■ 劉厚強(qiáng) 徐駿 李安洪

基于BIM技術(shù)的三維鐵路路基信息模型分析

■ 劉厚強(qiáng) 徐駿 李安洪

論述建立鐵路路基信息模型必要性。對(duì)資源層、核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)?、路基三維模型信息交付標(biāo)準(zhǔn)和鐵路路基字典框架進(jìn)行定義和分析，提出基于IFC的路基建模平臺(tái)架構(gòu)和路基BIM三維信息模型應(yīng)具備的功能，并針對(duì)模型應(yīng)用進(jìn)行闡述和分析。實(shí)現(xiàn)模型集成和展示平臺(tái)，是路基工程提高工作效率與質(zhì)量的根本保障。

BIM；三維信息模型；鐵路路基；IFC

1 概述

1.1 背景

隨著信息技術(shù)的不斷深入發(fā)展，“大數(shù)據(jù)”浪潮正以浩浩蕩蕩、銳不可當(dāng)之勢(shì)向襲來，更加規(guī)范、直觀、高效的三維鐵路工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)隨之而起。基于BIM技術(shù)的三維信息模型充分利用了“大數(shù)據(jù)”的信息技術(shù)成果，以公共、標(biāo)準(zhǔn)化的模型為基礎(chǔ)，將工程建設(shè)中的業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工和用戶緊密聯(lián)系在一起，基本實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的信息共享互用。

信息時(shí)代解決信息交換與共享問題要制定標(biāo)準(zhǔn)，研究BIM的building SMART聯(lián)盟制定和維護(hù)的Industry Foundation Classes（IFC）是中性公開標(biāo)準(zhǔn)，是目前建筑行業(yè)廣泛認(rèn)可的國(guó)際性公共產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型格式標(biāo)準(zhǔn)?；贗FC的IFCXML是利用XML語法表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的公用格式，XML是在Internet環(huán)境中跨平臺(tái)和依賴內(nèi)容的技術(shù)，是當(dāng)前處理結(jié)構(gòu)化文檔信息的有力工具。IFC定義了模型中實(shí)體生命周期內(nèi)所有階段的信息如何檢索、如何存儲(chǔ)，可以容納幾何、計(jì)算、數(shù)量、設(shè)施管理、造價(jià)等信息。IFC的總體框架采用分層和模塊化，分為四個(gè)層次，從下至上為資源層、核心層、共享層（協(xié)作層）、領(lǐng)域?qū)?，每個(gè)層次包含若干模塊，每個(gè)模塊含有很多信息；其規(guī)則是上層調(diào)用下層，下層不能調(diào)用上層。信息模型建立后，通過模型的信息交付手冊(cè)進(jìn)行信息交換，通過路基字典對(duì)獲得的信息進(jìn)行校核，以便在全生命周期中開展任何子項(xiàng)目的工作。

1.2 必要性

鐵路建設(shè)具有場(chǎng)地廣大、專業(yè)眾多、施工組織復(fù)雜、運(yùn)營(yíng)維護(hù)不便等特點(diǎn)。常規(guī)的二維表達(dá)是通過層層規(guī)定對(duì)行業(yè)的簡(jiǎn)化描述。目前信息技術(shù)高速發(fā)展，日新月異，在鐵路行業(yè)的全生命周期內(nèi)建立基于BIM技術(shù)的信息模型，可提高各個(gè)環(huán)節(jié)的信息共享互用，減少不必要的信息重復(fù)輸入和轉(zhuǎn)換，提高鐵路行業(yè)的工作效益和質(zhì)量。

在鐵路行業(yè)推廣BIM技術(shù)，建立三維信息模型是關(guān)鍵。鐵路路基是鐵路項(xiàng)目中的一個(gè)子項(xiàng)目，建立三維路基信息模型可直觀反映業(yè)主的建設(shè)意圖、形象表達(dá)設(shè)計(jì)思想、方便施工組織和運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

