钢筋数据从IFC向数控加工设备的传递.pdf

第 15 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.15 No.3Jun.2023引言随着中国制造 2025 的提出，信息化与工业化技术在工程建设领域得到快速发展，建造的自动化和智能化被认为是建筑业未来的发展趋势。目前，数控化的钢筋加工设备已得到大规模推广，提升了钢筋加工效率、降低了材料浪费，对于建筑业的数字化转型具有重要意义。为实现数据在建筑全生命周期的共享和交互，IAI(International Alliance for Interoperability)提 出 了IFC(Industry Foundation Class)标准，即工业基础类标准1。2013 年，IFC 被正式采纳为 ISO 标准，标准编号 ISO 16739；2021 年，我国基于 IFC 数据格式编制并发布了建筑信息模型存储标准（GB/T51447-2021）。本文通过对 IFC 数据文件进行解析，将模型中的钢筋信息提取出来转换为数控加工文件，以二维码方式传递到数控加工设备，减少了工人读图、录入等中间环节，提高了钢筋的加工效率和精度。1 国内外研究现状随着 BIM 技术的推广以及对钢筋数字化加工需求的增加，在国内外众多国家和地区出现了一批从 IFC数据文件中解析钢筋信息以及信息向数控设备传递的实践和理论研究。Maciel、Alex R2研究了将钢筋加工数据标准 BVBS 中的钢筋信息映射到 IFC 标准中的方法；朱俊武3采用 Planbar 软件建立钢筋模型，并利用模型导出钢筋下料单，实现智能钢筋加工；陈红伦4研究了钢筋模型几何信息在 IFC 标准中表达方式，为软件开发和应用提供理论支持。王勇5利用 IFC 的建筑结构信息模型描述方法和模型扩展机制，构建了建筑结构施工图设计的 IFC 扩展模型，并开发了相关原型系统;郁嘉诚6基于国际 IFC 标准，以连续梁为研究对象，研究其钢筋模型的自动生成算法。以上研究都针对IFC格式模型的解析和信息提取，以及将数据传递到数控加工设备的一个或多个环节进行了分析，提供了一些可靠的解决方案。但是上述研究并没有系统地解决将 IFC 格式模型数据导入到数控加工设备的问题。2 技术方案【基金项目】安徽省交通控股集团有限公司科研项目（编号：JKKJ-2018-39）【第一作者】卢禹（1983-），男，高级工程师，数字分院院长，主要研究方向：路桥工程、BIM、数字化。钢筋数据从 IFC 向数控加工设备的传递卢禹卢禹1 1 韩磊 韩磊2 2 袁鹏 袁鹏1 1 华攀 华攀3 3（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司合肥分公司，合肥 230031；2.安徽省交通控股集团有限公司，合肥 230031；3.安徽省路港工程有限责任公司，合肥 230031）【摘 要】【摘 要】目前，在向钢筋数控加工设备录入钢筋尺寸时，仍然依赖于钢筋加工工人手工录入信息，这种方式既容易造成信息录入错误，也严重降低了钢筋加工效率。本文提出了一种从 IFC 文件提取钢筋加工数据，并将其以数字化方式传递给钢筋数控加工设备的方法。该方法从 IFC 文件中解析并提取钢筋实体信息，将其按 BVBS 格式进行编码后，再将编码转换为 PDF417 条码格式提交给钢筋加工工人；在钢筋加工厂，钢筋加工工人采用扫描二维码的方式将钢筋加工信息输入到 MEP 钢筋数控加工设备。该方法已在德州至上饶国家高速公路合肥至枞阳段项目得到成功应用。应用实践表明，该技术可将 IFC 格式的钢筋模型转换为数控加工文件，减少了工人读图、录入等中间环节，可以提高钢筋的加工效率和精度。【关键词】【关键词】BIM；IFC；BVBS；数字化加工【中图分类号】【中图分类号】TU17 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】【文章编号】1674-7461(2023)03-0081-05【DOI】【DOI】10.16670/11-5823/tu.2023.03.1482本文提出直接基于 IFC 格式的施工图设计模型，从中解析钢筋加工信息并转换为BVBS数据格式文件，并将其输入数控钢筋加工设备的系统性解决方案。2.1 BVBS 编码结构目前，与 CAM 钢筋加工设备进行数据交换的标准格式为 BVBS 编码。BVBS 编码分为形状类型、头部数据块（H）、几何数据块（G）、钢筋网数据块（A）、钢筋数据块（X/Y）、私有块（P）、校验数据块（C）七部分。其中钢筋网数据块和钢筋数据块为钢筋网专有数据，私有快（P）用于记录自定义数据，均不在本文研究范围。其它数据块具体说明如表 1 所示：（1）形状类型：描述待加工钢筋的类别。比如“BF2D”表示加工成二维钢筋，“BF3D”表示加工成三维钢筋7；（2）头部数据块(H)：提供钢筋的识别和特征数据，包括钢筋的工程编号、图号、图纸索引、钢筋编号、钢筋长度、数量、钢筋重量、钢筋直径、钢筋等级、弯曲直径等信息；（3）几何数据块(G)：包含钢筋的段长、弯曲半径、弯折角度、XYZ轴坐标（仅三维钢筋形状使用）等信息；（4）校验数据块(C)：用以检验在该部分以前字符串（包含字母标识“C”）的准确性。