基于 IFC4的架空输电线路铁塔全寿命周期信息模型研究

刘力

摘要：工业基础类标准 (industry foundation classes，IFC) 是国内外广泛应用的信息模型的数据标准之一，定义了建筑项目全寿命周期的各种对象与类。本文通过对 IFC 标准最新版本 IFC4 的研究，结合架空输电线路工程特点，提出了架空输电线路铁塔信息模型的表达方法并做了详细论述，为进一步实现架空输电线路铁塔信息标准化，兼容 IFC 标准的三维数字化软件研发，工程全寿命周期信息的存储、共享和交换，乃至跨行业、多行业的数据协同打下坚实基础。

关键词：IFC、信息共享、铁塔、架空输电线路

引言

近年来，随着智能电网的建设，对输电线路工程的数字化、信息化程度要求日益提

高^[1]。旨于打破信息孤岛，面向工程全寿命周期管理的三维数字化信息模型是当前研究和应

用热点。信息模型的基石是数据，支撑结构是数据标准。只有基于开放、通用、稳定、健

全的数据信息标准，才能构筑健壮的电网信息模型，保证稳定的数据接入、流转、生长和更新，进而打破信息孤岛，服务工程全寿命周期管理。

IFC 由国际协同工作联盟组织(Building SMART International)发布，用于数据存储和交换^[2]。IFC 可描述表达贯穿工程项目寿命周期的信息数据，支持周期内各阶段信息的存储、共享与交换，是当前国内外广泛应用的信息模型数据标准，基于 IFC 标准的信息模型被深入研究并广泛应用于民用建筑、铁路、公路等行业，但电力行业特别是架空输电线路研究和应用较少。

本文基于 IFC 标准最新版本 IFC4，针对架空输电线路工程全寿命周期管理所需的铁塔信息，从几何表现信息和属性信息两方面进行了研究，提出了铁塔信息模型的IFC表达方法并做了详细论述。

1 杆塔模型的类别及需求分析

1.1 杆塔模型分类

行业内对输电杆塔信息模型还没有一个统一的解释。根据工程全寿命周期各个阶段的需求，可将杆塔模型分为五个层次，分别是：

1）力学单线简化模型

2）GIM模型

3）三维实体精细展示模型（主要用于特高压及示范工程中展示用）

4）施工图级三维实体精细模型

5）制造级三维实体放样模型

力学简化模型，是设计阶段计算采用的模型；GIM模型，是施工运维阶段国网规定进行三维移交时的模型，它包含了角钢的尺寸和肢朝向，但没有节点构造信息，是一种粗糙的三维实体模型；后三种是包含节点板和螺栓的高精度模型，分别适用于不同场合：其中三维实体精细展示模型主要用于特高压及示范工程展示，其建模重点在复杂节点的构造，比如导地线的挂点及变坡点处，并不关注其他部位的模型精度；制造模型精度最高，是铁塔在进行下料加工使用的最终模型，与我们实际的施工图精度一致。可以看到，这五种模型适用于工程的不同阶段，模型精度不同，侧重点各异。这也导致了这几种模型无法互通，无法在工程全寿命周期采用标准的模型数据格式。随着设计加工技术的进步和工程全寿命周期管理的需要，这几种不同精细等级的模型应该会逐步结合起来。

1.2 杆塔信息模型的定位

现阶段国网采用GIM模型作为三维移交的数据格式。如果把GIM模型作为工程全寿命周期应用的标准格式，也是存在问题的。GIM模型由于其自身原因，导致实际应用价值不高。具体如下：

1）目前各院移交的GIM文件由于mod格式限制，对杆塔中角钢位置的描述精度不足，直接影响到后续的电气校验、结构展示。据了解目前各种工程示范中高精度的杆塔模型，几乎都是由厂家制造模型产生的，令GIM文件实用价值受限。

2）GIS平台出于系统架构及展示效果考虑，对于同一级杆塔提供高精度级别的三维杆件实体产品模型是非常有必要的，这也是MOD文件的初衷，但目前因为MOD文件自身限制，导致MOD文件产生的产品模型在GIS平台展示中效果一般。

