數字孿生水利水電工程擴展數據結構建立方法

伍杰 姜佩奇 劉輝 劉志明 張社榮

關鍵詞：數據結構；擴展；BIM；IFC；數字孿生；水利水電工程

水利部高度重視智慧水利建設，將智慧水利作為新階段水利高質量發展的顯著標志并大力推進。智慧水利建設主要內容為數字孿生系統建設，其包括數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程三部分。水利部提出新建大型和中型水利樞紐工程、引調水工程、泵站工程．大型灌區輸配水工程、江河湖泊治理工程、蓄滯洪區工程應同步開展數字孿生設計。據不完全統計，在國內外工程數字孿生實現過程中，將近90%的時間被用在建模過程中，若不選擇合理的數據結構，則會降低模型的可靠性、可計算性、可維護性等。

水利水電工程涉及地質、測繪、水工、機電等眾多專業，各專業之間需要協同配合。BIM技術是數字孿生工程設計的關鍵技術，為工程設計提供更為便捷有效的途徑。然而，BIM成果大都是以整體模型文件的形式傳遞，如果不對數據進行擴展，將導致各專業難以形成統一的BIM數據使用規則和使用需求，數據互通難度加大，冗余信息增多，嚴重影響模型的使用，因此現階段亟須形成一套符合水利水電工程標準的BIM表達和多專業數據互通方法。為實現BIM的規范性數據交換，IAI（國際協同工作聯盟）提出了IFC，其是一種工程數據交換標準。但IFC中的實體類型有限，構件數據交換時往往會因表達方式不一致而丟失數據。針對這一問題，近年來各學者也展開了大量研究。例如：Xu等首次建立了PPP（政府和社會資本合作）項目績效評價指標體系，通過IFC映射和擴展表達了評價指標信息，并在此基礎上，構建了基于IFC的PPP項目績效評價模型。Xu等提出一種基于Brep（邊界表示）的實體轉換方法，利用IFC標準中的幾何模型實現了有限元分析，同時基于IFC信息的擴展和表達，實現了有限元結構信息的快速提取。Krijnen等對IFC整體架構進行擴展，為點云模型和IFC文件的統一存儲提供了方法指導。Kim等提出了IFC擴展的范圍和理論基礎、主要建模概念、實體定義方法以及實現方案。上述方法都為IFC擴展提出了不同的解決方案。然而，目前卻沒有一套針對水利水電工程的可擴展數據結構建立方法。本文提出水利水電工程按需擴展IFC原數據結構方法，實現包含幾何信息、屬性信息等的擴展IFC導出，以期滿足水利水電工程信息存儲與應用需求。

1水利水電工程IFC擴展方法

1.1IFC標準結構

IFC結構從低到高分為資源層（ARCHITECTURELAYER）、核心層（CORE LAYER）、共享層（INTEROP-ERABILITY LAYER）和領域層（DOMAIN LAYER）。各層之間有嚴格的引用規則，一個實體可以引用同層或更低層的元素，但不能引用高層的元素。當上層資源發生調整后，下層資源不會受影響。資源層提供角色資源、審批資源、約束資源、成本資源、時間資源、外部參考資源、幾何約束資源、幾何模型資源、幾何資源、材質資源、測量資源、外觀定義資源、介紹定義資源、介紹組織資源、檔案資源、屬性資源、數量資源、表示資源、結構荷載資源、拓撲資源和公用資源共21個資源塊，可被任意調用。核心層提供建筑工程核心數據模型，包括1個內核模塊和3個擴展模塊（控件擴展模塊、過程擴展模塊和產品擴展模塊）。核心層主要用于定義實體的基本結構、基本關系和通用概念，可被共享層和領域層引用。共享層提供共享建筑元素、共享建筑服務元素、共享組件元素、共享設施元素和共享管理元素共5類元素，用于定義建筑領域的共同概念或對象。共享層定義的元素可以被共享層和領域層引用。領域層提供建筑領域、建筑控制領域、施工管理領域、電氣領域、暖通領域、管道領域、結構分析領域和結構元素領域共8個領域。領域層是IFC結構的最高層次，層中定義的實體是自包含的，不能被其他層引用。

