公路工程信息模型標(biāo)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(shí)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(jī)開發(fā)相應(yīng)的分類工具，用于在全生命周期中已標(biāo)準(zhǔn)化格式傳達(dá)及呈現(xiàn)建筑信息^[4]．而使用信息分類體系對項(xiàng)目進(jìn)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(jìn)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(xiàn)[6]分析了國內(nèi)外信息分類標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)，提出了便于生命周期信息交換的可擴(kuò)展的概念框架，用于定義、管理和集成項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)，都是基于ISO 12006-2框架，為適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展要求而提出的，在工程建設(shè)行業(yè)的材料供應(yīng)商和工程經(jīng)濟(jì)等行業(yè)有較廣泛的應(yīng)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(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（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(jìn)行了編碼^[7-8]，但沒有對具體模型標(biāo)識進(jìn)行編碼，無法與工程構(gòu)件對象及相應(yīng)的屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，沒有被推廣應(yīng)用^[9]．現(xiàn)有的模型標(biāo)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(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南（1. 0版）》^[10]為基礎(chǔ)，采用人工手動編碼或者計算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)相對獨(dú)立、編碼擴(kuò)展及組合應(yīng)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(diǎn)結(jié)合IFD標(biāo)準(zhǔn)建立一套公路工程信息模型標(biāo)識編碼.

當(dāng) 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(yīng)用和推廣，對公路建設(shè)項(xiàng)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(xiàng)目建設(shè)過程進(jìn)行管理，在BIM模型構(gòu)件中建立唯一的標(biāo)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(jìn)行傳遞．目前應(yīng)用的模型標(biāo)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(jìn)行分解的，采用多級別的層次碼進(jìn)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(yīng)用較廣泛的是中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南（1. 0版）》^[10]（簡稱鐵路EBS標(biāo)準(zhǔn)），主要為適應(yīng)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(shí)體結(jié)構(gòu)編碼主要包括工點(diǎn)編碼和EBS編碼規(guī)則．其中，工點(diǎn)編碼結(jié)構(gòu)為項(xiàng)目編碼（6位）+工點(diǎn)類型碼（2位）+工點(diǎn)順序號（4位），工點(diǎn)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(shí)體構(gòu)件所在的空間位置．EBS編碼主要用于描述實(shí)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(shí)際分解操作時，需要施工單位人員根據(jù)實(shí)際情況選擇EBS模板進(jìn)行補(bǔ)充完善，并與合同清單條目相對應(yīng)．EBS模板與清單存在差異時，要進(jìn)行拆分或合并，將其納入EBS模板對應(yīng)條目．EBS分解是隨著工程各階段的進(jìn)行而呈動態(tài)變化的．EBS編碼應(yīng)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(diǎn)和項(xiàng)目劃分存在差異，現(xiàn)有的鐵路EBS編碼將位置碼、設(shè)施碼和構(gòu)件碼混編，難以適應(yīng)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(yīng)關(guān)系．如針對道路工程各分項(xiàng)的具體分段方式根據(jù)實(shí)際情況劃分各不相同，無法按EBS工點(diǎn)劃分形成統(tǒng)一的分段，與項(xiàng)目建設(shè)管理過程中各分項(xiàng)的工程量及費(fèi)用元素?zé)o法形成對應(yīng).

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(jìn)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(shí)現(xiàn)對模型構(gòu)件定位和分類的綜合描述，并通過設(shè)置順序碼對統(tǒng)一空間代碼下多個構(gòu)件實(shí)例進(jìn)行唯一標(biāo)識．其中，空間編碼分為4個層級，分別為項(xiàng)目代碼、標(biāo)段代碼、整體空間代碼和局部空間代碼．模型標(biāo)識碼典型結(jié)構(gòu)如圖1.

此類編碼體系可以實(shí)現(xiàn)對模型空間位置和分類編碼的綜合描述，不僅實(shí)現(xiàn)了模型構(gòu)件唯一標(biāo)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(shè)計角度出發(fā)，用于與工程量等3級清單實(shí)現(xiàn)對應(yīng)，與建設(shè)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(shí)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(shè)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(biāo)識碼典型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical structure of model identification code.