3）同样由于MOD文件规范不够严谨和规范，存在若干已知问题未能解决，进而导致各院移交的MOD格式通用性大打折扣（存在互相不能打开情况）。而且虽然MOD文件一般由杆塔计算模型转换处理而来，但由MOD文件向回反转换成杆塔的计算模型，在目前MOD技术框架下还存在很多深层决的技术困难无法解决。因此GIM文件不适合作为企业杆塔信息模型格式进行存档。

综合上述因素，GIM模型不适合作为工程全寿命周期的标准模型格式。那我们能否参考IFC格式标准，对杆塔信息模型进行拓展，拓展完善后的信息模型可应用于工程初设、杆塔规划、线路展示等诸多设计和运维环节，满足工程全寿命周期管理需求。这是我们的研究的方向。

2 铁塔IFC信息模型

IFC 标准整体的信息描述分为资源层、核心层、共享层、领域层四层。铁塔在 IFC 实体分类中归于建筑类 (IfcBuilding)，建筑类属于于产品大类 (IfcProduct) 下的空间结构部分 (Ifc SpatialStructureElement)，逐层地，最终类集成于核心层内 IfcKernel，见图 1。

图1 IfcBuilding实体继承关系

铁塔信息模型可分为几何表现信息和属性信息，几何表现是指铁塔外观形状等信息，属性是指铁塔的呼高、水平档距、垂直档距等信息和铁塔构件的类型、材料等信息。

3 几何表现信息

铁塔空间结构的几何表现信息表达采用单元(IfcBuildingElement)组装的方式。角钢构件等铁塔组装单元为标准组件，可归于 IfcBuildingElement 下梁类(IfcBeam)，连接节点板等为非标准组件，归于 IfcBuildingElement 下代理类(IfcBuildingElementProxy)。

IfcBuildingElement 共含有32条信息属性，按类型可分为直接属性、导出属性、反属性。直接属性是指编码 ID、名称等直接信息，如GlobalId、Name等；导出属性是指由其他实体来表述的，如 OwnerHistory、ObjectPlacement、Representation等；反属性则是指通过关联实体进行链接的属性，如 HasAssociations、HasContext。

铁塔空间结构几何表现信息可通过描述组装单元的形状信息和位置信息表达。

3.1 形状信息

组装单元(IfcBuildingElement) 外形形状信息属性是导出属性，由Representation描述，IfcProductDefinitionShape 为描述形式的容器，形状描述为 IfcShapeRepresentation，定义了几何形状表现类型。IFC目前SweptAreaSolid、BoundingBox、Tessellation、Extrudedsolid 等多种形状表达方式，可分为参数化和非参数化两类。两种方式均可表达铁塔的形状信息，各有优劣，在工程应用时可根据阶段、外形要求等按需选择。

1) 参数化表达

参数化表达可以有效保留组装单元如长度、厚度等基本外形尺寸，且表达行数少，IFC

文件小，铁塔构件和节点板等铁塔上较为规则的形状均可有效表达，但对于复杂形状和如减孔、螺栓和火曲等细节无法表达。IFC标准中形状信息的参数化表达有 IfcSweptAreaSolid、IfcExtrudeAreaSolid 等。

铁塔构件包括钢管和角钢，其中角钢构件包括单角钢、T型双组合角钢、十字型双组

合角钢、四组合角钢，IFC 表达归于 IfcBeam类，IfcBuildingElement是IfcBeam的超类，即 IfcBuildingElement属于 IfcElement。

采用 IfcExtrudeAreaSolid 描述铁塔构件，即三维拉伸实体。拉伸量即为铁塔构件长度，拉伸截面通过 IfcProfileDef 定义，表达分为单截面和组合截面两种表达方式。

单角钢截面和钢管截面归为单截面，IFC2X3时，只能用任意封闭截面定义(IfcArbitraryClosedProfileDef)，但 IFC4 标准新增了参数化截面类别(IfcParameterizedProfileDef)，包括角钢截面 (IfcShapeProfileDef) 和钢管截面(IfcCircleHollowProfileDef)， 采用参数化截面的定义方法，可有效减少IFC语义行数。钢管截面(IfcCircleHollowProfileDef) 继承于圆截面(IfcCircleProfileDef)。

以全长1m的L100X10等边角钢为例，IFC表达如下 ：

...

