陳慧穎 劉恒 楊柳

【摘 要】?隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，其在鐵路行業(yè)的應(yīng)用也逐漸普及。鐵路BIM技術(shù)的實施和發(fā)展離不開BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和BIM模型跨平臺、跨專業(yè)交互等技術(shù)。隨著鐵路工程中BIM相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)體量越來越大以及用戶對交互體驗感受要求越來越高，如何高效可靠地存儲BIM數(shù)據(jù)以及便捷快速的完成模型可視化交互成為BIM技術(shù)在實施過程中的一大挑戰(zhàn)?；诖?，文章研究面向鐵路應(yīng)用的BIM存儲技術(shù)，重點討論基于分布式大數(shù)據(jù)平臺Hadoop的HBase數(shù)據(jù)庫、圖數(shù)據(jù)庫Neo4j以及GIS數(shù)據(jù)庫等技術(shù)在鐵路BIM中的應(yīng)用，此外，文章還對基于B/S與C/S架構(gòu)的BIM模型跨平臺交互技術(shù)以及其在鐵路行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用進行了分析。

【關(guān)鍵詞】鐵路BIM; 數(shù)據(jù)存儲; 交互技術(shù)

BIM是建筑信息模型技術(shù)，由Autodesk公司于2002年率先提出的，最早應(yīng)用在建筑領(lǐng)域。近年來，隨著BIM技術(shù)本身的日益成熟與其他行業(yè)的信息化程度逐漸提高，以鐵路行業(yè)為代表的交通工程領(lǐng)域也開始引入BIM技術(shù)。2013年，中國鐵路BIM聯(lián)盟成立， 中國鐵路總公司決定將BIM技術(shù)作為鐵路建設(shè)信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向，致力于建設(shè)數(shù)字鐵路[1]。

近年來，隨著“交通強國、鐵路先行”、“智能鐵路、精品工程”等戰(zhàn)略目標的提出，BIM技術(shù)已經(jīng)在鐵路行業(yè)有著越來越廣泛的應(yīng)用[1]。鐵路BIM項目會涉及到許多技術(shù)，其中核心的技術(shù)就是BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，一種合適的BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)可以實現(xiàn)有效的內(nèi)存資源利用、高效的信息檢索以及可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，其對BIM系統(tǒng)的健壯穩(wěn)定有著重大意義。由于鐵路BIM數(shù)據(jù)種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜、體量巨大且物理位置分散，因此，探尋一種更高效更穩(wěn)定的BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及更輕量更便捷的BIM模型交互服務(wù)化技術(shù)將越來越急切。

本文將從BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和BIM模型跨平臺交互服務(wù)兩個方面入手，探討各大技術(shù)在項目應(yīng)用中的優(yōu)劣以及在各領(lǐng)域中的使用情況，研究面向鐵路設(shè)計時，各技術(shù)該如何高效服務(wù)于項目，為實現(xiàn)面向鐵路設(shè)計的跨平臺、跨專業(yè)的BIM模型交互奠定基礎(chǔ)。

1 鐵路BIM模型數(shù)據(jù)高效存儲與組織

1.1 基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

傳統(tǒng)的BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)大致有基于文件的數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)、基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)和基于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫存儲技術(shù)三類[2]。

在BIM項目發(fā)展初期，建筑項目的整個生命周期中每個階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，都是由設(shè)計人員和工程師使用不同BIM軟件產(chǎn)生的。所以為了解決各個廠商BIM數(shù)據(jù)的交互問題，行業(yè)內(nèi)誕生了BIM數(shù)據(jù)的交換標準，其中IFC標準應(yīng)用最廣，其能夠很好的描述項目中的各種信息，完成BIM數(shù)據(jù)的共享和交互。

