基于IFC标准的既有结构维护信息模型

(同济大学建筑工程系，上海 200092)

1 引言

随着城市化进程的不断推进，建筑行业逐渐由以新建建筑为主逐渐转变为新建与改造并重的阶段。建筑物的设计、施工等阶段仅需几年时间，但是其全生命周期可达几十年甚至上百年，因此建筑物潜在的维修和维护工作量巨大[1]。有研究表明，在住宅全寿命期的总费用构成中，用于住宅建成后的维护和使用管理费用约为新建费用(初始造价)的2～3倍，可见，从经济决策角度看，既有建筑的维护改造和建筑的新建同样重要[2]。

在我国建筑行业粗放型发展的几十年中，“重建设，轻管理”的现象普遍存在。改革开放以来，我国建筑业取得了快速的发展，随着建设规模不断增大，技术人员逐渐认识到建筑后期的维护管理水平对于减缓建筑结构的老化有很重要的意义。考虑到当前我国建筑行业相关法律法规尚不健全、技术人员专业水平相差较大、信息化管理水平普遍较低，亟需要加强既有结构运营管理，尤其是信息化管理方法的研究[3]。

2 现代运营管理概念的提出

根据国际设施管理协会(International Facility Management Association，IFMA)和美国国会图书馆的定义，FM(Facility Management，设施管理)是指“以保持业务空间高品质的生活和提高投资效益为目的，以最新的技术对人类有效的生活环境进行规划、整备和维护管理的工作”[4]。它是一门管理学科，是将地点(location)、人员(people)、流程(process)、建筑设施(facilities)、资产(assets)等因素整合起来，从而为建筑物持有人员提供优质的专业技术服务。

以一次既有建筑结构的可靠性鉴定工作为例(图1)，运营管理部门扮演了重要的角色，既是安全性鉴定委托的提出者，又是安全性鉴定工作最终的验收者。在某种意义上，运营管理部门是一个信息的交汇节点，需要处理不同专业的大量信息。在结构的维护管理领域，负责相关事务的运营管理部门在一个建筑全寿命周期中应处理的主要信息如图2所示。

图1 既有结构安全性鉴定工作流程

图2 FM部门既有结构维护领域信息流动图

由于建筑的运维工作时间跨度大、涉及专业广，各个专业往往还会有信息交叉，所以我们看到各专业、不同时段内有关建筑事务的信息都会汇集到运营部门以便于后期运营管理。而在实际管理过程中，各乙方(建筑服务商)在项目完成之后，需要为运营管理部门提供哪些信息，信息以何种格式呈现，都没有一个具体的规范来约束。这也是导致工程界普遍的资料不全、信息丢失、图纸错误等问题发生的主要原因。这些问题在运营管理学科中统称为“最后一公里问题”，也就是从建设到运营的信息传递问题。解决这个问题的有效方法是运用BIM技术与IFC标准[5]。

3 IFC标准描述建筑项目信息

工业基础类(Industry Foundation Classes，IFC)标准是由buildingSMART组织制定的建筑工程数据存储交换标准。它一个基于面向对象(Object-Oriented)的数据模型，采用EXPRESS语言描述建筑工程信息。IFC标准作为一个不受某一个或某一组供应商控制的中性和公开的标准，是一个BIM软件普遍使用的格式，得到了业内的广泛认可。以一根柱的信息描述为例，IFC标准在“共享建筑元素”模块里有柱的信息定义如下：

ENTITY IfcColumn

SUBTYPe of(IfcBuildingElement)；

END_ENTITY；

在IFC标准当中，实体(ENTITY)是最小的信息组织单位，一个IFC模型就是由若干个实体数据组成的。通过定义我们知道IfcColumn继承于IfcBuildingElement，这是EXPRESS语言描述对象时“面向对象”方法的直观体现。

在IFC标准中，实体是按照类的概念一层一层继承下来的。IfcColumn的父类实体依次是：IfcBuildingElement、IfcElement、IfcProduct、IfcObject、IfcObjectDefinition、IfcRoot[6]。IfcColumn本身没有定义任何专有属性，而从父类继承了26个属性。值得注意的是，以IfcColumn为例，IFC标准为其设置了一个属性集Pset_ColumnCommon。IfcPropertySet是IFC标准定义的一种存储属性的实体，叫做属性集，而Pset_ColumnCommon就是IfcPropertySet的一个实例。IFC标准为各种建筑实体定义的属性集非常有限，以柱为例，仅仅只有一个Pset_ColumnCommon属性集，这是远远不够的，因此必须有相应的方法对IFC标准进行扩展。

