(同濟大學建筑工程系，上海 200092)

1 引言

隨著城市化進程的不斷推進，建筑行業(yè)逐漸由以新建建筑為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾陆ㄅc改造并重的階段。建筑物的設(shè)計、施工等階段僅需幾年時間，但是其全生命周期可達幾十年甚至上百年，因此建筑物潛在的維修和維護工作量巨大[1]。有研究表明，在住宅全壽命期的總費用構(gòu)成中，用于住宅建成后的維護和使用管理費用約為新建費用(初始造價)的2～3倍，可見，從經(jīng)濟決策角度看，既有建筑的維護改造和建筑的新建同樣重要[2]。

在我國建筑行業(yè)粗放型發(fā)展的幾十年中，“重建設(shè)，輕管理”的現(xiàn)象普遍存在。改革開放以來，我國建筑業(yè)取得了快速的發(fā)展，隨著建設(shè)規(guī)模不斷增大，技術(shù)人員逐漸認識到建筑后期的維護管理水平對于減緩建筑結(jié)構(gòu)的老化有很重要的意義?？紤]到當前我國建筑行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)尚不健全、技術(shù)人員專業(yè)水平相差較大、信息化管理水平普遍較低，亟需要加強既有結(jié)構(gòu)運營管理，尤其是信息化管理方法的研究[3]。

2 現(xiàn)代運營管理概念的提出

根據(jù)國際設(shè)施管理協(xié)會(International Facility Management Association，IFMA)和美國國會圖書館的定義，F(xiàn)M(Facility Management，設(shè)施管理)是指“以保持業(yè)務(wù)空間高品質(zhì)的生活和提高投資效益為目的，以最新的技術(shù)對人類有效的生活環(huán)境進行規(guī)劃、整備和維護管理的工作”[4]。它是一門管理學科，是將地點(location)、人員(people)、流程(process)、建筑設(shè)施(facilities)、資產(chǎn)(assets)等因素整合起來，從而為建筑物持有人員提供優(yōu)質(zhì)的專業(yè)技術(shù)服務(wù)。

以一次既有建筑結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定工作為例(圖1)，運營管理部門扮演了重要的角色，既是安全性鑒定委托的提出者，又是安全性鑒定工作最終的驗收者。在某種意義上，運營管理部門是一個信息的交匯節(jié)點，需要處理不同專業(yè)的大量信息。在結(jié)構(gòu)的維護管理領(lǐng)域，負責相關(guān)事務(wù)的運營管理部門在一個建筑全壽命周期中應(yīng)處理的主要信息如圖2所示。

圖1 既有結(jié)構(gòu)安全性鑒定工作流程

圖2 FM部門既有結(jié)構(gòu)維護領(lǐng)域信息流動圖

由于建筑的運維工作時間跨度大、涉及專業(yè)廣，各個專業(yè)往往還會有信息交叉，所以我們看到各專業(yè)、不同時段內(nèi)有關(guān)建筑事務(wù)的信息都會匯集到運營部門以便于后期運營管理。而在實際管理過程中，各乙方(建筑服務(wù)商)在項目完成之后，需要為運營管理部門提供哪些信息，信息以何種格式呈現(xiàn)，都沒有一個具體的規(guī)范來約束。這也是導致工程界普遍的資料不全、信息丟失、圖紙錯誤等問題發(fā)生的主要原因。這些問題在運營管理學科中統(tǒng)稱為“最后一公里問題”，也就是從建設(shè)到運營的信息傳遞問題。解決這個問題的有效方法是運用BIM技術(shù)與IFC標準[5]。

3 IFC標準描述建筑項目信息

工業(yè)基礎(chǔ)類(Industry Foundation Classes，IFC)標準是由buildingSMART組織制定的建筑工程數(shù)據(jù)存儲交換標準。它一個基于面向?qū)ο?Object-Oriented)的數(shù)據(jù)模型，采用EXPRESS語言描述建筑工程信息。IFC標準作為一個不受某一個或某一組供應(yīng)商控制的中性和公開的標準，是一個BIM軟件普遍使用的格式，得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認可。以一根柱的信息描述為例，IFC標準在“共享建筑元素”模塊里有柱的信息定義如下：

ENTITY IfcColumn

SUBTYPe of(IfcBuildingElement)；

END_ENTITY；

在IFC標準當中，實體(ENTITY)是最小的信息組織單位，一個IFC模型就是由若干個實體數(shù)據(jù)組成的。通過定義我們知道IfcColumn繼承于IfcBuildingElement，這是EXPRESS語言描述對象時“面向?qū)ο蟆狈椒ǖ闹庇^體現(xiàn)。

在IFC標準中，實體是按照類的概念一層一層繼承下來的。IfcColumn的父類實體依次是：IfcBuildingElement、IfcElement、IfcProduct、IfcObject、IfcObjectDefinition、IfcRoot[6]。IfcColumn本身沒有定義任何專有屬性，而從父類繼承了26個屬性。值得注意的是，以IfcColumn為例，IFC標準為其設(shè)置了一個屬性集Pset_ColumnCommon。IfcPropertySet是IFC標準定義的一種存儲屬性的實體，叫做屬性集，而Pset_ColumnCommon就是IfcPropertySet的一個實例。IFC標準為各種建筑實體定義的屬性集非常有限，以柱為例，僅僅只有一個Pset_ColumnCommon屬性集，這是遠遠不夠的，因此必須有相應(yīng)的方法對IFC標準進行擴展。