然而，使用基于文件的數(shù)據(jù)庫存儲基于IFC標準的數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)不少問題，例如難以構(gòu)建完整的BIM項目模型，難以更改和傳輸數(shù)據(jù)，難以對對象級數(shù)據(jù)進行控制等。由于使用基于文件的數(shù)據(jù)庫來存儲IFC數(shù)據(jù)帶來了以上問題，許多學者開始研究如何利用其他存儲技術(shù)來存儲IFC數(shù)據(jù)[3]。事實證明，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫以及面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫技術(shù)可以有效解決基于文件的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)存在的問題。

易思蓉和聶良濤[4]提出了采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle在鐵路數(shù)字化選線設(shè)計系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)管理。而張為和[5]提出在夜郎河雙線特大橋施工中使用Microsoft SQL Server進行數(shù)據(jù)存儲。

1.2 傳統(tǒng)BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)存在的問題

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（1）隨著項目不斷進行和行業(yè)不斷發(fā)展，各種BIM數(shù)據(jù)量勢必會不斷增多，呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)的特性，然而數(shù)據(jù)是企業(yè)寶貴的財富，需要保留很長時間，這就需要足夠大的存儲空間，而存儲系統(tǒng)能夠容易擴展將非常重要，然而傳統(tǒng)的基于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫剛好擴展能力較差，所以不太適用于如今BIM數(shù)據(jù)存儲。

（2）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更適合存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，然而BIM項目還會產(chǎn)生很多呈現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化特征的數(shù)據(jù)，如圖片、工程文檔等。這類數(shù)據(jù)對于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來說有一些局限，而文件存儲系統(tǒng)能展現(xiàn)出一些優(yōu)勢。

（3）隨著BIM數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的發(fā)展，對于存儲系統(tǒng)有了許多其他的需求，比如高可用性、負載均衡等。關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對高可用性的實現(xiàn)，利用了主從復制來構(gòu)成分布式集群，將讀寫分散到不同的節(jié)點，造成數(shù)據(jù)的冗余來提高系統(tǒng)的高可用性。負載均衡的實現(xiàn)則是在此基礎(chǔ)上，利用一個控制端來接收訪問請求，然后根據(jù)當前各節(jié)點的負載情況來采取相應(yīng)的均衡策略，進而訪問數(shù)據(jù)庫，這樣各節(jié)點可以均衡壓力、相互協(xié)作。然而關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的主從復制集群采取的是最終一致性方案，數(shù)據(jù)復制具有延遲，系統(tǒng)并不完全實時同步，所以使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)存儲系統(tǒng)的高可用性和負載均衡并不適用。

鐵路BIM項目普遍有著規(guī)模極大、跨度極廣的特點，從站前的路面、隧道、橋梁設(shè)計到站后的排水、供暖設(shè)計，再到施工建設(shè)的管理階段，因此，相比于民用建筑行業(yè)的BIM項目，鐵路BIM項目對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)改進需求更加急迫。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫早已經(jīng)不足以存儲鐵路BIM項目中海量信息，如何系統(tǒng)而高效的組織與存儲這些繁雜的空間信息和屬性數(shù)據(jù)，將是鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲一個重要研究方向。

1.3 應(yīng)用在鐵路BIM中的存儲技術(shù)

1.3.1 分布式存儲技術(shù)

面對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)存儲鐵路BIM數(shù)據(jù)存在的上述問題，許多學者開始探尋其他數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，分布式大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺Hadoop和HBase（Hadoop Database）數(shù)據(jù)庫便是其中研究最多的一個方向。

Hadoop是可以為海量數(shù)據(jù)分析存儲的分布式軟件架構(gòu)，具有強大的運算能力以及海量的存儲能力，可以從單個服務(wù)器擴展到很多個，并且允許離線計算存儲。在Hadoop框架中有兩個最不可或缺的組件： HDFS（Hadoop Distributed File System）和MapReduce。HDFS與MapReduce分別是分布式文件系統(tǒng)與計算框架，對數(shù)據(jù)進行存儲與計算分析。HBase是基于HDFS的一個面向列的適合存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分布式數(shù)據(jù)庫，這一點與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫適合存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不同。

