公路工程信息模型標識編碼結(jié)構(gòu)研究

建筑信息分類體系種類較多．國際建筑信息分類主要包括OmniClass（美國）、 Uniclass 2015（英國）、CCS（丹麥）和CoClass（瑞典）等體系，在實際使用時需要根據(jù)本地法規(guī)和技術(shù)要求，結(jié)合計算機開發(fā)相應的分類工具，用于在全生命周期中已標準化格式傳達及呈現(xiàn)建筑信息^[4]．而使用信息分類體系對項目進行全生命周期信息管理還存在不少問題，如缺乏從早期開始使用的信息交換平臺、缺乏共同語言造成溝通問題、難以進行資產(chǎn)全生命周期數(shù)據(jù)偏差的跟蹤和信息更新困難等^[5]．文獻[6]分析了國內(nèi)外信息分類標準在建筑業(yè)數(shù)字管理和資產(chǎn)信息管理等方面缺乏的概念框架和理論基礎，提出了便于生命周期信息交換的可擴展的概念框架，用于定義、管理和集成項目和資產(chǎn)信息.

目前國際上采用的建筑信息分類，以線分類法為主，主要適用于建筑工程，對于土木工程其他專業(yè)支持不完全，只用于傳統(tǒng)的文檔、造價、檔案和規(guī)范等管理．現(xiàn)代分類體系包括目前美國采用的OmniClass和英國采用的Uniclass等分類標準，都是基于ISO 12006-2框架，為適應信息技術(shù)發(fā)展要求而提出的，在工程建設行業(yè)的材料供應商和工程經(jīng)濟等行業(yè)有較廣泛的應用.

中國現(xiàn)有的公路工程信息模型分類編碼大都基于《信息分類和編碼的基本原則與方法》（GB/T 7027—2002）以及ISO 12006-2分類體系建立，在《公路工程信息模型應用統(tǒng)一標準》（JTG/T 2420—2021）中對信息模型的成果、過程、資源和屬性等分類對象進行了編碼^[7-8]，但沒有對具體模型標識進行編碼，無法與工程構(gòu)件對象及相應的屬性進行關(guān)聯(lián)，沒有被推廣應用^[9]．現(xiàn)有的模型標識編碼大都參考鐵路工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（engineering break?down structure，EBS）編碼，以《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南（1. 0版）》^[10]為基礎，采用人工手動編碼或者計算機輔助批量編碼的方式與模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)，但也存在編碼與現(xiàn)行的IFD標準相對獨立、編碼擴展及組合應用不夠靈活、不利于大數(shù)據(jù)提取和利用等問題，有必要針對公路工程特點結(jié)合IFD標準建立一套公路工程信息模型標識編碼.

當 前 建 筑 信 息 模 型（building information modeling，BIM）技術(shù)在公路工程行業(yè)逐漸得到應用和推廣，對公路建設項目全過程數(shù)字化、信息化管理要求也越來越高．為了結(jié)合BIM模型對項目建設過程進行管理，在BIM模型構(gòu)件中建立唯一的標識編碼，可便于不同格式的BIM數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間進行傳遞．目前應用的模型標識編碼結(jié)構(gòu)主要有以下幾種.

1. 2. 1 工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（engineering-system breakdown structure，EBS）編碼

工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)是按照“功能面”和“專業(yè)要素”進行分解的，采用多級別的層次碼進行編碼，較高層級上的每一個類別都包含并且只能包含交底層級的全部類別．目前應用較廣泛的是中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南（1. 0版）》^[10]（簡稱鐵路EBS標準），主要為適應信息化發(fā)展及工程全生命周期信息集成和管理需求建立，公路行業(yè)各相關(guān)專業(yè)參照使用.

實體結(jié)構(gòu)編碼主要包括工點編碼和EBS編碼規(guī)則．其中，工點編碼結(jié)構(gòu)為項目編碼（6位）+工點類型碼（2位）+工點順序號（4位），工點類型按專業(yè)劃分，按管理跨度確定最小管理單元，主要用于定位實體構(gòu)件所在的空間位置．EBS編碼主要用于描述實體構(gòu)件的層級和專業(yè)屬性，主要以工程量清單編碼為依據(jù)，如表1.