以上数据块中，头部数据块(H)、几何数据块(G)是需要进行数据交互的主要内容。2.2 钢筋信息在 IFC 中的表达2.2.1 IFC 信息模型体系结构IFC 标准将建筑全生命全专业信息架构分为四个功能层，从下到上依次为资源层、核心层、共享层、领域层，每个功能层都是由独立的模块组成，且模块之间的信息相互独立。IFC 标准为模型层级架构之间定义了严格的引用关系，即一个类型不能引用上一层级的类型，但能引用相同或下层级的类型，此种继承规则使 IFC标准保持了良好的稳定性和信息延续性。针对 BVBS 编码结构中字段信息的需求，本研究从 IFC 中解析以下几方面的钢筋实体信息。2.2.2 钢筋实体的非几何信息表达。在 IFC 文件中，IfcProject 用来描述项目基本信息，包括文件创建信息、项目编号、项目名称等；IFC 中没有针对图纸编号给出相对应的存储实体，但在IfcDocumentInformation 实体中提供外部链接文档的图号和图纸索引信息。IfcReinforcingBar 实体综合描述了与钢筋直接相关的信息，包括名称、标签、对象类型、钢筋直径、钢筋长度等。2.2.3 钢筋实体的几何形状信息表达钢筋在 IFC 中一般采用 Brep 和 sweptsolid 两种几何表达形式，其中 Brep 使用面片围合的方式来表示3D 模型9，支持在碰撞检测方面的应用，但不支持对元素的特征进行识别或编辑；sweptsolid 是通过参考轮廓在空间中沿三维曲线扫描表示 3D 形状，三维曲线可通过参数化方式进行表达，便于编辑和修改，并且使用swept solid相较于Brep 的表示方式其文件语句更少。因此，sweptsolid 是更主流的钢筋几何形状表示方式。本文仅基于 sweptsolid 表达方法进行数据解析。在 sweptsolid 表达方法中，钢筋拉伸总路径用IfcCompositeCurve 实体来表达。IfcCompositeCurve 实体记录了直线段和弧线段路径的集合，通过提取其 IFC语句中的路径描述参变量，可确定钢筋线性几何特征参数。2.2.4 钢筋数量的表达根 T 梁中通常存在多根具有形状相同的一组钢筋的情况。在 IFC 标准中，为消除大量重复数据，常采用 IfcMappedItem8方式表示多根几何形状完全相同的钢筋模型。对于具有相同几何形状的一组钢筋，在 IFC中可以先用 IfcReinforcingBar 实体描述其中一根，并通过 IfcMappedItem 实体来实现其它钢筋的映射。因此从理论上说，可以通过 IfcMappedItem 实体来获取同一型号钢筋的数量。2.3 IFC 与 BVBS 的数据映射关系从上一节的研究可以知道，BVBS 头部数据块、几何数据块中所需的主要信息都已包含在 IFC 中。几何数据块信息可从 IfcCompositeCurve 实体中检索到，BVBS 头部数据块与 IFC 的字段映射如表 1 所示。需要说明的是，BVBS 中头部数据块中的“钢筋重量、弯曲直径”属于原材料性能和属性，无法从 IFC 文件中获取。同时，BVBS 编码允许上述数据为空，并不影响钢筋的数控加工。在从 IFC 中获取到钢筋信息后，再依据 2.1 中的BVBS 编码结构进行编码，即可形成钢筋加工的数控文件。2.4 BVBS 数据向数控设备的传递常见的数控钢筋加工设备一般支持 PDF417 二维条码数据传输10和网络通讯数据传输两种方式。PDF417 二维条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段，在证件识别、工业生产等各个领域都有广泛应用。83钢筋数据从 IFC 向数控加工设备的传递相比而言，PDF417 二维条码的数据传输方式具有便于部署、操作简便等优势。本研究选用该技术方案，即：将 BVBS 码转换为数控设备支持的 PDF417 二维条码，操作人员通过扫码枪完成生产订单的数据录入。数控加工设备获取加工参数后，绘制出所需钢筋的加工图形，并将参数存储在 PLC 控制器中，然后执行定量加工生产。3 研究案例3.1 参数化创建与布置某工程的项目代号 HZGS，其预制 T 梁的图号为QTL-25-09，索引号 B-B。其中某型号钢筋为 12mm 直径的 HRB400 热轧带肋钢筋（如图 1 所示），钢筋数量193根。现基于5#钢筋提取数据，并转换为BVBS码，以二维码方式传递到数控加工设备。3.2 模型导出与解析模型采用 Autodesk Revit 2021 版建立，录入必要的项目信息后，导出为 IFC4 版本的数据文件。基于第2 节提供的方法，从数据文件中解析到钢筋实体的有关信息，如表 2 所示。在从 Revit2021 软件中导出的 IFC 文件中，并没有查到预先记载的图号、图纸索引信息，所有钢筋均以IfcReinforcingBar 实体的方式定义，因此为钢筋数量的获取也带来了困难。考虑到生产加工的管理需要，本次在提取数据后，为其补充相关数据，如表 3 所示。