作为开放的标准体系，IFC标准对模型的扩展主要提供以下三种扩展机制，即基于IfcProxy实体的扩展、通过增加实体定义的扩展以及基于属性集的扩展。

三种扩展方法各有其优缺点，针对不同用户可采用不同的方法，具体见表1。如国家标准制定需进行实体扩展，同时对相关属性集进行补充； 对项目级别的BIM应用，可采用IfcProxy扩展或属性集扩展。相较之下基于属性集的扩展方式，操作简单方便、版本兼容性好、类型安全、运行效率高，是首选的扩展方式。

表1 三种IFC标准扩展方式比较

4 既有结构鉴定加固信息模型的建立

IFC标准中的属性集扩展方法作为技术手段，为既有结构维护信息模型扩展提供了可行性。但是作为结构工程师，还需要考虑对于既有结构而言，需要集成哪些信息。

由于既有建筑结构在使用过程中会产生海量的信息，而与鉴定加固相关的信息量也很庞杂，因此在一个模型中将所有结构鉴定加固相关的信息表达出来目前来看仍很难做到。考虑到工程实际，初步只将结构的鉴定结果信息以及加固方法和加固措施在模型中进行集成。

鉴定结果信息除了既有结构基本信息外，还包括评定等级和评定数值。类似地，对于加固信息也应该包括基本信息与加固结果。由于不同结构形式的既有结构其加固方法差别较大，所要表达的加固信息也有很大不同。本研究以混凝土结构为例，建立混凝土结构常用加固方法所需表达的加固信息属性集。常用的混凝土构件所采用的加固方法包括：增大截面法、粘贴钢板法、外包型钢法、粘贴纤维布法和置换混凝土法。

5 以IFC标准扩展既有结构的鉴定加固信息

在IFC标准当中，一个实体可以有多个属性集。而这些属性集既可以是预定义属性集，又可以是自定义属性集，这就为我们对属性集进行扩展奠定了基础。而一个实体与其属性集发生关联是通过定义属性关系实体达成的。属性集作为属性信息的容器，装载工程师所关心的结构鉴定加固信息。

本文首先建立关于结构鉴定的基本信息属性集，并定义该属性集所包含的属性内容，在定义属性内容时，需同时确定属性类型和属性值类型，通常属性类型为IfcPropertySingleValue，如表2所示。

表2 鉴定基本信息属性集

在完成结构鉴定基本信息属性集及相关属性的定义之后，建立结构构件层次的鉴定信息属性集，包含的鉴定信息应有评定等级和评定数值。由于结构构件梁、柱、板、墙都具有这两个属性，在实际扩展当中，可选择IfcBeam、IfcColumn、IfcSlab和IfcWall共同的父类IfcBuildingElement作为扩展属性集关联实体。这也是IFC标准在实际运用中灵活性的体现。将梁、柱、板、墙的评定等级和评定数值属性纳入到Pset_AppraisalResult属性集中，并定义该属性集内的评定等级和评定数值两个属性值，如表3和表4所示。

表3 鉴定结果信息属性集

表4 鉴定结果信息属性集属性

与鉴定信息的表达类似，对于既有结构的加固信息而言，首先建立与结构加固基本信息相关的属性集Pset_StrengthingInfo，并定义该属性集所包含的各个属性。在完成结构加固基本信息属性集及相关属性定义后，建立构件层次的加固信息属性集。由于不同结构形式的既有结构加固方法差别较大，所要表达的加固信息也有很大不同。

在完成构件加固方法属性集以及相关属性定义之后，定义各种加固方法具体的做法。由于梁、柱、板、墙各自的加固措施区别比较大，因此在定义构件的加固措施属性时，分别为IfcColumn、IfcBeam、IfcSlab和IfcWall定义加固措施属性集。以IfcColumn为例，依次定义常用加固方法属性集及其包含的加固属性。以增大截面法加固柱为例，对于加固的柱构件，需要集成加固后柱构件的截面增加的尺寸，新增混凝土的强度，加固钢筋的数量、位置、强度等，如图3所示。

图3 增大截面法加固柱的效果图

本文在定义加固属性时主要参考《建筑结构加固施工图设计表示方法》(07SG111-1)和《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)，并考虑加固工程实践，尽可能保证加固信息表达准确。表5给出了5种常见的加固方法的属性集属性定义，表6给出了柱增大截面法属性集定义。

