■ 楊緒坤

基于IFC的鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)研究

■ 楊緒坤

鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)是中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分。在IFC4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架，通過動態(tài)擴(kuò)展與靜態(tài)擴(kuò)展，將IFC表達(dá)的鐵路工程實體分為空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件、零件、組合件，組織各個專業(yè)領(lǐng)域的鐵路工程信息模型，為鐵路BIM數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建和存儲提供指導(dǎo)方法和實施規(guī)則。

IFC；數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)；鐵路工程信息模型；BIM

0 引言

近年來，鐵路行業(yè)逐步推進(jìn)信息化建設(shè)，而BIM成為實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向。為了更加有序、高效地推進(jìn)BIM在鐵路行業(yè)的應(yīng)用，中國鐵路BIM聯(lián)盟于2013年5月啟動鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，并于2014年初完成中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究[1]。數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)是中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分，為制定中國鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲模型，實現(xiàn)鐵路BIM應(yīng)用中跨平臺、跨應(yīng)用的信息存儲提供支持。

目前，buildingSMART組織開發(fā)的IFC（Industry Foundation Classes）標(biāo)準(zhǔn)是接受最為廣泛的BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。IFC標(biāo)準(zhǔn)于2005年被接受為ISO標(biāo)準(zhǔn)，目前最新版本是IFC4 Add1。現(xiàn)有的IFC標(biāo)準(zhǔn)不能涵蓋鐵路行業(yè)獨(dú)有的專業(yè)領(lǐng)域，因此需要對IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足鐵路行業(yè)的應(yīng)用需求。以IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌為原則，在中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架的指導(dǎo)下，研究鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，為鐵路BIM數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建和存儲提供指導(dǎo)方法和實施規(guī)則。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)

IFC標(biāo)準(zhǔn)的研究始于20世紀(jì)90年代初，該標(biāo)準(zhǔn)基于STEP（Standard for the Exchange of Product model data）標(biāo)準(zhǔn)，采用EXPRESS語言描述。IFC標(biāo)準(zhǔn)是一個基于面向?qū)ο蠓椒ǖ臄?shù)據(jù)模型體系，該體系既可以描述真實的物理對象，如梁、柱、墻等建筑構(gòu)件，也可以表示抽象的概念，如空間、組織、關(guān)系和過程等[2]。

IFC標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)包含4個層次，從下到上依次是：資源層、核心層、互用層和領(lǐng)域?qū)?。每個層次都包含一些信息描述模塊，且每個層次只能引用同層與下層的資源，而不能引用上層資源。IFC使用實體來描述建筑對象、屬性及關(guān)系。在IFC4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的實體類型數(shù)據(jù)已增加到812個，但還是無法滿足鐵路工程領(lǐng)域?qū)π畔?shù)據(jù)描述的需求。因此，需要對IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足鐵路工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用需求。

2 鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)研究的基本原則和擴(kuò)展方法

2.1 基本原則

鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)為鐵路工程信息描述與存儲提供一種規(guī)范化語言，研究遵循以下原則：

（1）兼容性原則。與已發(fā)布的building SMART標(biāo)準(zhǔn)保持最大限度的兼容。

（2）可移植性原則。鐵路工程領(lǐng)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型中的元素可以被不同技術(shù)平臺的不同編碼方式使用。

（3）抽象性原則。定義在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，且被整個領(lǐng)域共同認(rèn)可的重要鐵路工程元素，使本標(biāo)準(zhǔn)的固定模型最小化。

（4）可擴(kuò)展性原則?？膳c具體的信息分類、編碼、字典相結(jié)合，對定義的元素進(jìn)行進(jìn)一步“修飾”或“限定”，而不改變元素的基本含義，從而滿足特定用戶的信息存儲與交換需求。

（5）可選擇性原則。定義的任何元素在信息存儲與交換的需求中都是可選的。

（6）可重復(fù)性原則。定義的任何元素在數(shù)據(jù)存儲與交換的應(yīng)用中都是可重復(fù)的。

（7）易用性原則?？商峁?biāo)準(zhǔn)作者之間，作者與軟件開發(fā)人員之間描述標(biāo)準(zhǔn)的形式化文件與可讀性文件，便于使用。

2.2 擴(kuò)展方法

IFC標(biāo)準(zhǔn)通過實體與屬性表達(dá)工程建設(shè)項目中的信息，通過靜態(tài)擴(kuò)展與動態(tài)擴(kuò)展的方式增加對鐵路工程領(lǐng)域概念的表達(dá)能力。鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展方案見圖1。