作為開放的標準體系，IFC標準對模型的擴展主要提供以下三種擴展機制，即基于IfcProxy實體的擴展、通過增加實體定義的擴展以及基于屬性集的擴展。

三種擴展方法各有其優(yōu)缺點，針對不同用戶可采用不同的方法，具體見表1。如國家標準制定需進行實體擴展，同時對相關(guān)屬性集進行補充； 對項目級別的BIM應(yīng)用，可采用IfcProxy擴展或?qū)傩约瘮U展。相較之下基于屬性集的擴展方式，操作簡單方便、版本兼容性好、類型安全、運行效率高，是首選的擴展方式。

表1 三種IFC標準擴展方式比較

4 既有結(jié)構(gòu)鑒定加固信息模型的建立

IFC標準中的屬性集擴展方法作為技術(shù)手段，為既有結(jié)構(gòu)維護信息模型擴展提供了可行性。但是作為結(jié)構(gòu)工程師，還需要考慮對于既有結(jié)構(gòu)而言，需要集成哪些信息。

由于既有建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中會產(chǎn)生海量的信息，而與鑒定加固相關(guān)的信息量也很龐雜，因此在一個模型中將所有結(jié)構(gòu)鑒定加固相關(guān)的信息表達出來目前來看仍很難做到。考慮到工程實際，初步只將結(jié)構(gòu)的鑒定結(jié)果信息以及加固方法和加固措施在模型中進行集成。

鑒定結(jié)果信息除了既有結(jié)構(gòu)基本信息外，還包括評定等級和評定數(shù)值。類似地，對于加固信息也應(yīng)該包括基本信息與加固結(jié)果。由于不同結(jié)構(gòu)形式的既有結(jié)構(gòu)其加固方法差別較大，所要表達的加固信息也有很大不同。本研究以混凝土結(jié)構(gòu)為例，建立混凝土結(jié)構(gòu)常用加固方法所需表達的加固信息屬性集。常用的混凝土構(gòu)件所采用的加固方法包括：增大截面法、粘貼鋼板法、外包型鋼法、粘貼纖維布法和置換混凝土法。

5 以IFC標準擴展既有結(jié)構(gòu)的鑒定加固信息

在IFC標準當中，一個實體可以有多個屬性集。而這些屬性集既可以是預定義屬性集，又可以是自定義屬性集，這就為我們對屬性集進行擴展奠定了基礎(chǔ)。而一個實體與其屬性集發(fā)生關(guān)聯(lián)是通過定義屬性關(guān)系實體達成的。屬性集作為屬性信息的容器，裝載工程師所關(guān)心的結(jié)構(gòu)鑒定加固信息。

本文首先建立關(guān)于結(jié)構(gòu)鑒定的基本信息屬性集，并定義該屬性集所包含的屬性內(nèi)容，在定義屬性內(nèi)容時，需同時確定屬性類型和屬性值類型，通常屬性類型為IfcPropertySingleValue，如表2所示。

表2 鑒定基本信息屬性集

在完成結(jié)構(gòu)鑒定基本信息屬性集及相關(guān)屬性的定義之后，建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的鑒定信息屬性集，包含的鑒定信息應(yīng)有評定等級和評定數(shù)值。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁、柱、板、墻都具有這兩個屬性，在實際擴展當中，可選擇IfcBeam、IfcColumn、IfcSlab和IfcWall共同的父類IfcBuildingElement作為擴展屬性集關(guān)聯(lián)實體。這也是IFC標準在實際運用中靈活性的體現(xiàn)。將梁、柱、板、墻的評定等級和評定數(shù)值屬性納入到Pset_AppraisalResult屬性集中，并定義該屬性集內(nèi)的評定等級和評定數(shù)值兩個屬性值，如表3和表4所示。

表3 鑒定結(jié)果信息屬性集

表4 鑒定結(jié)果信息屬性集屬性

與鑒定信息的表達類似，對于既有結(jié)構(gòu)的加固信息而言，首先建立與結(jié)構(gòu)加固基本信息相關(guān)的屬性集Pset_StrengthingInfo，并定義該屬性集所包含的各個屬性。在完成結(jié)構(gòu)加固基本信息屬性集及相關(guān)屬性定義后，建立構(gòu)件層次的加固信息屬性集。由于不同結(jié)構(gòu)形式的既有結(jié)構(gòu)加固方法差別較大，所要表達的加固信息也有很大不同。