水利水電工程本身包含眾多專業，須使用領域層中建筑領域、結構分析領域、結構元素領域、電氣領域和施工管理領域的實體定義，共享層中的板（IFCSlab）、柱（IFCColumn）、梁（IFCBeam）等共享建筑元素，以及項目訂單（IfcProjectOrder）、項目成本（IfcCostltem）等共享管理元素。但對于水利水電工程獨有的擋水建筑物、施工導流建筑物、泄水建筑物、引水發電建筑物等眾多功能性建筑物，須進行標準化定義。此外，針對未被納入共享建筑元素中的灌漿、襯砌、噴混、支護、止水等公共構件，也須進行標準化定義。

1.2IFC擴展模式

IFC擴展模式包括基于IfcProxy的擴展、實體擴展和屬性集擴展三類。基于IfcProxy的擴展是對IFC中未定義的實體進行通用性表達。通過實例化IfcProxy并賦予相應的幾何描述和屬性集描述，即可實現BIM元素的IFC表達。實體擴展通過新增實體描述來實現。在符合IFC表達規則的基礎上，通過擴展IFC的實體描述，并建立與已有實體的派生和關聯關系，可實現擴展實體的表達。屬性集擴展面向靜態屬性集、預定義屬性集和自定義屬性集。靜態屬性集是依附于實體的屬性信息集合，不會改變IFC原有結構框架。預定義屬性集和自定義屬性集統稱為動態屬性集，可先在已有屬性集的框架內擴展，之后再與實體關聯。本文采用實體擴展結合屬性集擴展的方式實現基于IFC的數字孿生水利水電工程標準化數據格式表達。

1.3IFC擴展表達

IFC表達遵循客觀化關系的原則，這意味著實體之間的語義相關關系不是通過實體的直接關聯形成的，而是要借助表示關系的中介對象；同時，IFC的相關關系表達存在一個重要原則，即前向關系總是由關系對象構成，并指向相關對象。圖1為IFC表達的中介對象。IfcRelationship是IFC中所有客觀關系的抽象概括，包括IfcRelAssociates、IfcRelDecomposes、If_cRelDefines、IfcRelConnects、IfcRelAssigns 5種關聯方式。IfcRelAssociates用于關聯庫、文檔、約束、材料等信息源，IfcRelDecomposes定義被組合或分解元素的關聯關系，IfcRelDefines用于將屬性集分配給對象實例或將屬性集模板分配給屬性集，IfcRelConnects用于定義物理實體間的連接關系，IfcRelAssigns用于連接If_cObject實例和它的第一級子類型。

本文擴展采用在IFC4格式文件中定義擴展內容的方式。在遵照原有類別和屬性的同日寸，擴充類型（Type）、功能（Function）和規則（Rule），用于描述各類構件之間的所屬關系與屬性集信息。EXPRESS語言作為一種非實現語言，獨立于建模軟件存在，因此可以直接在IFC標準的EXPRESS文件基礎上擴展新的實體類型和屬性集。本文采用EXPRESS-G視圖結合開源軟件Express Engine Tools實現IFC擴展，避免龐雜的修改工作，降低出錯率。

1.4水利水電工程IFC擴展體系

水利水電工程建設是一項復雜的系統化工程，涵蓋規劃、可研、初設、施工圖設計、建設、運維等階段，涉及眾多專業，各專業業務既有一定的獨立性，又密切相關。因此，水利水電工程IFC擴展既要滿足各階段數據移交的需要，又要滿足專業間的協同交互。為保證各階段移交數據不丟失，IFC擴展應按照《水利水電工程信息模型分類和編碼標準》（T/CWHIDA 0007-2020），保證移交前后編碼的一致性；同時須在已有領域的基礎上擴展水利水電工程領域，用于在IFC已有框架結構下對水利水電工程功能性建筑物進行區分。為保證專業間高效協同，應對各專業設計的成果進行實體類型定義和屬性集擴展。在共享層中，針對未被納入共享建筑元素的公共構件，也須進行補充完善。擴展后的IFC體系見圖2。