目前，三維設(shè)計(jì)、虛擬施工、仿真運(yùn)營(yíng)早已展開，各種三維翻模公司及團(tuán)體如火如荼，大型軟件公司也推出了各自的系列軟件。有的軟件建模方便靈活，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車制造等行業(yè)；有的軟件向建筑行業(yè)進(jìn)行延伸；有的軟件很好地解決了BIM建模；有的軟件在AuotCAD基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，增加了一些功能；有的軟件只面向機(jī)械行業(yè)；有的軟件用于建筑及基礎(chǔ)圖形環(huán)境，面向建筑設(shè)計(jì)。這些軟件存在沒有道路里程等概念、不適用于鐵路路基建模、路基支擋防護(hù)實(shí)體較弱和實(shí)體信息添加不便，以及不適于道路建模等缺點(diǎn)。

目前，各個(gè)公司及團(tuán)體的數(shù)據(jù)自成體系，兼容性不強(qiáng)，三維實(shí)體的內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系及外部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的定義不統(tǒng)一，不能相互轉(zhuǎn)換，致使各階段的相同實(shí)體需要根據(jù)不同階段重復(fù)建立模型，增加的工作量巨大，不可避免地出現(xiàn)“差、錯(cuò)、漏、碰”。因此，必須建立鐵路路基信息模型。

2 路基信息模型

對(duì)路基信息模型實(shí)體定義時(shí)，應(yīng)梳理路基實(shí)體的相互關(guān)系，應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)方法，結(jié)合IFC模型的四個(gè)層次進(jìn)行劃分。每個(gè)層次包含相關(guān)信息的描述模塊，模塊間遵守 “重力原則”：每個(gè)層次只能引用同層次和下層的信息資源，不能引用上層資源。當(dāng)上層資源變動(dòng)時(shí)，下層資源不受影響，保證信息描述的穩(wěn)定。當(dāng)前鐵路路基設(shè)計(jì)中使用的路基諸表，可基本反映路基的信息模型，以各表所列實(shí)體的基礎(chǔ)屬性構(gòu)建路基信息模型中的資源層，以各表所列的實(shí)體作為構(gòu)建模型中的核心層，以各表單項(xiàng)工程名稱構(gòu)建模型中的共享層，以各表名稱構(gòu)建模型中的領(lǐng)域?qū)?，使信息模型既符合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)真實(shí)情況，便于工程傳統(tǒng)思維理解，又便于模型的推廣應(yīng)用。

2.1 資源層

資源層的類（信息集合單元）可被IFC 模型任意一層定義的類引用，其與核心層一起在實(shí)體級(jí)水平上構(gòu)成信息模型基礎(chǔ)，是通用的資源，是作為定義高級(jí)層里的實(shí)體屬性，是獨(dú)立于具體實(shí)體的通用信息，包括一些項(xiàng)目管理使用的概念類、度量類、材料類，規(guī)定了產(chǎn)品的幾何形狀和拓?fù)涿枋鲑Y源，定義了對(duì)象和關(guān)系的各種各樣特性。

在IFC2x3Final的大綱中，平臺(tái)類有日期時(shí)間資源、材料資源、拓?fù)滟Y源、工具資源等14類。非平臺(tái)類有材料屬性資源、標(biāo)注資源、結(jié)構(gòu)荷載資源等12類。對(duì)路基信息模型，材料類有土石方類、混凝土類、鋼筋類等；計(jì)量單位類有長(zhǎng)度類、面積類、體積類等；外觀定義類有矩形、梯形、梅花形等；侵蝕性等級(jí)類有T2、T3、H1、H2、H3等。這些基本概念類的信息供核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)诱{(diào)用，是路基實(shí)體的屬性體現(xiàn)。

2.2 核心層

核心層由核心和核心擴(kuò)展兩部分組成。核心部分提供信息模型要求的所有基本概念， 核心擴(kuò)展部分是為行業(yè)領(lǐng)域在核心部分定義的類的特例。例如在產(chǎn)品類中，定義了元素、空間、場(chǎng)地等概念；在過程類中，為掌握有關(guān)生產(chǎn)產(chǎn)品的工作信息，盡可能定義工作任務(wù)和資源；在文檔類中，對(duì)行業(yè)中使用的典型文件類型信息類內(nèi)容詳細(xì)說明（例如造價(jià)表），可引用資源層定義的類，也可被共享層和領(lǐng)域?qū)永锏念愐谩?/p>