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

WBS分解方式側(cè)重于項(xiàng)目實(shí)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(xiàng)工程的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拆分，可以實(shí)現(xiàn)較高的拆分精度，并自動創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)樹，與項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度、成本計劃等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目建設(shè)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(xiàng)工程及其子項(xiàng)等多個層級，每個層級內(nèi)部對名稱及序號單獨(dú)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(xiàng)目工作內(nèi)容按目標(biāo)導(dǎo)向進(jìn)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(xiàng)目建設(shè)和管理過程中不同參與方對項(xiàng)目工作的分解方式不同，對項(xiàng)目的關(guān)注重點(diǎn)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(xì)致或容易漏項(xiàng)等問題，且與現(xiàn)行的分類編碼體系相互獨(dú)立，難以滿足項(xiàng)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(xiàng)目投資建設(shè)方一方面需要進(jìn)行準(zhǔn)確的成本估算和成本控制，另一方面需要將建設(shè)過程與投資管理進(jìn)行數(shù)字化關(guān)聯(lián)，通過信息及管理過程的拆分，實(shí)現(xiàn)投資的精確管控．文獻(xiàn)[7]基于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)分類系統(tǒng)（如MasterFormat、 UniFormat和UniClass），制定了標(biāo)準(zhǔn)單價信息的詳細(xì)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(xiàng)目成本管理效率．通過結(jié)合BIM建立數(shù)據(jù)庫，使項(xiàng)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(xiàng)目變更和預(yù)算遺漏，并提高項(xiàng)目成本估算和風(fēng)險應(yīng)對的準(zhǔn)確性^[11-12].

在項(xiàng)目建設(shè)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(biāo)識編碼使BIM模型成為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)集進(jìn)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(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量和投資等信息與信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在三維空間尺度上實(shí)施展示、統(tǒng)計和分析．建設(shè)管理方需要通過空間編碼對模型構(gòu)件進(jìn)行定位，如具體某個單項(xiàng)工程或者工點(diǎn)的建設(shè)情況．工點(diǎn)的劃分需要適當(dāng)?shù)暮暧^管理維度，并應(yīng)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(xiàng)目信息^[15].

計量支付是建設(shè)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(shí)施、確保公路工程項(xiàng)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(shí)現(xiàn)信息化管理，需要施工實(shí)施單位預(yù)先根據(jù)施工圖設(shè)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(xiàng)、樁號部位的工程數(shù)量、單價和金額等進(jìn)行拆分（表3），并與工程量清單細(xì)目相對應(yīng)，編制相應(yīng)的條目編碼，再根據(jù)具體條目的完成情況進(jìn)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(dá)成共識，但對于項(xiàng)目建設(shè)全生命周期來說，設(shè)施和資產(chǎn)集成仍然存在問題，主要是由于BIM標(biāo)準(zhǔn)的缺失及不準(zhǔn)確的信息交換^[17]．建筑信息模型的應(yīng)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(xiàng)目設(shè)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(shí)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(jìn)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(jī)可識別的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并利用云存儲、計算機(jī)檢索等技術(shù)實(shí)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(xiàng)目勘察設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)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(biāo)識編碼并與檔案關(guān)聯(lián)，可在項(xiàng)目模型、建設(shè)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(jìn)行編碼還需滿足項(xiàng)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(shè)計、建設(shè)和管養(yǎng)等全過程數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)目全過程產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)按自定義條件進(jìn)行多維度動態(tài)統(tǒng)計分析，并與信息模型結(jié)合進(jìn)行可視化輸出和有效管理．因此，對公路工程信息模型進(jìn)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(shè)置多層級的分類編碼，便于計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速提取及統(tǒng)計.