2壩體IFC擴展表達

擋水建筑物是最重要的水工建筑物，其作用是攔截或約束水流、壅高水位、調蓄水量，包括大壩、堤防、海堤、施工圍堰等。大壩主要功能是攔截和調節水流，形成水庫，使蓄水庫的水能夠用于發電、農業灌溉、工業生產和城市供水等。大壩設計方案的確定要經歷選址等過程，因此在擴展壩體的基礎上，還應對其空間聚合關系進行擴展表達，以滿足后續移交需求。壩體的選型、壩高、坡度、材料分區等設計結果應實現規范化入庫，并通過屬性集擴展實現模型與入庫信息的動態關聯。

2.1大壩實體擴展表達

水利水電工程實體擴展表達的目的是為功能構件提供規范化的語義信息描述和空間信息描述，從而保證數據提取的高效性和數據交互的便捷性。新定義的實體表達可引用同層或下層的類別，從而大大提高表達的規范性和效率。大壩的實體擴展表達見圖3，其中IfcDamElement表示實體類型，IfcDamElementType提供IfcDamElement的類型信息。

2.2壩體IFC空間聚合關系擴展表達

由于水利水電工程涉及專業眾多、系統龐雜、設計周期較長，因此在進行實體擴展的同時，還應對其空間聚合關系進行表達，即描述不同層次空間對象的聚合關系。描述空間語義信息的類包括IfcSite．IfcBuilding、IfcBuildingStorey以及IfcSpace，這些實體的屬性和特性均來自IfcSpatialStructureElement。

IfcDam在IFC模型中的空間層次描述見圖4。層次結構的頂部是IfcProject對象，它描述項目的整體信息。IfcSpatialStructureElement攜帶的CompositionType屬性定義元素是整體的一部分還是嵌人類型。元素的實體描述和空間描述通過關系類IfcRelReferencedln-SpatialStructure實現，IfcRelContainedInSpatialStructure只能將一個實體對象分配給一個空間對象。若一個實體對象需要被鏈接到多個空間對象，則應該通過IfcRel-ReferencedInSpatialStructure鏈接到其他空間對象。

2.3壩體IFC屬性集擴展表達

屬性集擴展表達是對語義擴展表達的補充。根據水利水電工程的屬性擴展需求，將這些直接定義在IFC中的屬性集稱為集成式屬性集，將存儲在各個數據庫中的屬性集稱為分布式屬性集，并形成以集成式屬性集為主、分布式屬性集為輔的屬性集擴展表達方式。IFC的屬性集擴展表達見圖5。

3水利水電工程壩體IFC擴展文件導出與驗證

3.1基于Autodesk Revit的導出功能開發

選擇Autodesk Revit商業軟件為BIM建模軟件，Microsoft Visual Studi0 2017為基礎開發工具。通過安裝Autodesk Revit 2019的SDK包實現IFC文件導出，其涵蓋名稱、版本、類別、IFC導出規則、XML描述規則等。其中IFC導出規則以Revit IFC Exporter開源工具包為基礎，利用IFCExporterUIOverride定義IFC導出界面，采用xaml進行描述；利用Revit. IFC. Common定義導出實體類型、IFC文件導出頭與基本結構、導出過程、導出進度條、兼容類型檢查方法、實體類型驗證方法、節點樹的通用導出方法等；利用Revit. IFC. Export定義導出類別、屬性集與關聯關系。為保證BIM信息的規范化入庫，在Exporter.cs中的ExportIFC（）方法中添加模型文件導人數據庫的操作。

3.2XML描述

XML描述采用mvdXML實現，XML文件后綴名為.xsd。mvdXML的實體描述規則是一致的，以Ifc-DamBody為例進行說明，其mvdXML描述定義見圖6，包含名稱、類型、父元素、屬性集描述等。

3.3EXPRESS描述修改

IFC擴展規則采用EXPRESS語言描述，后綴名為.exp。EXPRESS語言是一種面向對象的信息模型描述語言，可以與各種編程環境（C、C++、FORTRAN等）銜接，其自身具備一種不依賴于系統的中性機制，可在不受軟件本身局限的基礎上靈活修改，因此將擴展表達定義在IFC文件中。EXPRESS描述修改內容包括領域層描述、共享層描述和屬性集描述，其中：領域層描述增加ENTITY IfcHydraulicElement及其子集，共享層描述增加ENTITY IfcDamElement及其子集，屬性集描述士曾加TYPE IfcDamBodyTypeEnum。