表1 EBS編碼（部分） Table 1 EBS code (part)

EBS編碼在實際分解操作時，需要施工單位人員根據(jù)實際情況選擇EBS模板進行補充完善，并與合同清單條目相對應．EBS模板與清單存在差異時，要進行拆分或合并，將其納入EBS模板對應條目．EBS分解是隨著工程各階段的進行而呈動態(tài)變化的．EBS編碼應用于公路工程橋梁隧道等構(gòu)筑物時有較好的適用性，但由于公路的工程工點和項目劃分存在差異，現(xiàn)有的鐵路EBS編碼將位置碼、設施碼和構(gòu)件碼混編，難以適應多層級劃分，EBS單元和計量元素之間無法建立更深層級的對應關(guān)系．如針對道路工程各分項的具體分段方式根據(jù)實際情況劃分各不相同，無法按EBS工點劃分形成統(tǒng)一的分段，與項目建設管理過程中各分項的工程量及費用元素無法形成對應.

1. 2. 2 空間+分類+順序多級編碼組合

該編碼體系采用空間代碼對模型所在空間總體位置進行描述，結(jié)合JTG/T 2420-2021^[7]中對構(gòu)件的信息分類原則建立構(gòu)件分類編碼，從而實現(xiàn)對模型構(gòu)件定位和分類的綜合描述，并通過設置順序碼對統(tǒng)一空間代碼下多個構(gòu)件實例進行唯一標識．其中，空間編碼分為4個層級，分別為項目代碼、標段代碼、整體空間代碼和局部空間代碼．模型標識碼典型結(jié)構(gòu)如圖1.

此類編碼體系可以實現(xiàn)對模型空間位置和分類編碼的綜合描述，不僅實現(xiàn)了模型構(gòu)件唯一標識碼劃分，而且與現(xiàn)行的ISO 12006-2分類編碼體系融合，有效利用了模型信息分類編碼．但是，空間代碼由數(shù)據(jù)生產(chǎn)方自行擬定，主要從施工圖設計角度出發(fā)，用于與工程量等3級清單實現(xiàn)對應，與建設管理中的計量、質(zhì)檢和管理臺賬等單元拆分方式有所區(qū)別．空間編碼只能實現(xiàn)部分層次的分解，且模型空間劃分與分類編碼存在部分程度重疊及信息冗余．順序碼對模型空間位置的描述也不夠全面，對于建設全過程信息化結(jié)合及大數(shù)據(jù)利用的程度有限.

圖1 模型標識碼典型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical structure of model identification code.

1. 2. 3 工程項目分解結(jié)構(gòu)（work breakdown struc?ture，WBS）編碼

WBS分解方式側(cè)重于項目實施階段，對信息模型參照公路工程行業(yè)中關(guān)于單位、分部及分項工程的標準進行拆分，可以實現(xiàn)較高的拆分精度，并自動創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)樹，與項目建設進度、成本計劃等進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對項目建設過程的信息管理．公路工程結(jié)構(gòu)劃分編碼包含單位工程、分部工程、分項工程及其子項等多個層級，每個層級內(nèi)部對名稱及序號單獨編號．WBS拆分編碼結(jié)構(gòu)如圖2．表2列出了部分路基工程及橋梁工程結(jié)構(gòu)劃分編碼樣例.

圖2 WBS拆分編碼結(jié)構(gòu)Fig. 2 Coding structure of WBS splitting.

WBS分解方式將項目工作內(nèi)容按目標導向進行層次分明的劃分，便于每個工作單元單位更小、內(nèi)容更精確．但由于項目建設和管理過程中不同參與方對項目工作的分解方式不同，對項目的關(guān)注重點和關(guān)注維度也不同．按照施工管理需求拆分可能會存在過于細致或容易漏項等問題，且與現(xiàn)行的分類編碼體系相互獨立，難以滿足項目各階段不同維度的管理需求.

表2 橋梁工程結(jié)構(gòu)劃分編碼（部分） Table 3 Structure division and coding of bridge engineering (part)

項目投資建設方一方面需要進行準確的成本估算和成本控制，另一方面需要將建設過程與投資管理進行數(shù)字化關(guān)聯(lián)，通過信息及管理過程的拆分，實現(xiàn)投資的精確管控．文獻[7]基于現(xiàn)有的標準分類系統(tǒng)（如MasterFormat、 UniFormat和UniClass），制定了標準單價信息的詳細估算過程和方法，在滿足施工信息可重用性需求的同時，提高施工項目成本管理效率．通過結(jié)合BIM建立數(shù)據(jù)庫，使項目管理中成本與分解結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可最大限度地減少項目變更和預算遺漏，并提高項目成本估算和風險應對的準確性^[11-12].