靜態(tài)擴(kuò)展是指在IFC4模式的基礎(chǔ)上，遵循面向?qū)ο笏枷氲睦^承原則，層級化定義鐵路工程中各專業(yè)領(lǐng)域的實體。靜態(tài)擴(kuò)展的結(jié)果為EXPRESS模式文件，軟件開發(fā)通過解析EXPRESS文件來完成對鐵路IFC對象的識別。實體類的擴(kuò)展又分為語義模型擴(kuò)展和幾何模型擴(kuò)展。語義模型擴(kuò)展除一些特殊專業(yè)（比如線路專業(yè)）外，一般按照空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件、組合件和零件4個部分進(jìn)行擴(kuò)展；幾何模型擴(kuò)展主要針對目前鐵路設(shè)計中用到而IFC又無法表達(dá)的幾何實體進(jìn)行擴(kuò)展，比如線路專業(yè)的中心線采用平面和縱斷面的描述方式，需要新增對應(yīng)的幾何實體。

空間結(jié)構(gòu)單元（Ifc Spatial Structure Element）表示空間概念上的分解，通常是一個物體的空間主體以及它的主要組成結(jié)構(gòu)?？臻g結(jié)構(gòu)單元是一個抽象概念，一般以整體包含多個局部的方式出現(xiàn)。在鐵路工程中，橋和橋墩、隧道和隧道洞門等都被定義為空間結(jié)構(gòu)單元。

構(gòu)件（Ifc Element）是重要的物理實際存在的實體，可以被包含在空間結(jié)構(gòu)中。在鐵路工程中，組成橋墩的承臺、墩身、頂帽、支承墊石等均被定義為構(gòu)件。構(gòu)件的定義一般具有一定的概括性，而又不失通用性。構(gòu)件擴(kuò)展要綜合考慮構(gòu)件的功能、外觀等因素。

組合件（Ifc Element Assembly）由多個構(gòu)件組合而成，本質(zhì)上還是一種構(gòu)件，只是為了強(qiáng)調(diào)某種構(gòu)件是組合而成的，故將其專門定義成組合件。組合件是物理存在的實體，具備一定的功能，可以發(fā)揮具體作用。組合件一般沒有單獨(dú)的幾何形狀，它的幾何形狀由組成它的構(gòu)件的幾何共同表示。在使用時，組合件必須包含其他構(gòu)件或嵌套的組合件，不可單獨(dú)使用。相對于空間結(jié)構(gòu)單元的概念，雖然兩者都可以包含構(gòu)件，但組合件本質(zhì)上還是物理存在的實體，屬于構(gòu)件，并不強(qiáng)調(diào)空間結(jié)構(gòu)。為了避免引起歧義，組成組合件的構(gòu)件一般不能直接被包含在空間結(jié)構(gòu)單元中。

零件（Ifc Element Component）是附加在構(gòu)件上或包含在構(gòu)件中，起加固或連接構(gòu)件等輔助作用的小物件。從整體的角度上看，一般不太關(guān)注這些小物件，但是它們又確實發(fā)揮著重要作用。零件一般不作為空間劃分的邊界。在建筑中，各種不同的緊固件和配件都是典型的零件。

對于空間結(jié)構(gòu)單元和構(gòu)件，每個專業(yè)從IFC的空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件分別派生出自己專業(yè)的空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件的抽象類，再從抽象類向下派生出自己專業(yè)內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)單元和構(gòu)件實體。對于組合件，由于Ifc Element Assembly已經(jīng)有預(yù)定義類型，從Ifc Element Assembly向下派生各專業(yè)的組合件無法枚舉類型，故直接從Ifc Element Assembly的父節(jié)點(diǎn)Ifc Element向下派生各專業(yè)的組合件；而對于零件部分，考慮到各個專業(yè)會用到很多相同的零件，故采用統(tǒng)一派生出鐵路工程領(lǐng)域的零件類的方法進(jìn)行擴(kuò)展。

系統(tǒng)（Ifc System）是為完成某一目的或功能，有序組織起來的產(chǎn)品集合，如鐵路工程領(lǐng)域中的排水系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)等。目前，在鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)中，使用分配系統(tǒng)（Ifc Distribution System）表達(dá)各種類型的排水溝和綜合電纜槽，并為其定義新的屬性集，以滿足鐵路工程領(lǐng)域的需求。