图 1 钢筋尺寸示例图表 3 人工补充的头部数据块信息BVBS 字段标识中文描述属性值r图号QTL-25-09i图纸索引B-Bn数量193在该钢筋相关的 IfcCompositeCurve 实体中，找到了钢筋形状的描述，转换为极坐标表达方式后，如表 4表 1 BVBS 头部数据块与 IFC 的字段映射BVBS字段标识字段英文描述中文描述IFC 实体属性序号属性字段jProject number工程编号IfcProject#3NamerDrawing number of the respective drawing图号IfcDocumentInformation#1IdentificationiIndex of the respective drawing图纸索引IfcDocumentInformation#8Revisionpre-bar/mesh item number钢筋编号IfcReinforcingBar#8Taglbar/mesh length mm钢筋长度 mmIfcReinforcingBar#12BarLengthnitem quantity数量IfcQuantityCount#4CountValueeweight per mesh/bar item kg钢筋重量 kg-dbar diameter mm钢筋直径 mmIfcReinforcingBar#9NominalDiametergsteel grade钢筋等级IfcReinforcingBar#5ObjectTypesbending diameter mm弯曲直径 mm-表 2 从 IFC 中解析的头部数据块信息BVBS 字段标识中文描述IFC 实体属性序号属性值j工程编号（可选）IfcProject#3HZGSr图号IfcDocumentInformation#1（缺失）i图纸索引IfcDocumentInformation#8（缺失）p钢筋编号IfcReinforcingBar#8522703l钢筋长度 mmIfcReinforcingBar#122664.8n数量IfcQuantityCount#4（缺失）e钢筋重量 kg-d钢筋直径 mmIfcReinforcingBar#912g钢筋等级IfcMaterial#1HRB400s弯曲直径 mm-84所示。表 4 从 IFC 中解析的钢筋几何数据块信息序号线条类型长度/半径mm转角 度 1直线330-812直线341.203圆弧74814直线61.705圆弧36906直线87607圆弧36908直线61.709圆弧748110直线341.2-8111直线33003.3 BVBS 编码根据上节获取到的信息以及人工补充的信息，这批待加工钢筋的 BVBS 编码如下：形状类型：BF2D头部数据块：HjHZGSrQTL-25-09iB-Bp5l2664.8n193ed12gHRB400svat几 何 数 据 块：Gl330w-81l341.2w0r74w81l61.7w0r36w90l876w0r36w90l61.7w0r74w81l341.2w-81l330w0校验数据块：C84（计算过程略）完整的 BVBS 码如下：BF2DHjHZGSrQTL-25-09iB-Bp5l2664.8n193ed12gHRB400svatGl330w-81l341.2w0r74w81l61.7w0r36w90l876w0r36w90l61.7w0r74w81l341.2w-81l330w0C843.4 将 BVBS 编码转换为 PDF417 二维条码格式本研究利用在线插件将上一节中的 BVBS 码生成为 PDF417 二维条码，其列数设定为 8 列，生成条码如图 2 所示。图 2 以 PDF417 条码格式呈现的 BVBS 编码经验证，将 Codeland CL5100 型号扫描枪接入MEP 品牌的 SL18 型号钢筋数控加工设备，并正确设置后，可成功将上述 PDF 二维条码信息读入数控加工设备中。3.5 在工程项目中应用情况德州至上饶国家高速公路合肥至枞阳段项目设计有 4 000 多片预制 T 梁。T 梁生产中使用了先进的数控钢筋加工设备和流水式 T 梁生产线。在钢筋尺寸录入数控设备过程中，部分 T 梁钢筋使用了上述从 IFC 文件读取信息、扫码录入的方式。相比传统人工录入过程，该方法省略了现场工人读取二维图、人工录入参数的过程，保证了信息传递的准确性。由于减少了人工录入环节，对钢筋加工的效率也有一定程度的提升。4 结论应用实践表明，基于 IFC 格式的数字化交互方式基本满足设计信息向建造阶段的应用需要，在模型中的相关信息可有效传递并转换为 BVBS 编码，并传送到数控设备进行加工。该技术可减少中间环节，提高钢筋的加工效率和精度。但是，即使像 Revit 这样市场覆盖率较高的成熟软件，在转换为 IFC 文件过程中也存在数据丢失的现象，从而增加了人工录入数据的环节。基于 IFC 标准，如何采取更可靠的方式表达钢筋的非几何信息，并与数字化生产管理系统结合起来形成体系化的数据传递流程，将是下一步的研究方向。参考文献1 李楚舒,崔路.基于 IFC 的建筑协同设计标准研究初探J.土木建筑工程信息技术,2011,3(02):1-4.2 Maciel,Alex R,Corra F R.Interoperability with IFC in the automated rebar fabrication C/The 33rd International Symposium on Automation and Robotics in Construction.New York:IEEE Press,2016:872-880.3 朱俊武,杨斌,侯宇飞,等.