3.4接口調用與文件導出

調整并加載自定義的族映射關系exportlayers -ifc -IAI.txt，勾選導出Revit屬性集選項，定義導出路徑和導出版本，點擊導出，即可導出擴展IFC文件，并將相關信息存儲至數據庫中。

3.5導出結果驗證

導出的IFC文件以“ISO-10303-21;”開頭，以“END-ISO-10303-21;”結尾。IFC文件包括HEADER和DATA兩部分．HEADER首端以“HEAD-ER;”開頭，以“ENDSEC；”結尾，內容涵蓋文件描述、IFC版本等信息；數據段以“DATA;”開頭，以“END-SEC;”結尾，內容涵蓋BIM模型的所有屬性信息。使用文檔編輯器打開導出的IFC文件，可檢索到IFC-DAMELEMENT及其擴展屬性，見圖7，證明擴展實體與屬性已被識別與導出。

4面向設計變更的水利水電工程數據階段性移交應用

水利水電工程具有極強的實踐性、復雜性、風險性，往往會因沒有充分考慮實際建設條件而調整設計方案并進行設計變更結果的數字移交。在數字移交過程中，不僅要保留未變更和發生變更的設計結果及相關說明文件，還要保證已有的施工信息不丟失，設計變更階段新產生的施工信息能夠與變更后的設計結果自動關聯。基于此，結合上述研究成果，建立面向設計變更的數字移交方法，見圖8。當發生設計變更時，首先結合工程實際情況對設計方案進行調整，使用BIM工具建立新的設計方案；其次利用擴展IFC導出接口將BIM設計結果以擴展IFC的形式導出，并建立變更要素與設計信息庫、施工信息庫之間的關聯關系，構建完整的數字移交模型：再次以設計階段完成時構建的數字移交平臺為基礎，啟動相應的服務功能，并將擴展IFC結構轉換成可供平臺解析的數據結構，結合設計變更階段產生的施工管理信息一同發布到數字移交平臺：最后將整個平臺移交至施工方手中，實現面向設計變更的數字移交。

以一次設計變更為例，云南省某大壩建基面開挖后，依據開挖揭露的地質條件對11#-13#壩段進行設計變更：上游側增加高程為1430m的平臺，其上、下坡比分別調整為1：0.75、1：1：下游側擴大高程為1440m的平臺范圍：8#壩段下游側建基面高程由1422m抬高至1427m; 9#-11#壩段壩橫0+065.00后建基面高程由1422m抬高至1425m，最終的數字移交模型見圖9。基于設計結果進行模型出圖，并存儲到設計信息庫。數字移交模型的轉換與信息關聯操作界面見圖10，最終的平臺發布結果見圖11，相應的設計信息和施工信息都被關聯到模型結構中。

5結論

通過按需擴展IFC原數據結構，實現包含幾何信息、屬性信息等的擴展IFC導出，并通過數據移交案例，驗證該方法的有效性。具體成果如下：

1）提出一套針對水利水電工程的IFC擴展方法。在不影響IFC原數據結構的前提下，通過在IFC的共享層和領域層擴展水利水電工程實體、空間聚合關系和屬性集，形成一種滿足水利水電工程各階段數據移交和專業間協同交互需求的新數據結構。

2）提出一套基于Autodesk Revit軟件的IFC擴展文件導出方法，并通過對導出文件進行信息檢索，驗證數據結構的擴展性和信息的完整性。該方法具有一定的普適性，對于鐵路、市政等工程BIM模型的IFC擴展文件導出同樣適用。

3）提出一套面向設計變更的水利水電工程數據階段性移交方案，實現施工階段數字化移交過程中數據的高效無損傳遞。然而，即使采用相同的IFC標準格式，現階段不同BIM建模平臺之間依然存在部分兼容性不強和待優化的問題，不同軟件廠商之間始終存在技術壁壘。因此，基于不同建模平臺的建模機制，研發兼容統一的協同交換工具，是未來應重點解決的問題；同時，研發擁有自主知識產權的國產BIM軟件是打破國外商業軟件桎梏的有效手段。