實體通過預(yù)定義類型（Predefined Type）屬性說明自己的詳細(xì)類型。預(yù)定義類型為枚舉型，枚舉型的取值一般是在極廣泛的范圍內(nèi)被認(rèn)可的分類。在預(yù)定義不能滿足分類需求的情況下，實體可以采用動態(tài)擴(kuò)展方式表示對象類型。

動態(tài)擴(kuò)展是指在現(xiàn)有IFC實體的基礎(chǔ)上，不更改IFC模式，通過將現(xiàn)有IFC實體的Object Type屬性設(shè)置為實體類型在《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》[3]中對應(yīng)的編碼，同時將實體的Predefined Type屬性值設(shè)為“User Defined”，從而標(biāo)識實體的具體類型。

對于屬性集，通過對IFC標(biāo)準(zhǔn)中的Ifc Property Set進(jìn)行擴(kuò)展來定義鐵路工程領(lǐng)域?qū)嶓w的屬性。Ifc Property Set通過Ifc Rel Defined By Properties關(guān)聯(lián)到一個或多個實例上。屬性集包含3部分信息：屬性集名稱、屬性集可應(yīng)用的實例與類型、屬性集中屬性的定義。目前，在鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)定義了軌道、路基、橋梁、隧道、線路、站場、路基排水等專業(yè)領(lǐng)域的屬性集及公用屬性集。

3 鐵路工程信息模型體系結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)組成

3.1 鐵路工程信息模型體系結(jié)構(gòu)

鐵路工程信息模型體系結(jié)構(gòu)是在IFC體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對鐵路工程領(lǐng)域的特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，為模型模塊的開發(fā)提供一個模塊化結(jié)構(gòu)（見圖2）。

在資源層的幾何資源中增加Ifc Alignment的部分內(nèi)容；在核心層的Product Extension中擴(kuò)展Ifc Alignment類，用于表示鐵路線路中心線的概念；在共享層中增加鐵路公用模式的定義，包括公用類型、公用空間結(jié)構(gòu)、公用零件和公用屬性集；在專業(yè)領(lǐng)域?qū)?，擴(kuò)展軌道、路基、站場、橋梁、隧道、線路6個專業(yè)領(lǐng)域。

鐵路工程IFC類繼承關(guān)系見圖3。路基、橋梁、隧道、軌道、站場通過定義相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件、組合件、零件的方式進(jìn)行擴(kuò)展。對于空間結(jié)構(gòu)單元，先從IFC標(biāo)準(zhǔn)中的Ifc Spatial Structure Element類派生出Ifc Civil Structure Element（土木工程空間結(jié)構(gòu)單元）類?？紤]到鐵路、公路、市政等工程中均有路基、橋梁、隧道，因此直接從Ifc Civil Structure Element類派生出Ifc Subgrade Structure Element（路基空間結(jié)構(gòu)單元）、Ifc Bridge Structure Element（橋梁空間結(jié)構(gòu)單元）和Ifc Tunnel Structure Element（隧道空間結(jié)構(gòu)單元），而軌道和站場則先從Ifc Civil Structure Element類派生出Ifc Railway Structure Element（鐵路工程空間結(jié)構(gòu)單元）類，然后再派生各自的空間結(jié)構(gòu)單元。同理，對于構(gòu)件，路基、橋梁、隧道直接從IFC標(biāo)準(zhǔn)中的Ifc Civil Element類派生，而軌道和站場先從Ifc Civil Element類派生出Ifc Railway Element（鐵路工程構(gòu)件）類，然后再派生各自的構(gòu)件。對于組合件，先從IFC標(biāo)準(zhǔn)中的Ifc Civil Element類派生出Ifc Civil Element Assembly（土木工程組合件）類，然后，路基和橋梁分別派生出Ifc Subgrade Element Assembly（路基工程組合件）和Ifc Bridge Element Assembly（橋梁工程組合件），而軌道則先從Ifc Civil Element Assembly類派生出Ifc Railway Assembly（鐵路工程組合件）類，然后再派生軌道組合件。對于零件，先從IFC標(biāo)準(zhǔn)中的Ifc Element Component類派生出Ifc Civil Element Component（土木工程零件）類，再從Ifc Civil Element Component類派生出Ifc Railway Element Component（鐵路工程零件）類，然后從Ifc Railway Element Component類派生Ifc Track Element Component（軌道零件）和Ifc Geo Element Component（巖土零件）。