基于 BIM 技术的铁路智能梁场钢筋加工技术应用 J.铁路技术创新,2020(01):73-77.4 陈红伦,徐嘉懿,王春江,等.基于 IFC 标准的简支梁钢筋模型参数化自动生成 J.图学学报,2019,40(02):351-357.5 王 勇,张 建 平,李 久 林.基 于 IFC 的 建 筑 结 构 施工图设计信息模型描述 J.土木建筑工程信息技术,2014,6(04):30-35.6 郁嘉诚,邓雪原.基于 IFC 标准的连续梁钢筋模型自动生成 J.建筑技术,2020,51(05):618-623.7 陈斐.BIM 技术在核电工程钢筋自动加工中的应用 J.中国勘察设计,2020(10):97-100.85钢筋数据从 IFC 向数控加工设备的传递Transfer of Rebar Data from IFC to CNC Machining EquipmentTransfer of Rebar Data from IFC to CNC Machining EquipmentLu Yu1,Han Lei2,Yuan Peng1,Hua Pan3（1.Hefei Branch of Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group)Co.,Ltd.,Hefei 230031,China;2.Anhui Transportation Holding Group Co.,Ltd.,Hefei 230031,China;3.Anhui Province Highway&Port Engineering Co.,Ltd.,Hefei 230031,China)Abstract:The rebar size is manually input into the numerical control processing equipment of the rebar by steel bar processing workers,which might lead to the error information input and seriously lowered processing efficiency of rebar.In response to it,a method of extracting steel processing data from the IFC file and digitally transmitting it to CNC rebar machining equipment was proposed in this paper,through which,rebar entity formation is parsed and extracted from the IFC file and then encoded in BVBS format.On this basis,the coded data converted into PDF417 barcode format is submitted to rebar processing workers.Rebar processing workers in the processing factory input rebar processing information into MEP rebar CNC machining equipment via scanning QR codes.This proposed method has been applied in the Hefei-Zongyang Section of the Dezhou-Shangrao National Expressway.The technology in the paper is proven to be effective in cutting the intermediate links such as workers diagram reading and input and improving the processing efficiency and accuracy of rebar through converting the steel bar model in IFC format into CNC machining files.Key Words:BIM;IFC;BVBS;Digital Processing8 满延磊,张其林,常治国.变电构架IFC数据交换研究J.土木建筑工程信息技术,2018,10(05):108-112.9 陈红伦,徐嘉懿,王春江,等.钢筋几何信息在 IFC 标准中表达方式解析 C/.第四届全国 BIM 学术会议论文集.,2018:91-96.10 叶 勇,李 兵,秦 玉 伟,等.基 于 BIM 的 一 体 化 集 成技术在核电钢筋工程中的研究与应用 J.建筑技术,2020,51(09):1089-1093.