在項目建設全過程信息模型管理中需要構(gòu)建統(tǒng)一的編碼體系，通過模型標識編碼使BIM模型成為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)集進度、質(zhì)量和安全于一體的施工全過程信息模型管理^[13-14]．將項目進度、質(zhì)量和投資等信息與信息模型進行關(guān)聯(lián)，在三維空間尺度上實施展示、統(tǒng)計和分析．建設管理方需要通過空間編碼對模型構(gòu)件進行定位，如具體某個單項工程或者工點的建設情況．工點的劃分需要適當?shù)暮暧^管理維度，并應盡量減少與分類編碼的信息冗余，便于快速提取管理方需要的項目信息^[15].

計量支付是建設信息化管理中的重要環(huán)節(jié)，是控制高速公路投入支出的關(guān)鍵，也是確保信息化管理系統(tǒng)有效實施、確保公路工程項目質(zhì)量安全的有效控制和管理手段．要將計量支付與BIM模型關(guān)聯(lián)實現(xiàn)信息化管理，需要施工實施單位預先根據(jù)施工圖設計文件建立0^#臺賬，為計量提供數(shù)據(jù)支撐^[16]．臺賬編制將具體分部分項、樁號部位的工程數(shù)量、單價和金額等進行拆分（表3），并與工程量清單細目相對應，編制相應的條目編碼，再根據(jù)具體條目的完成情況進行計量申請及審批.

基于信息模型的資產(chǎn)信息管理流程已在全球范圍內(nèi)達成共識，但對于項目建設全生命周期來說，設施和資產(chǎn)集成仍然存在問題，主要是由于BIM標準的缺失及不準確的信息交換^[17]．建筑信息模型的應用可有效改善傳統(tǒng)資產(chǎn)管理基于文檔的、分散的、不可訪問的和非結(jié)構(gòu)化的信息管理方式，通過將項目設計和施工信息形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)移到資產(chǎn)信息模型中，能實現(xiàn)資產(chǎn)的持續(xù)管理，尤其是歷史信息的回溯^[18].

將公路工程龐大的工程檔案進行信息化管理后，可以將傳統(tǒng)的紙質(zhì)文檔轉(zhuǎn)換為計算機可識別的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并利用云存儲、計算機檢索等技術(shù)實現(xiàn)檔案的高效利用．傳統(tǒng)的檔案管理采用專用檔案編碼，在項目勘察設計、建設和運營過程中分階段使用，各階段與同一階段管理中的各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)缺乏有效關(guān)聯(lián)．而通過建立公路工程信息模型唯一標識編碼并與檔案關(guān)聯(lián)，可在項目模型、建設數(shù)據(jù)和檔案之間有效打通．因此對公路工程信息模型進行編碼還需滿足項目不同階段、不同專業(yè)、不同類型檔案的分類管理需求，并記錄每一次關(guān)鍵過程的歷史資料以便用于回溯.

表3 高速公路0#臺賬示例Table 3 Example of Expressway 0#account

對公路工程設計、建設和管養(yǎng)等全過程數(shù)據(jù)進行集成分析、加工和利用，是數(shù)據(jù)管理價值的重要體現(xiàn)^[19]．有必要將項目全過程產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)按自定義條件進行多維度動態(tài)統(tǒng)計分析，并與信息模型結(jié)合進行可視化輸出和有效管理．因此，對公路工程信息模型進行編碼需滿足不同數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計需求，按模型構(gòu)件設置多層級的分類編碼，便于計算機對數(shù)據(jù)進行快速提取及統(tǒng)計.

標識碼作為以計算機使用為主的一種中間數(shù)據(jù)，應便于計算機軟件快速生產(chǎn)，避免因人工編碼錄入而導致工作量加大、容易產(chǎn)生錯誤等問題．同時作為與信息模型關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，應結(jié)合模型的生產(chǎn)方式，盡量在建模過程中進行融入．其中，針對構(gòu)件識別的編碼應在標準件及構(gòu)件庫中內(nèi)置；針對項目空間位置的編碼應盡可能便于計算機識別和自動生成，以提高標識碼生成和利用的效率.

目前，中國針對公路工程信息劃分的基礎是公路建設項目及其劃分，如單項工程、單位工程、分部工程和分項工程等，主要參照《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》^[20]中關(guān)于單位、分部及分項工程的劃分原則進行．在建設項目管理中將模型構(gòu)件標識碼與具體分部分項工程進行匹配，實現(xiàn)信息模型與管理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián).

公路工程信息模型編碼的標準化是一個系統(tǒng)，除了標準框架、分類編碼和基本原則外，還應包括具體編碼方法和方案的標準化．中國現(xiàn)有公路工程信息模型分類和編碼標準只解決了分類問題的標準化，但沒有解決唯一標識問題．《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》^[12]中對單位、分部及分項工程也只給定了基本框架，不同的施工、質(zhì)檢單位和標段在實際劃分時千差萬別，無法形成標準化，編碼和數(shù)據(jù)更新處理花費大量人工，也給模型信息和管理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)造成了障礙.