標(biāo)識碼作為以計算機(jī)使用為主的一種中間數(shù)據(jù)，應(yīng)便于計算機(jī)軟件快速生產(chǎn)，避免因人工編碼錄入而導(dǎo)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(yīng)結(jié)合模型的生產(chǎn)方式，盡量在建模過程中進(jìn)行融入．其中，針對構(gòu)件識別的編碼應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)件及構(gòu)件庫中內(nèi)置；針對項(xiàng)目空間位置的編碼應(yīng)盡可能便于計算機(jī)識別和自動生成，以提高標(biāo)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(chǔ)是公路建設(shè)項(xiàng)目及其劃分，如單項(xiàng)工程、單位工程、分部工程和分項(xiàng)工程等，主要參照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》^[20]中關(guān)于單位、分部及分項(xiàng)工程的劃分原則進(jìn)行．在建設(shè)項(xiàng)目管理中將模型構(gòu)件標(biāo)識碼與具體分部分項(xiàng)工程進(jìn)行匹配，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)化是一個系統(tǒng)，除了標(biāo)準(zhǔn)框架、分類編碼和基本原則外，還應(yīng)包括具體編碼方法和方案的標(biāo)準(zhǔn)化．中國現(xiàn)有公路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)只解決了分類問題的標(biāo)準(zhǔn)化，但沒有解決唯一標(biāo)識問題．《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》^[12]中對單位、分部及分項(xiàng)工程也只給定了基本框架，不同的施工、質(zhì)檢單位和標(biāo)段在實(shí)際劃分時千差萬別，無法形成標(biāo)準(zhǔn)化，編碼和數(shù)據(jù)更新處理花費(fèi)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(shè)計和建設(shè)時需要因地制宜分段實(shí)施，以樁號為基礎(chǔ)進(jìn)行多層次的拆分，并在實(shí)際施工過程中根據(jù)地形地質(zhì)情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整^[21]．因此，公路工程信息模型標(biāo)識碼應(yīng)能適應(yīng)公路工程不同分項(xiàng)及子項(xiàng)的分段要求，并與項(xiàng)目WBS及計量管理需求相匹配，才能實(shí)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(xiàng)目碼+工點(diǎn)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(biāo)識編碼，在ISO 12006-2分類編碼體系中進(jìn)行擴(kuò)展（表4）．通過標(biāo)識編碼將BIM構(gòu)件與項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營管理數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，能與設(shè)計單元、工程量清單和計量單元實(shí)現(xiàn)良好的映射關(guān)系，實(shí)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(yīng)用.

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

表4 模型構(gòu)件標(biāo)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(jìn)行擴(kuò)展外，還可以根據(jù)實(shí)際需求對編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，對“五段位”編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分及重組．如針對構(gòu)造物級別或者工點(diǎn)進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)及管理時，可以采用“項(xiàng)目碼”+“工點(diǎn)碼”+“版本碼”進(jìn)行橋梁、隧道和涵洞等構(gòu)造物進(jìn)行管理，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)中的建設(shè)階段、組織角色等進(jìn)行組合應(yīng)用.

產(chǎn)生標(biāo)識碼的傳統(tǒng)方式是借助信息化的手段進(jìn)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(shí)現(xiàn)工點(diǎn)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(yīng)從信息模型的設(shè)計源頭出發(fā)，將編碼標(biāo)準(zhǔn)融入到設(shè)計軟件中，依托設(shè)計過程中豐富的構(gòu)件資源庫以及原始信息，實(shí)現(xiàn)整個項(xiàng)目信息模型的自動化編碼，在設(shè)計軟件中對模型進(jìn)行自動編碼并關(guān)聯(lián)，在施工階段根據(jù)需求進(jìn)一步拆分并完善相關(guān)信息，為后續(xù)各階段的應(yīng)用提供依據(jù).

基于本研究提出的標(biāo)識碼編碼結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)有的行業(yè)和地方編碼標(biāo)準(zhǔn)，已初步在橋梁、隧道等三維設(shè)計軟件中植入編碼規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，并在廣西象州至來賓高速公路建設(shè)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，達(dá)成的預(yù)期包括：

1）打通了從設(shè)計到施工的信息模型數(shù)據(jù)，為融合提供了基礎(chǔ)．針對橋梁和隧道等構(gòu)造物，完成三維數(shù)字化設(shè)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(shè)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(yīng)的屬性信息文件，實(shí)現(xiàn)多層級信息的輸出.

2）為基于BIM的項(xiàng)目建設(shè)管理應(yīng)用提供了基礎(chǔ)．基于設(shè)計傳遞的信息模型及編碼，能實(shí)現(xiàn)勘察資料和設(shè)計圖紙的關(guān)聯(lián)．以拆分后的模型及標(biāo)識碼作為主數(shù)據(jù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了建設(shè)管理的進(jìn)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(biāo)識編碼建設(shè)管理的應(yīng)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(hù)運(yùn)營提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．通過以信息模型作為數(shù)據(jù)底盤，匯集勘察設(shè)計、建設(shè)管理過程中的各類數(shù)據(jù)，形成三維數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進(jìn)一步為后期養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營提供基礎(chǔ)資料.