）通過 IfcRelAggregates、IfcRelContainedInSpatialStructure 包含本段路基所屬鐵路對象（IfcRailway）和涉及的地質對象（IfcGeomodel）；地質對象（IfcGeomodel）通過IfcRelVoidsElement關聯挖方對象（IfcEarthworksCut/CUT）以表示路塹；鐵路對象（IfcRailway）通過IfcRel-Aggregates包含路基對象（IfcFacilityPart/BELOWGROUND），通過IfcRelReferencedInSpatialStructure引用侵蝕防護對象（IfcBuiltSystem/EROSIONPREVENTION）；路基對象 （IfcFacilityPart/BELOWGROUND） 通過 IfcRelContainedInSpatialStructure包含路基本體（IfcEarthworksFill/SUBGRADE）、地基加固/注漿（IfcReinforcedSoil/GROUTED）和邊坡填筑（IfcEarthworksFill/SLOPEFILL）；路基本體又進一步通過IfcRelAggregates包含基床（IfcEarthworksFill/SUBGRADEBED）、 路 堤 （IfcEarthworksFill/EMBANKMENT）。其中，邊坡填筑（IfcEarthworksFill/SLOPEFILL）通過IfcRelAssignsToGroup也同時作為侵蝕防護對象（IfcBuiltSystem/EROSIONPREVENTION）的一部分。

圖4 路基與土方工程IFC實例

4 結束語

路基與土方工程是基礎設施領域的共性內容，也是buildingSMART國際標準項目IFC Common Schema的重要研究內容。采用用例識別-概念模型構建-標準擴展定義三步法，識別了路基與土方工程27個用例，構建了概念模型，在IFC標準框架的共享層，擴展定義了基礎設施共享元素模塊，并在其中定義了路基與土方工程相關元素。研究成果已納入IFC4.3候選標準，目前正在進行標準驗證，通過進一步調整和優化，最終將成為正式標準發布。研究只涵蓋路基與土方工程部分核心內容，未涵蓋路基排水等其他概念，路基排水作為路基與土方工程不可或缺的重要組成部分，也是IFC標準向基礎設施領域擴展的一個重要方向。此外，路基與土方工程屬性集的定義還有待進一步完善。