在完成構(gòu)件加固方法屬性集以及相關(guān)屬性定義之后，定義各種加固方法具體的做法。由于梁、柱、板、墻各自的加固措施區(qū)別比較大，因此在定義構(gòu)件的加固措施屬性時，分別為IfcColumn、IfcBeam、IfcSlab和IfcWall定義加固措施屬性集。以IfcColumn為例，依次定義常用加固方法屬性集及其包含的加固屬性。以增大截面法加固柱為例，對于加固的柱構(gòu)件，需要集成加固后柱構(gòu)件的截面增加的尺寸，新增混凝土的強度，加固鋼筋的數(shù)量、位置、強度等，如圖3所示。

圖3 增大截面法加固柱的效果圖

本文在定義加固屬性時主要參考《建筑結(jié)構(gòu)加固施工圖設(shè)計表示方法》(07SG111-1)和《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2013)，并考慮加固工程實踐，盡可能保證加固信息表達準確。表5給出了5種常見的加固方法的屬性集屬性定義，表6給出了柱增大截面法屬性集定義。

完成IFC標準下鑒定加固屬性集以及各自屬性集下的屬性定義之后，可以按照此標準修改IFC文件。因此，大部分構(gòu)件層次的鑒定加固信息都可以集成到IFC文件當中，并實現(xiàn)基于IFC標準的既有結(jié)構(gòu)鑒定加固信息的初步集成。

表5 加固方法屬性集

表6 柱增大截面法屬性集

由于IFC文件是一種中性文件，可利用Revit API平臺開發(fā)文本文件讀寫程序，讀入IFC文件，由用戶輸入結(jié)構(gòu)鑒定基本信息屬性和結(jié)構(gòu)加固基本屬性，如圖4所示。

由于IFC標準的通用性，任何支持IFC標準的BIM軟件均可查看這些屬性信息。擴展的鑒定加固屬性集與屬性準確地在第三方軟件中進行表達，驗證了本文提出的既有結(jié)構(gòu)鑒定加固信息擴展的正確性，也反映了IFC標準在建筑信息上的優(yōu)越性。

圖4 集成鑒定加固信息的柱屬性列表

6 既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)

針對既有結(jié)構(gòu)鑒定加固信息模型，將結(jié)構(gòu)化的鑒定加固信息集成后，需要搭建相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)。本文搭建了基于BIM技術(shù)的既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)，集中管理既有結(jié)構(gòu)維護過程中生成的檢查信息以及鑒定加固信息。支持結(jié)構(gòu)安全檢查人員、結(jié)構(gòu)檢測鑒定人員、結(jié)構(gòu)加固人員在系統(tǒng)中獲取各自建筑活動需要的信息并記錄相關(guān)信息。

既有結(jié)構(gòu)維護管理的流程可以分為巡檢階段、檢測鑒定階段、加固階段等三個階段，針對結(jié)構(gòu)維護的三個階段，既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)功能設(shè)計如圖5所示。

圖5 既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)功能設(shè)計

在系統(tǒng)的實現(xiàn)方面，為了避免BIM模型過于龐大，對BIM模型進行輕量化處理，采用基于WebGL的BIM模型輕量化在線瀏覽解決方案。利用Forge API優(yōu)良的顯示效果和便捷的介入操作，設(shè)計Forge API與既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)的集成原理如圖6所示。

本文所研究的既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)，以文檔的形式存儲各次巡檢結(jié)果、檢測鑒定結(jié)果以及加固結(jié)果中各種不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，效率最高。鑒于此，考慮到MongoDB是目前最成熟、應(yīng)用最為廣泛的文檔數(shù)據(jù)庫之一，它的特點是高性能、易部署、易使用，存儲數(shù)據(jù)非常方便。因此，系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)庫采用文檔數(shù)據(jù)庫MongoDB。

為了測試該系統(tǒng)，以同濟大學歷史保護建筑——文遠樓為例，建立基于IFC標準的既有結(jié)構(gòu)鑒定加固模型，并將其集成到維護管理系統(tǒng)中。圖7給出了系統(tǒng)的運行示意。系統(tǒng)分別按BIM模型與維護數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)化信息和非結(jié)構(gòu)化信息，基本保證了建筑結(jié)構(gòu)維護過程中信息的不丟失，解決了建設(shè)—運營信息移交過程中的“最后一公里”問題，提高了結(jié)構(gòu)維護的信息化水平。同時，系統(tǒng)面向Web的設(shè)計方法，在移動端也有較大的應(yīng)用空間，非常有利于對復雜結(jié)構(gòu)的日常檢查工作。

圖6 orge API與既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)集成圖

圖7 系統(tǒng)運行示意圖

7 結(jié)論

基于屬性集擴展IFC標準的方法簡單易行，不改變現(xiàn)有IFC框架，能夠得到市場上所有支持IFC標準的BIM軟件的支持，具有相當大的實用價值。本文所提出的基于IFC標準的既有結(jié)構(gòu)鑒定加固模型也為不同軟件平臺讀取建筑結(jié)構(gòu)的鑒定加固信息提供了一條便捷的途徑，并為既有結(jié)構(gòu)的運營管理打下了很好的技術(shù)基礎(chǔ)?；诖思夹g(shù)搭建的既有結(jié)構(gòu)維護管理系統(tǒng)提供了較為完善的結(jié)構(gòu)維護方案，具有一定的實用價值。

參考文獻

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