基于IFC标准的建筑设施运维管理.pdf

技术与市场2023年第30 卷第8 期技术应用基于IFC标准的建筑设施运维管理徐勇，王启航吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林长春130 119摘要建筑信息建模BIM的协作工作能力可实现建筑全生命周期的信息访问和共享，但由于数据交换格式的不同，导致BIM在设施管理FM系统的设计和实施方面遇到了一些挑战，对其可用性造成了障碍。以工业基础类IFC标准为基础，进行BIM信息的集成，以实现建筑设施运维管理系统。介绍了以IFC标准为基础的BIM信息数据的表达方式，利用Java语言实现了IFC文件的解析，并将其映射到MySQL数据库中，建立运维数据库实现信息的集成，完成了建筑设施运维管理系统的设计和开发。关键词BBIM；IFC标准；数据集成；设施管理doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2023.08.0120引言近年来，建筑信息模型（building information mod-elling,BIM)在建筑行业的应用大幅增加,极大地提高了建筑整个生命周期内各项工作的效率。设施管理（f a c i l i t y ma n a g e me n t,FM）是建筑物生命周期内的运营和维护阶段，占建筑物寿命期内相关成本的8 0%以上。建筑设施维护活动涉及多种专业和利益相关方，需要一个综合信息系统来获取和检索与建筑设备相关的数据,同时集成海量的运维信息，因此将BIM应用于FM显得尤为重要。BIM利用强大的信息存储库提供了建筑物相关组件的参数化详细模型，以及集成模型视图，支持各种运维信息的集成，以实现FM期间的设施信息管理、空间规划、资产管理、运维管理等。BIM实现建筑设施运维管理的核心是数据库的建立，以完成信息的集成和共享管理，其基础是数据交换标准。工业基础类（industry foundation class，IFC)标准是当前BIM技术!中被广泛认可数据交换与共享的国际标准，用以解决信息断层、丢失、“信息孤岛”等问题,提高了数据的互操作性。IFC可以在设施运维管理系统的规划和实施阶段提供最佳数据交换标准，包括建筑物构件的各种信息描述，定义规范和属性集，同时可扩展运维期间产生的过程性数据属性集，实现数据传输的完整性将BIM模型中的数据信息存储到数据库时,最基金项目：基于BIM运维管理系统研究（JJKH20180594KJ）常用的传统方法是利用Revit的导出功能将建筑模型直接导人到SQLServer数据库中，但是这种方法存在数据丢失现象。另外,BIM应用软件种类繁多,Revit只是其中之一,移植性较差。本文基于IFC标准进行建筑设施运维管理，通过对IFC文件进行解析，建立映射规则，完成设施运维数据库搭建，并实现运维系统管理。该系统克服了传统运维管理数据层中运维基础数据传输不一致、数据丢失、断层等问题，实现了高效准确的传输存储设施信息。1基于IFC标准的建筑设施运维信息表达1.1IFC 标准IFC标准的数据模式结构自下而上有4个层次构成，分别为资源层、核心层、共享层以及领域层。遵循一个规则：每层只能引用本层和下层的资源信息，不能引用上层资源，且上层资源发生变动时，下层资源不受其影响 2 。各层所描述的具体内容如下。资源层。不针对特定行业，无整体结构，描述标准中用到的基本信息，如点、参数曲线、描述材料的元素、成本、度量等。核心层。将资源层信息组织为一个整体，来反映现实世界的结构，即提供基础的IFC对象的模型结构 3。共享层。主要为领域层服务，定义了各领域内均适用的通用概念，解决了不同领域间的信息交互的问题，如共享空间元素、共享设备元素等 4领域层。定义了各个专业领域的基本概念和特有属性信息，如IfcElectricalDomain电气领域的Ifc-47技术应用ElectricAppliance实体描述了电器是一种供消费者使用的设备，由电力系统供电。1.2IFC标准的信息表达IFC中的领域层涵盖了建筑控制、结构、结构分析、结构构件、管道防火、暖通、电气、工程管理等模块，基本满足建筑设施管理信息的需求。1)几何信息的表达。BIM建筑模型的所有类都派生于IfcProduct（如建筑构件、机电设备、管道、家具等），IfcProduct用于物理（有形）对象和空间对象的抽象表示。IfcProduct可以为其对象分配几何形状表示和定位信息，IfcProduct的实体属性主要包括Ob-TECHNOLOGYANDMARKETVol.30,No.8,2023jectPlacement,Representation 和 ReferencedBy。建筑构件柱子（IfcCulmn）是IfcProduct的子类，以Ifc-Culmn的部分IFC文件为例进行几何实体表达的介绍，如图1所示。