Building SMART于2015年發(fā)布IFC Alignment模塊，用于對道路中心線概念進(jìn)行擴(kuò)展，本研究采用此模塊來表達(dá)鐵路線路中心線的概念。排水系統(tǒng)采用IFC標(biāo)準(zhǔn)中的Ifc Distribution System來表達(dá)，并為其定義新的屬性集Pset_DS_DrainageDitchCommon，以滿足鐵路工程領(lǐng)域的需求。

3.2 鐵路工程空間結(jié)構(gòu)組成

鐵路工程空間結(jié)構(gòu)組成見圖4。其中，Ifc Rel Aggregates表示聚合關(guān)系，是“整體/部分”關(guān)系的一種特殊類型，有2個屬性：Relating Object和Related Objects。Relating Object表示聚合對象，相當(dāng)于“整體/部分”關(guān)系中的“整體”；Related Objects表示被聚合對象，相當(dāng)于“整體/部分”關(guān)系中的“部分”。Ifc Rel Contained In Spatial Structure表示空間結(jié)構(gòu)包含關(guān)系，有2個屬性：Relating Structure和Related Elements。Relating Structure表示空間結(jié)構(gòu)單元，Related Elements表示包含在空間結(jié)構(gòu)單元中的產(chǎn)品。

由圖4可知，項目（Ifc Project）可以包含一條或多條鐵路線（Ifc Railway），一個或多個鐵路樞紐（Ifc Railway Terminal）。鐵路線（Ifc Railway）又可進(jìn)一步包含一系列軌道（Ifc Track）、路基（Ifc Subgrade）、橋梁（Ifc Bridge）、隧道（Ifc Tunnel）、車站（Ifc Railway Station）工點(diǎn)。鐵路樞紐（Ifc Railway Terminal）也可包含一系列鐵路線（Ifc Railway）和鐵路車站（Ifc Railway Station）。Ifc Alignment表示鐵路線路中心線，與Ifc Railway是空間結(jié)構(gòu)包含的關(guān)系。

4 BIM軟件對鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的支持

IFC標(biāo)準(zhǔn)已成為BIM最為成熟的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，BIM應(yīng)用軟件商正在逐步完善軟件產(chǎn)品對IFC標(biāo)準(zhǔn)的支持。目前，鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)軟件的對接工作正在進(jìn)行中。符合鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計軟件依照支持程度分為以下幾個層次：

（1）能夠正確導(dǎo)入和識別符合鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)要求的IFC物理文件，對象類型、屬性集、幾何數(shù)據(jù)不丟失、不失真。完成的設(shè)計成果能夠正確導(dǎo)出符合鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)要求的IFC物理文件。

（2）用戶能夠使用軟件中預(yù)定義的鐵路工程構(gòu)件完成鐵路工程專業(yè)設(shè)計。

（3）軟件中預(yù)定義有鐵路IFC中定義的鐵路工程構(gòu)件（含空間結(jié)構(gòu)單元、組合件、構(gòu)件、零件）和屬性集。

（4）擁有鐵路工程地質(zhì)、線路、軌道、橋梁、隧道、路基、站場等專業(yè)設(shè)計、工程數(shù)量統(tǒng)計、工程造價計算等功能。

（5）具有進(jìn)行鐵路工程設(shè)計軟件二次開發(fā)接口。

5 結(jié)束語

以buildingSMART組織開發(fā)的IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，研究鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。在IFC數(shù)據(jù)模式架構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，并闡述鐵路工程各空間結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。鐵路工程涉及多個專業(yè)領(lǐng)域，內(nèi)容繁雜，對鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的研究需要不同專業(yè)的人員相互配合。由于人力資源、課題周期、經(jīng)費(fèi)等限制，研究目前只涵蓋了軌道、橋梁、路基、隧道、線路、站場6個專業(yè)領(lǐng)域，而沒有包括機(jī)電安裝工程等專業(yè)領(lǐng)域的內(nèi)容，有待進(jìn)一步補(bǔ)充與完善。此外，鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)研究的一項基本原則是與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，需要對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步提升與優(yōu)化，并納入到國際標(biāo)準(zhǔn)體系中。

[1] 李華良，楊緒坤，王長進(jìn)，等． 中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究[J]． 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014(2)：14-19．

[2] 張洋． 基于BIM的建筑工程信息集成與管理研究[D]． 北京：清華大學(xué)，2009．

[3] 李華良，楊緒坤，沈東升，等． 鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)研究[J]． 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015(3)：17-20．

楊緒坤：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，高級工程師，天津，300251

責(zé)任編輯 苑曉蒙

T-652；TP319

A

1672-061X（2015）06-0008-05