陳遠[2]等人提出了基于HBase數(shù)據(jù)庫建立建筑信息模型存儲系統(tǒng)，并且通過HBase Java API將基于IFC標準的BIM數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。由于HBase是用Java語言開發(fā)，所以使用Java API是可以有效訪問數(shù)據(jù)庫，而API的合理設(shè)計有利于數(shù)據(jù)庫擴展。

海量的BIM數(shù)據(jù)還包含了很多格式，對于不同格式的文件應(yīng)該使用針對性的存儲處理方法，以此提高處理BIM數(shù)據(jù)的效率。王寶會和高遠[6]了提出聯(lián)合式BIM存儲方案，即使用HDFS存儲體量較大的文件，如.rvt文件，而使用FastDFS存儲體量較小的文件，如.rfa文件。同時為了滿足存儲系統(tǒng)的高可用性，兩者均采用了冗余備份的方式。

1.3.2 混合存儲技術(shù)

由于BIM數(shù)據(jù)比較復雜，數(shù)據(jù)類型較多，不同類型的數(shù)據(jù)適合采用不同的存儲方式，考慮傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)段和分布式存儲各自的存儲優(yōu)勢，將兩者結(jié)合起來，可以滿足不同類型BIM數(shù)據(jù)的存儲要求。

用混合存儲技術(shù)來處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的方法在鐵路BIM項目中受到了廣泛關(guān)注。段熙賓[7]等人在軌道交通BIM協(xié)同設(shè)計平臺的設(shè)計與實現(xiàn)中，就提出了采用MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲系統(tǒng)用戶信息、項目信息、自定義流程模型、任務(wù)分配等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用文件系統(tǒng)來存儲BIM設(shè)計模型、項目相關(guān)文檔等非結(jié)構(gòu)化信息的思路。

1.3.3 圖數(shù)據(jù)庫

隨著BIM工程產(chǎn)生數(shù)據(jù)的體量不斷增長，其中的空間關(guān)系也變得更加復雜化和多樣化，現(xiàn)有用于存儲和檢索BIM數(shù)據(jù)的研究項目大多只考慮了IFC實體屬性的信息，很少考慮BIM模型的空間關(guān)系。若仍然使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)存儲和查詢將會非常困難，需要各種聯(lián)表操作才能做到，由此帶來系統(tǒng)性能降低與難以維護等問題。于是，圖數(shù)據(jù)庫Neo4j存儲技術(shù)開始在BIM技術(shù)中應(yīng)用起來。

圖數(shù)據(jù)庫是一種基于圖論的NoSql數(shù)據(jù)庫，與將數(shù)據(jù)存儲在若干表格中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫不同，圖數(shù)據(jù)庫以節(jié)點和邊來存儲數(shù)據(jù)及其之間的關(guān)系。但是圖數(shù)據(jù)庫依然支持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的某些功能，例如CRUD和處理事務(wù)等。對于具有復雜空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的數(shù)據(jù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫每次存儲查詢都需要涉及多個表格，但是圖數(shù)據(jù)庫只需要一句簡單的cypher語句便可實現(xiàn)查詢功能，因此圖數(shù)據(jù)庫比較適合用來檢索查詢具有復雜空間關(guān)系的BIM數(shù)據(jù)。

姜韶華與吳崢[8]提出了一種BIM分布式負載均衡集群方案，為了實現(xiàn)對大規(guī)模的IFC數(shù)據(jù)進行高效快速的檢索查詢，將彈性搜索框架（Elastic Search）和圖數(shù)據(jù)庫Neo4j結(jié)合了起來。

1.3.4 GIS數(shù)據(jù)庫

GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）是一種特定的空間信息系統(tǒng)，它是借助了計算機的支持，對地球表層（包括大氣層）的全部或者部分空間中的有關(guān)地理分布的數(shù)據(jù)進行收集、存儲、管理、計算、分析等操作的技術(shù)系統(tǒng)[9]。