#19 9 为IfcCulmn的语句表达，其中的#17 2 和#19 7 为IfcProduct的属性值ObjectPlace-ment、R e p r e s e n t a t i o n 定义了该实体的几何表达 5 ObjectPlacement的属性值IFCLOCALPLACEMENT（#17 2）表示该柱子的几何坐标；Representation的属性值IFCPRODUCTEFINITIONSHAPE（#19 7）采用了扫掠体表示法（sweptsolid）表达了柱子的几何形状。#129=IFCLOCALPLACEMENT(#32,#128);#171=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#169,S,$);#172=IFCLOCALPLACEMENT(#129,#171);#177=IFCSHAPEREPRESENTATION(#100,AxisCurVe2D(#175);#195=IFCSHAPEREPRESENTATION(#102,BodySWeptSolid,(#185);#197=IFCPRODUCTDEFINITIONSHAPE($,$,(#177,#195):#199=IFCCOLUMN(0Ae7iOjK982ghsh7PwMCca#41,M_W2/77E95F6267F1W01:475x610mm:203111;$,475x610mm,#172.#197203111);图1IfcCulmn的部分IFC文件2)实体属性信息的表达。在IFC文件中，任何一个实体都是通过属性来描述自身信息的，属性分为直接属性、反属性和导出属性。直接属性是实体的指标量或直接信息，如Globalld、Na me 等；反属性则是指通过关联实体建立联系的属性，明确定义实体之间“双向”的一对多或多对多的关系，如HasAssociations通过关联实体IfcRelAssociates可以关联构件的材料信息；导出属性是指通过其他实体表述的属性，如OwnerHistory、O b j e c t Pl a c e me n t、R e p r e s e n t a t i o n。IFC 文件利用属性关联机制，实现了数据共享和交换过程中的关联性和一致性。在建筑设施运维管理项目中,IFC4主要定义了4个模型集来实现设施管理相关问题的共享信息类，分为IfcSharedFacilitiesElements、If c Sh a r e d M g mt El e me n t s、IfcConstructionMgmtDomainIfcProcessExtension。IfcSharedFacilitiesElements定义了设施管理领域的基本概念，包括设备元素、系统设备分组、资产鉴定、物品清单等相关信息；IfcSharedMgmtElements描述了建筑生命的各个阶段中共有基本信息，包括成本计划、各类订单、需求说明等；IfcConstructionMgmtDomain构造管理域中的资源概念，以实现各类资源信息交换和共享;IfcProcessExtension支持用户自定义的各种扩展信息和根据需求建立起相对应的对象 6 482基于IFC标准的运维数据库的建立2.1IFC文件解析为将BIM中的信息存储到数据库，以BIM导出的IFC文件为基础,采用IfcToolsProjcet中的IFC JA-VAToolbox作为解析器基于Java语言进行IFC文件的解析和存储。IFC是基于STEP标准的数据格式并采用EX-PRESS语言的实体关系模型 7 。EXPRESS语言是一种面向对象的设计模式，其中每个类都包含属性和继承关系，而Java也是一种面向对象的语言，Java实体的构造完全符合EXPRESS语言的标准。IFC文件实体解析模块中，每个Java实体的命名与IFC标准一致,Java继承关系也与IFC标准相对应。两者继承关系如图2 所示（以IfcCulmn为例）。和public class IfcCulmn extends IfcBuildingElementpublic class IfcBuildingElement extends IfcElementpublicclass IfcElement extends IfcProductpublicclass IfcProduct extendsIfcObjectpublic class IfcObject extends IfcObjectDefinitionpublic class IfcObjectDefinition extends IfcRoot图2 Java和IFC继承关系IFC JAVAToolbox的核心是IfcModel,用来读取IFC文件，同时可操作文件中包含的所有IFC实体。IFC中的每个实体都有相对应的Java类，每个Java类具有能够读取和设置对应IFC实体属性的方法。技术与市场2023年第30 卷第8 期创建IfcModel类以获取IFC中所有的实体，通过IfcModel.readStepFile（）对IFC文件进行读取和解析存储。