與此同時，公路工程作為量大面廣的線性工程，包含大量的高填深挖路段和分離式路基等，設計和建設時需要因地制宜分段實施，以樁號為基礎進行多層次的拆分，并在實際施工過程中根據(jù)地形地質(zhì)情況進行動態(tài)調(diào)整^[21]．因此，公路工程信息模型標識碼應能適應公路工程不同分項及子項的分段要求，并與項目WBS及計量管理需求相匹配，才能實現(xiàn)模型信息與管理數(shù)據(jù)的映射.

本課題組提出一種“項目碼+工點碼+構(gòu)件碼+位置碼+版本碼”的公路工程信息模型構(gòu)件唯一標識編碼，在ISO 12006-2分類編碼體系中進行擴展（表4）．通過標識編碼將BIM構(gòu)件與項目建設、運營管理數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，能與設計單元、工程量清單和計量單元實現(xiàn)良好的映射關(guān)系，實現(xiàn)三維空間模型數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理及數(shù)據(jù)的集成、共享及大數(shù)據(jù)應用.

圖3 模型標識編碼分解思路Fig．3 Decomposition of model identification code.

表4 模型構(gòu)件標識碼組成Table 4 Composition of model identification code

除了常規(guī)的針對某種分解方式的編碼表進行擴展外，還可以根據(jù)實際需求對編碼結(jié)構(gòu)進行擴展，對“五段位”編碼結(jié)構(gòu)進行拆分及重組．如針對構(gòu)造物級別或者工點進行信息關(guān)聯(lián)及管理時，可以采用“項目碼”+“工點碼”+“版本碼”進行橋梁、隧道和涵洞等構(gòu)造物進行管理，實現(xiàn)構(gòu)造物和構(gòu)件的多層級信息關(guān)聯(lián)．在管理使用時，還可以和信息分類標準中的建設階段、組織角色等進行組合應用.

產(chǎn)生標識碼的傳統(tǒng)方式是借助信息化的手段進行批量和快速編碼．將構(gòu)件分類碼內(nèi)置于“族庫”或者構(gòu)件庫中，開發(fā)編碼工具實現(xiàn)工點碼和位置碼的批量編碼．但這種方式仍需要大量的人工介入，且模型更新后需要重構(gòu)編碼．理想的編碼方式應從信息模型的設計源頭出發(fā)，將編碼標準融入到設計軟件中，依托設計過程中豐富的構(gòu)件資源庫以及原始信息，實現(xiàn)整個項目信息模型的自動化編碼，在設計軟件中對模型進行自動編碼并關(guān)聯(lián)，在施工階段根據(jù)需求進一步拆分并完善相關(guān)信息，為后續(xù)各階段的應用提供依據(jù).

基于本研究提出的標識碼編碼結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)有的行業(yè)和地方編碼標準，已初步在橋梁、隧道等三維設計軟件中植入編碼規(guī)則和標準，并在廣西象州至來賓高速公路建設項目中進行了應用，達成的預期包括：

1）打通了從設計到施工的信息模型數(shù)據(jù)，為融合提供了基礎．針對橋梁和隧道等構(gòu)造物，完成三維數(shù)字化設計后，能輸出構(gòu)件三維模型及關(guān)聯(lián)的屬性信息和編碼（設計輸出的隧道模型及編碼請掃描文末右下角二維碼見圖S1），并針對構(gòu)造物輸出對應的屬性信息文件，實現(xiàn)多層級信息的輸出.

2）為基于BIM的項目建設管理應用提供了基礎．基于設計傳遞的信息模型及編碼，能實現(xiàn)勘察資料和設計圖紙的關(guān)聯(lián)．以拆分后的模型及標識碼作為主數(shù)據(jù)，進一步實現(xiàn)了建設管理的進度、計量、質(zhì)量和安全等信息的關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)集成（基于模型標識編碼建設管理的應用請掃描文末右下角二維碼見圖S2）．通過BIM的可視化及豐富信息，可幫助管理者快速了解施工現(xiàn)場情況.

3）為后期養(yǎng)護運營提供數(shù)據(jù)基礎．通過以信息模型作為數(shù)據(jù)底盤，匯集勘察設計、建設管理過程中的各類數(shù)據(jù)，形成三維數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進一步為后期養(yǎng)護和運營提供基礎資料.