在路基信息模型中，核心層適用于定義路基專業(yè)的基本實(shí)體，例如樁身、錨索、錨具、墊板、骨架等；也定義了填方、挖方、挖基、路塹、路堤、基床、路肩等路基信息模型中的基本概念。在這些基本概念類中，將資源層定義的類作為數(shù)據(jù)成員，形成路基基本實(shí)體，例如一個(gè)填方實(shí)體，帶上資源層定義的特有屬性后，變?yōu)樘钇胀ㄍ?、填軟石、填次?jiān)石、填滲水土、填級(jí)配碎石等；挖方實(shí)體帶上資源層定義的特有屬性后，可組合為挖土、挖石，也可帶上另一種屬性后組合為挖基土、挖基石等；對(duì)路基土石方工程，運(yùn)輸距離可作為在資源層定義的單獨(dú)屬性類，引用在本層定義的填方、挖方的基本實(shí)體中。

在類定義中，應(yīng)確定該層資源的合理選擇范圍，一般情況下以鐵路路基設(shè)計(jì)中的路基諸表表頭所列內(nèi)容為基礎(chǔ)，將諸表中的各類路基工程分解為最小的實(shí)體單元，在EBS（Engineering Breakdown Structure）分解中對(duì)應(yīng)路基工程實(shí)體的分類編碼。

2.3 共享層

共享層是定義路基的通用實(shí)體類，是路基專業(yè)信息模型互用共享的基本單元。通用實(shí)體的組成部分在資源層和核心層已有詳細(xì)定義，共享層是將這些資源組合起來，形成單項(xiàng)完整的路基工程項(xiàng)目，以便在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各階段進(jìn)行信息建立與交換。

在路基信息模型中，包含了各類擋土墻、框架護(hù)坡等。以路肩擋土墻為例，在核心層定義了重力式路肩墻墻身、衡重式路肩墻墻身，也定義了反濾層、挖基、伸縮縫、泄水孔等；在資源層定義了材料類型（片石混凝土類型、混凝土類型）、單位（墻身圬工用體積類單位、伸縮縫用面積類單位）等。共享層除引用上述已定義的類外，還要增添實(shí)體的起止里程、左右側(cè)、基地及墻背的物理力學(xué)參數(shù)等屬性，形成完整的單項(xiàng)工程項(xiàng)目。共享層還包含抗滑樁、骨架護(hù)坡、錨桿框架、側(cè)溝等等。其資源的劃分一般下以鐵路路基設(shè)計(jì)中路基諸表的內(nèi)容為基礎(chǔ)，詳細(xì)描述該單項(xiàng)工程實(shí)體的具體屬性，例如側(cè)溝應(yīng)包含側(cè)溝項(xiàng)目的各個(gè)完整子項(xiàng)目（溝身圬工、泄水孔、挖基、回填等）。

2.4 領(lǐng)域?qū)?/p>

領(lǐng)域?qū)佣x行業(yè)的一些專有概念和復(fù)合實(shí)體，是模型中最高層次，可引用共享層、核心層、資源層定義的類的對(duì)象，不能被其他層的對(duì)象引用。

在路基信息模型中，領(lǐng)域?qū)哟味x了各種路基特有的概念和信息實(shí)體，包括地基處理、支擋工程、土石方工程、防護(hù)工程、排水工程等，可以是多個(gè)單項(xiàng)路基工程的集合，例如深路塹工點(diǎn)可能包括一個(gè)或多個(gè)樁間擋土墻實(shí)體，一個(gè)或多個(gè)（也可沒有）擋土墻或護(hù)坡工程。對(duì)路基工點(diǎn)正面圖、橫斷面設(shè)計(jì)圖、過渡段、取土場(chǎng)、棄土堆、排水系統(tǒng)圖，采用地圖這樣的路基復(fù)合信息實(shí)體，可在領(lǐng)域?qū)訂为?dú)建立對(duì)象類，方便二維出圖向三維模型交付過渡。

2.5 路基三維模型信息交付標(biāo)準(zhǔn)

路基數(shù)據(jù)模型建立后，運(yùn)用模型展開與路基相關(guān)的工作，需要確定信息交換的流程，以及流程的功能和執(zhí)行這些流程的結(jié)果，每個(gè)信息交付過程需要單獨(dú)定義。例如，施工時(shí)需要獲得擋土墻墻身材料、墻背材料的物理力學(xué)參數(shù)要求等；運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)外部條件發(fā)生變化，對(duì)擋土墻的抗滑和穩(wěn)定分析需要的信息接口。