实体属性采用一对一映射和一对多映射。实体的直接属性为一对一映射，如属性值Globalld、Na me对应为Java类属性名globalld和name；导出属性采用一对一实现实体间的直接关联，并直接提取其属性值；反属性采用关键字INVERSE循环遍历进行属性的提取，并通过继承实现实体的关联，属于一对多映IFCJavaIfcGlobally UniqueldstringIfcNamestringStringstringIntegerintDoubledoubleEnumenumListArraylistSetArraylistEXPRESS 的基本类型可以直接与Java的基本数关系，同时，Java的类映射为MySQL数据库表的名据类型建立对应的映射关系，再由Java的基本数据称，类属性映射为MySQL数据库的表中的字段名；选类型和MySQL的基本数据类型建立映射关系；EX-择类型比较特殊，需要Java先对IFC中对应选择类PRESS的枚举类型可以直接与Java的枚举类型建立型的基类进行判断,再由基类得到Java对应类型，最对应的映射关系，但由于IFC中的枚举类型均为后由Java中对应类型建立与MySQL数据库对应类型String，则Java的枚举类型到MySQL中以VARCHAR的映射。至此完成了通过Java实现IFC文件信息到类型进行存储；对于实体类型，IFC中的实体类型继MySQL数据库的映射和存储。以图1的IfcCulmn的承关系和Java面向对象的继承概念一致，因此实体部分IFC文件为例，解析后对应的表结构如表2属性间的引用关系可以与Java类属性之间建立映射所示。表2结构柱ID(1:1)Global Id(1:1)Owner History(1:1)Name(1:1)Description(1:1)Object Type(1:1)Object Placement(1:1)Representation(1:1)Tag(1:1)INVERSE(1:N)技术应用射。如果出现“*”或“$”,则将为其指定空值。表1为IFC数据类型到Java数据类型的映射规则。2.2数据库映射规则本文利用Java对IFC文件中的信息进行解析后会暂存在Java对象中，然后通过建立映射关系将所有Java对象数据映射带MySQL数据库中。基于EX-PRESS建模语言的4种数据类型建立和数据库的映射关系，其中IFC、Ja v a 语言与MySQL数据库的数据类型映射关系如表1所示。表1IFC、Ja v a 与MySQL之间数据类型的映射关系TableName+LineNumberVARCHARINTDOUBLEVARCHARVARCHARVARCHAR1990Ae7iOjK982ghMYMh7PwMCca2023-03-13 14:16:31M_1X277E95F6267F1/X0:475 mm610 mm:203111475 mm 610 mm2 919.3 138 983,20 935.1 109 159,0SweptSolid203111(1)HasASSociations(2)IsDefinedby(3)ContainedInStructureMySQLVARCHAR49技术应用3基于IFC标准的建筑设施运维管理系统的实现3.1系统实现框架通过利用开源解析引擎对BIM模型导出的IFC文件数据进行解析和存储，并映射到MySQL数据库TECHNOLOGYANDMARKETVol.30,No.8,2023中成功构建了运维数据库。现需构建整体系统框架，本系统基于Web端进行开发，以Eclipse作为开发平台，Java语言为编程语言，MySQL为底层数据库系统实现建筑设施运维管理。系统整体框架如图3所示。模型层构建BIM初始模型设施基本录人信息录人信息集成的BIM模型导出IFC文件数据层MySQL数据库数据映射解析日常运维数据部分运维数据库录人IFC文件解析系统应用层实现设施信息管理空间管理运维管理系统资产管理用户层运维工作人员用户管理管理和决策人口能耗管理管理图3系统整体框架系统由模型层、数据层、应用层和用户层4部分施运维管理数据库。以运维数据库为基础，开发设备组成。首先进行初始BIM模型的搭建，包括建筑、结基本信息、空间、运维、资产、用户、能耗6 个管理模构和机电这3个专业基本模型，将各类设施按Omni-块，供运维工作人员和管理决策人员进行建筑物的日Class统一分类编码,并在此基础上进行实例化扩展，常管理工作 8-9 搭建信息集成的BIM模型，再由BIM建模软件导出3.2系统的功能和应用IFC文件，该文件包含了设施的三维几何信息和基本所搭建的建筑设施运维管理系统的功能和应用信息。将IFC文件进行经解析，解析后设施基本信息主要包括6 个管理模块，各模块功能内容具体信息如被映射到数据库中,其运维数据由运维管理人员按周表3所示。