#1021 = IFCEXTRUDEDAREASOLID (#1022,$, #1023,1000.);

#1022 = IFCLSHAPEPPROFILEDEF (.AREA., 'L100X100X10', $,100.,100.,10.,12.,5.,$);

#1023 = IFCDIRECTION ((0.,0.,1.));

...

图2 单角钢模型

T 型双组合角钢截面、十字型双组合角钢截面、四组合角钢截面属于组合截面。这

类截面在IFC中未有直接的定义，但可轴2方向(IfcAxis2Placement2D)和笛卡尔点(IfcCartesianPoint)设置截面的相对坐标，并通过多截面组合(IfcCompositeProfileDef)定义。

因架空输电线路铁塔组合角钢构件均为对称结构，可通过导出截面 (IfcDerivedProfileDef)定义下的镜像截面 (IfcMirroredProfileDef) 减少语义数量。

以全长1m，间距为10mm 的 L100X10 T型双组合等边角钢为例，IFC 表达如下 ：

...

#1021 = IFCEXTRUDEDAREASOLID (#1022,$,#1023,1000.);

#1022 = IFCCOMPOSITEPROFILEDEF (.AREA.,'T L100X100X10', (#1024,#1027),$);

#1023 = IFCDIRECTION ((0.,0.,1.));

#1024 = IFCLSHAPEPPROFILEDEF(.AREA.,'L100X100X10',#1025,100.,100.,10.,12.,5.,$)；

#1025 = IFCAXIS2PLACEMENT2D(#1026, $);

#1026 = IFCCARTESIANPOINT((100+10)/2., 0.);

#1027 = IFCMIRROREDPROFILEDEF(.AREA., $, #1024, $).

...

图3 T型角钢模型

节点板表达归于 IfcBuildingElementProxy，属于 IfcBuildingElement，用于 Ifc 标准中未有明确划类的构件，其表达结构同 IfcBeam，仅属性包含范围不同。节点板也采用 IfcExtrudeAreaSolid，拉伸量即为节点板厚度，拉伸截面采用封闭截面 IfcArbitraryClosedProfileDef，用以表达不规则的节点板外形。

采用参数化表达的方式，可有效表达铁塔构件上厚度、长度等外形信息。

2) 非参数化表达

非参数化表达采用构件实体外形控制点、线、面、体构成，长度、厚度等外形参数丢失，但可表达任意复杂形状。IFC 标准中形状信息的非参数化表达有 IfcFaceBasedSurfaceModel、IfcFacetedBrep、IfcTriangulatedFaceset 等。

采用控制点生成轮廓线并进一步组成外轮廓面的方法 IfcFacetedBrep 较为常用，且 IFC 文件相对较小。IfcFacetedBrep 表达时，由多条线(IfcPolyLoop等)构成封闭的面边界轮廓(IfcFaceOuterBound)，由轮廓构成所需的实体面(IfcFace)，再根据实体中的各个面构成可将实体包裹起来的壳(IfcClosedShell)，最后通过 IfcFacetedBrep 将壳转换为所需的实体。

采用非参数化表达的方式，可进一步有效表达铁塔构件上减孔、火曲等细节信息。

3.2 空间位置信息

组装单元(IfcBuildingElement)的空间位置信息是导出属性，通过 ObjectPlacement 指向 IfcLocalPlacement 表达。

IfcLocalPlacement 属性主要为 PlacementRelTo 和 RelativePlacement。其中 PlacementRelTo 表示参照的坐标系，针对铁塔组装单元，宜采用统一参考点的方式，即铁塔上所有构件 PlacementRelTo 均指向统一IfcLocalPlacement，宜为铁塔 (IfcBuilding)ObjectPlacement 属性定位点(通常可选为铁塔线路定位坐标点)，采用世界坐标系 (WCS)。

RelativePlacement 指向铁塔组装单元坐标系和原点相对于参考点坐标和坐标系之间的姿态及变换关系，可采用 IFCAXIS2PLACEMENT3D，即定义源坐标系两轴相对于目标坐标系的姿态和偏移表达。

某组装单元的姿态同铁塔，原点相对于铁塔定位点位置Z方向偏移300。IFC 表达示例如下：

...