構(gòu)建模型的目的是便于存儲(chǔ)和檢索、方便信息共享互用。因此，在建立模型前，應(yīng)詳細(xì)梳理實(shí)體在全生命周期中的信息使用流程，在信息模型中留有盡可能完整的信息存儲(chǔ)空間。

2.6 鐵路路基字典框架

信息模型中應(yīng)將路基各種實(shí)體概念與其名稱和描述分開，每個(gè)實(shí)體對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，在各交付過程中定制特定環(huán)境下的實(shí)體名稱及描述，保證在項(xiàng)目全生命周期內(nèi)，每個(gè)人通過信息交換得到的信息與其想要得到的信息一致。

3 基于IFC的路基建模平臺(tái)架構(gòu)

路基BIM三維信息模型是面向鐵路路基全生命周期的完整工程信息集，包含各實(shí)體的幾何及非幾何屬性。隨著路基工程的進(jìn)展與擴(kuò)展，數(shù)據(jù)不斷集成，需要一個(gè)路基BIM信息集成展示平臺(tái)。平臺(tái)應(yīng)具備路基實(shí)體信息（三維幾何數(shù)據(jù)、完整的工程信息描述數(shù)據(jù)、施工信息數(shù)據(jù)、工程安全性能維護(hù)數(shù)據(jù)、路基實(shí)體間的工程邏輯關(guān)系數(shù)據(jù)等）保存、跟蹤和擴(kuò)充功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的讀取、保存、修改、合并、刪除和三維實(shí)體顯示，并支持基于路基BIM技術(shù)的各種軟件（穩(wěn)定分析、沉降分析、流域流量分析等）的接口，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期各階段的信息交換和共享。平臺(tái)的基本構(gòu)架見圖1。

4 模型應(yīng)用分析

基于BIM技術(shù)的路基信息模型建成后，設(shè)計(jì)期間通過對(duì)三維實(shí)體全方位的空間觀察，可更加合理確定設(shè)計(jì)方案，方便核查專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)措施的碰撞情況，直觀反映業(yè)主的建設(shè)意圖，大大提高設(shè)計(jì)文件質(zhì)量；施工期間根據(jù)模型共享實(shí)體信息，可反復(fù)虛擬施工過程，優(yōu)化施工組織，減少施工干擾，合理確定施工階段人員安排及材料準(zhǔn)備，最大限度地減少施工成本，提高施工效率；運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間可即時(shí)查詢實(shí)體信息，分析環(huán)境變化后的穩(wěn)定及安全狀況。

5 結(jié)束語

全面分析鐵路路基的工作流程及工作內(nèi)容，合理劃分基于BIM技術(shù)的路基資源層次，是建立三維鐵路路基信息模型的成敗關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)模型集成和展示平臺(tái)，是鐵路路基運(yùn)用BIM技術(shù)的標(biāo)志，是路

圖1 平臺(tái)的基本構(gòu)架

基工程中提高工作效率與質(zhì)量的根本保障。基于BIM技術(shù)的路基三維模型是貫穿路基項(xiàng)目的全生命周期的模型，對(duì)模型的需求是形式多變的、內(nèi)容豐富的，時(shí)間跨度很大。因此，應(yīng)立足于模型平臺(tái)的自主開發(fā)，如果不能自主開發(fā)，應(yīng)保證在建模平臺(tái)下，增加基于IFC或IFCXML的標(biāo)準(zhǔn)交換接口。無論是自主開發(fā)平臺(tái)，還是在主流三維軟件（例如達(dá)索Catia及歐克特Revit、Civil3D等）下進(jìn)行二次開發(fā)，在交換過程中，存在一些不確定的問題，因?yàn)镮FC標(biāo)準(zhǔn)本身不夠成熟和完善，對(duì)一些信息無法完整表述，隨著BIM技術(shù)的飛速發(fā)展，這些問題將迎刃而解。

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劉厚強(qiáng)：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，四川 成都，610031

徐駿：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，四川 成都，610031

李安洪：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯葛化一

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1672-061X（2014）02-0050-03