期更新模型并将运维信息添加至数据库，从而构成设表3各模块信息表模块功能实现设施信息管理设施编号、设施名称、设施型号、设施规格，安装位置和历史空间管理楼层管理、人员位置、可用空间运维管理维修记录、保养记录、维修状态、运行状态、工单派送资产管理设施购置成本、维修成本、库存备用用户管理用户基本信息、密码设置、权限信息能耗管理用电、水量的显示、能耗分析和预测通过6 个管理模块，运维工作人员可及时进行设信息进行分析和制定决策。基于IFC的建筑设施运施的监管和维护，管理和决策人员可对设施实时状态维管理系统的设施信息管理模块如图4所示。50技术与市场2023年第30 卷第8 期2023-04-1114:37多云0 13C空间管理C维管理C资产管理C能托管理C建筑购件低通设备给排水波备消防设备家居设备智能设备4结束语本文结合IFC标准和FM的理念，设计了基于IFC标准的建筑设施运维管理系统，研究了IFC文件的解析并制定了解析后IFC文件到数据库的映射规则，成功建立了运维管理数据库,并为下一步的系统开发提出了技术线路。以BIM模型的IFC数据标准进行建筑设施运维管理解决了Revit原始数据传输过程中存在的问题，打破了传统运维中数据集成困难，专业复杂度强，易出现数据穴余等问题参考文献：1陈立春，赖华辉，邓雪原，等.IFC标准领域层实体扩展方法研究 J.图学学报，2 0 15,36（2）：2 8 2-2 8 8.2代一帆,董靓.建筑数据表示和交换标准IFC综述 C/中国建筑学会建筑物理分会.建筑环境与建筑节能技术应用基于IFC标准的建筑设施运维管理系统研究进展：2 0 0 7 全国建筑环境与建筑节能学术会议用户用户管理电气设备供电设备汉备名称：公共配电宿4维修记录305482设备型号：低压电力配电箱柜1-4定电话电池：30 0 V83A设备位费：一B0设备铁态：正用图4设施信息管理模块论文集.2 0 0 7：35 8-36 3.3张迪，刘华，李航基于对象关系型数据库的IFC存储配电设备模型 J.城市建筑,2 0 18（2）：38-40.照明设备4张峰，田勤虎.基于IFC标准的地质模型数据存储研究 J.弱电设备铁路技术新,2 0 19(1)：37 42.5郭文墨，邓雪原，赖华辉.基于IFC标准的多构件重叠算量扣减研究 J.土木工程与管理学报，2 0 19,36(3):183-189.6赖华辉.基于IFC的建筑信息模型数据提取与管理的通用方法研究 D.上海：上海交通大学，2 0 19.7WANG R,TANG Y.Research on parsing and storage ofBIM information based on IFC standard J.IOP confer-ence series:Earth and environmental science,2021,643(1):012172.8金菊.基于BIM的建筑消防设备运维管理及轻量化平台实现 D.镇江：江苏科技大学，2 0 2 1.9MANNINO A,DEJACO M C,CECCONI F R.Buildinginformation modelling and Internet of things integrationfor facility management-literature review and futureneedsJ.Applied sciences,2021,11(7):3062.作者简介：徐勇（19 7 3一），男，吉林长春人，博士，副教授，研究方向：智能建筑、数据挖掘、大数据、多元统计分析、深度学习。（上接第46 页）6.3临时墩反力为10 0 0 kN的局部加强方案局部加强方案一隔板间的局部加劲间距由375mm改为5 0 0 mm，且底板1字肋不改为T肋。临时墩反力为10 0 0 kN时，计算面压力为3.333MPa，midasFEA分析计算对应局部应力，最大应力出现在底板加劲顶端，为2 7 1.3MPa，满足设计强度值。所以当临时墩反力小于等于10 0 0 kN时，局部加强方案为局部加强方案一隔板间的局部加劲间距由375mm改为5 0 0 mm，且底板I字肋不改为T肋。7结论通过对实际工程曲线钢箱梁顶推过程上部结构的计算分析得到以下结论。1）曲线钢箱梁顶推上部结构整体计算结果均满足设计值，但部分施工阶段钢箱梁临时支墩处局部验算结果不满足设计值。2）增大2 5 0 t小型步履式千斤顶组（包括垫梁）对钢箱梁的支撑面积是减少局部应力集中现象的最直接的解决方法。3）钢箱梁底板局部加强措施能有效解决局部应力集中的问题，但会增加钢材用量和钢材焊接工作量。参考文献：1朱登平.步履式顶推钢箱梁施工关键技术的探讨 J.四川水泥,2 0 18(12）：17 7.2袁鹏飞，杨怀英。基于步履式顶推施工的跨高速公路钢箱梁桥设计 J.工程与建设，2 0 2 0,34（3）：45 7-45 9.3罗盛荣.步履式顶推施工关键技术及在连续钢箱梁桥项目中应用J.黑龙江交通科技，2 0 2 2,45（11）：90-92.作者简介：马威（19 9 0 一），男，新疆乌鲁木齐人，本科，工程师，从事桥梁结构设计工作。51