#1040 = IFCLOCALPLACEMENT(#100,#1041);

#1041 = IFCAXIS2PLACEMENT3D(#1042,$,$);

#1042 = IFCCARTESIANPOINT((0.,0.,300.));

...

4 属性信息

架空输电线路铁塔属性信息分为铁塔整体属性和组装单元属性。

IfcBuilding 含有27条信息属性，分类同 IfcBuildingElement。铁塔的 ID 编码、名称是直接属性，可直接表达。其余如铁塔呼高、垂直档距、水平档距等采用导出属性 Representation描述，IfcRelDefinesByProperties 为属性容器，采用 IfcPropertySet 构建所需属性 (IfcProperty) 集合。属性 (IfcProperty) 在 IFC 分类中有复杂 (IfcComplexProperty) 和简单 (IfcSimpleProperty) 两种，铁塔常用属性均可采用 IfcSimpleProperty 表达。若属性有值，可采用 IfcPropertyListValue、IfcPropertySingleValue 等赋值。

以赋予铁塔电压等级为 500kV 属性为例，IFC 表达如下：

...

#201 = IfcPropertySingleValue('Voltage', '500kV');

#203 = IfcPropertySet($,$,$,$,#201);

#204 = IfcRelDefinesByProperties($,$,$,$,$, #203);

...

组装单元 (IfcBuildingElement) 属性信息的表达除材料信息外，表达方式同铁塔整体 (IfcBuilding)。材料属性属于反属性，通过 HasAssociations 指向关联实体 IfcRelAsscociateMaterial，并赋予 IfcBuildingElement 的截面属性，从而使构件具备关联到的材料属性。IFC 材料属性存在多种定义，架空输电线路铁塔构件材料选用标准钢材，采用 IfcMaterial 表达。

以 L100X10截面构件 Q345B 材质为例子，

IFC 表达如下 ：

...

#1000 = IFCBEAM('GlobalID',$,'L100X10 Q345B',$,$,$,$,$, $,$);

#1021 = IFCLSHAPEPPROFILEDEF(.AREA.,'L100X100X10',$,100.,100.,10.,12.,5.,$);

#1022 = IFCRELASSOCIATESMATERIAL ($,$,$,$,#1000,#1023);

#1023 = IFCMATERIALPROFILESET ($,$, (#1024),$);

#1024 = IFCMATERIALPROFILE ('L100X100X 10',$, #1025, #1021, $, $);

#1025 = IFCMATERIAL ('Q345B',$,'Steel');

...

5 铁塔信息模型的IFC表达

综上，架空输电线路铁塔信息模型 IFC 表达结构，见图 4。

图4 铁塔信息模型IFC表达结构

利用该表达结构，可成功将工程所需的铁塔信息在工程各阶段三维数字化、信息管理软件中有效传递和应用，打破信息孤岛，实现工程全寿命周期管理。

6 结论

1) 输电线路行业三维数字化全寿命周期管理应用中，还没有一套稳定有效的信息模型表达方式实现信息的传递应用。IFC 标准已成功实践应用于建筑、铁路、公路等行业，标准成熟稳定，有必要在行业数字化建设中引入 IFC 标准，实现信息模型的标准化。

2) 以输电线路铁塔为对象，对 IFC 标准最新版本 IFC4 进行了研究，给出了铁塔信息模型 IFC 表达结构和实现方式。

3) 基于本文提出的表达方法可有效实现在支持 IFC 标准的数字化软件和信息管理软件间实现信息模型的交互和应用，有利于行业内铁塔信息模型表达的标准化，有利于兼容 IFC 标准的三维数字化软件研发。

4) 基于统一的信息模型标准，未来可实现同建筑、铁路、公路等其他行业间的信息模型的共享，实现广泛层面上的数字一体化。

参考文献：

[1] 胡君慧，盛大凯，郄鑫，等．构建数字化设计体系，引领电网建设发展方向 [J]．电力建设，2012，33(12) ：1-5．

[2] 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，2015，36(2) ：282-288．