完成IFC标准下鉴定加固属性集以及各自属性集下的属性定义之后，可以按照此标准修改IFC文件。因此，大部分构件层次的鉴定加固信息都可以集成到IFC文件当中，并实现基于IFC标准的既有结构鉴定加固信息的初步集成。

表5 加固方法属性集

表6 柱增大截面法属性集

由于IFC文件是一种中性文件，可利用Revit API平台开发文本文件读写程序，读入IFC文件，由用户输入结构鉴定基本信息属性和结构加固基本属性，如图4所示。

由于IFC标准的通用性，任何支持IFC标准的BIM软件均可查看这些属性信息。扩展的鉴定加固属性集与属性准确地在第三方软件中进行表达，验证了本文提出的既有结构鉴定加固信息扩展的正确性，也反映了IFC标准在建筑信息上的优越性。

图4 集成鉴定加固信息的柱属性列表

6 既有结构维护管理系统

针对既有结构鉴定加固信息模型，将结构化的鉴定加固信息集成后，需要搭建相应的信息管理系统。本文搭建了基于BIM技术的既有结构维护管理系统，集中管理既有结构维护过程中生成的检查信息以及鉴定加固信息。支持结构安全检查人员、结构检测鉴定人员、结构加固人员在系统中获取各自建筑活动需要的信息并记录相关信息。

既有结构维护管理的流程可以分为巡检阶段、检测鉴定阶段、加固阶段等三个阶段，针对结构维护的三个阶段，既有结构维护管理系统功能设计如图5所示。

图5 既有结构维护管理系统功能设计

在系统的实现方面，为了避免BIM模型过于庞大，对BIM模型进行轻量化处理，采用基于WebGL的BIM模型轻量化在线浏览解决方案。利用Forge API优良的显示效果和便捷的介入操作，设计Forge API与既有结构维护管理系统的集成原理如图6所示。

本文所研究的既有结构维护管理系统，以文档的形式存储各次巡检结果、检测鉴定结果以及加固结果中各种不同数据类型的数据，效率最高。鉴于此，考虑到MongoDB是目前最成熟、应用最为广泛的文档数据库之一，它的特点是高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便。因此，系统后台的数据库采用文档数据库MongoDB。

为了测试该系统，以同济大学历史保护建筑——文远楼为例，建立基于IFC标准的既有结构鉴定加固模型，并将其集成到维护管理系统中。图7给出了系统的运行示意。系统分别按BIM模型与维护数据库存储结构化信息和非结构化信息，基本保证了建筑结构维护过程中信息的不丢失，解决了建设—运营信息移交过程中的“最后一公里”问题，提高了结构维护的信息化水平。同时，系统面向Web的设计方法，在移动端也有较大的应用空间，非常有利于对复杂结构的日常检查工作。

图6 orge API与既有结构维护管理系统集成图

图7 系统运行示意图

7 结论

基于属性集扩展IFC标准的方法简单易行，不改变现有IFC框架，能够得到市场上所有支持IFC标准的BIM软件的支持，具有相当大的实用价值。本文所提出的基于IFC标准的既有结构鉴定加固模型也为不同软件平台读取建筑结构的鉴定加固信息提供了一条便捷的途径，并为既有结构的运营管理打下了很好的技术基础。基于此技术搭建的既有结构维护管理系统提供了较为完善的结构维护方案，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] 王廷魁， 孙秋兰，郑小晴.基于BIM的建筑物维修管理系统研究[J].建筑经济， 2014， 01： 107-110.

[2] 王晓鸣. 试论房屋修建业的基本属性和理论体系[J].华中科技大学学报(城市科学版)， 1986， 2： 007.

[3] 何关培.BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[4] Naghshbandi S N.BIM for Facility Management：Challenges and Research Gaps[J].Civil Engineering Journal， 2017, 2(12): 679-684.

[5] Gursel I.，Sariyildiz S.， Akin Ö.，et al.Modeling and visualization of lifecycle building performance assessment[J].Advanced Engineering Informatics， 2009, 23(4): 396-417.

[6] 钟宇， 周少东，陈健，陈国良，吴佳明.基于IFC标准的盾构隧道结构数据模型研究[J].地下空间与工程学报， 2017， 13(S2)： 613-622.