由于鐵路建設(shè)項目分布極廣、跨度極大、工點復雜多樣，需要將整個施工組織的工點位置、施工要素、各數(shù)據(jù)間的關(guān)系以及其他的地理信息都囊括在內(nèi)，而僅僅依賴BIM技術(shù)則具有局限性。鐵路工程表現(xiàn)出的線性特點就需要以空間分析、空間數(shù)據(jù)庫和三維可視化為核心技術(shù)的GIS提供相關(guān)的技術(shù)支持，包括如何系統(tǒng)而高效的組織存儲這些繁雜的空間信息和屬性數(shù)據(jù)[10]。

然而BIM技術(shù)與GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織方式和信息表達傳遞上的理解不相同，這給模型跨平臺交互帶來了不小困難，如何使得BIM與GIS融合技術(shù)得到有效運用，是眾多學者們的一個研究重點。

對此，張文勝[11]等人提出BIM與3DGIS的集成技術(shù)，實現(xiàn)了將BIM模型批量集成到3DGIS中，解決了項目工程各階段之間的數(shù)據(jù)交互與挖掘的難題。

而范登科[12]也提出了兩種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方案，分別利用3DMax和FME導出Direct X文件，再通過TerraExplore進行處理所有文件，使BIM模型可以跨GIS平臺進行交互。

2 鐵路BIM模型跨平臺交互服務(wù)

2.1 BIM模型交互服務(wù)技術(shù)概述

BIM模型跨平臺交互一直以來是所有各級項目管理人員以及各專業(yè)的施工人員都存在的需求。最開始時，當BIM模型已經(jīng)完成并需要交付給其他專業(yè)的工作人員時，往往不具備建模等專業(yè)知識的工作人員也需要安裝專業(yè)的建模軟件并且具有一定的軟件基本操作能力。即使只是需要查看模型，也需要下載完整的BIM模型再用專業(yè)軟件打開，這讓用戶的使用感受很不好，并且降低了工作效率。

但隨著BIM模型交互技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了很多方法可以簡化上面的操作流程。目前進行BIM模型交互使用最多的方式是BIM服務(wù)端來存儲所有信息，而客戶端來進行用戶交互。根據(jù)客戶端的不同形式，系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為C/S（Client/Server 客戶機/服務(wù)器）架構(gòu)以及B/S（Browser/Server 瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)。

2.2 基于C/S架構(gòu)系統(tǒng)在模型交互上的應(yīng)用

與B/S架構(gòu)相比，C/S架構(gòu)的使用和維護十分復雜繁瑣，各級項目人員要參與其中必須下載對應(yīng)的應(yīng)用程序軟件，否則將難以隨時共享和交互項目信息。

但是這種基于服務(wù)器的重量級應(yīng)用也有它的應(yīng)用領(lǐng)域，在用戶交互多、數(shù)據(jù)流量大、執(zhí)行速度要求高的的工程項目中就可采用C/S模式。在鐵路工程中，王永義[13]提出過由于鐵路BIM項目中產(chǎn)生數(shù)據(jù)量很大，因此可以采用C/S架構(gòu)，在C/S架構(gòu)下用戶可以通過客戶端實時訪問BIM協(xié)同平臺數(shù)據(jù)庫，以確保平臺的平穩(wěn)運行。

2.3 基于B/S架構(gòu)系統(tǒng)在模型交互上的應(yīng)用

而隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，B/S架構(gòu)已經(jīng)成為了一個熱點。B/S架構(gòu)實現(xiàn)了前后端分離，后端服務(wù)器中完成了絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)運算，所以客戶端的任務(wù)少負載低，維護便利使用方便，用戶只需要打開瀏覽器訪問特定的網(wǎng)址，就能快速便捷的完成BIM模型的共享和交互，以一種在線可視的輕量化方式展現(xiàn)BIM模型。目前基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)在BIM模型交互服務(wù)上應(yīng)用非常廣泛，很多企業(yè)在BIM模型輕量化方面做了大量研究的開發(fā)，比如BIMFACE、BIMe等已經(jīng)實現(xiàn)了網(wǎng)頁端模型輕量化顯示。

在B/S架構(gòu)下，BIM模型如何高效的在網(wǎng)頁上進行三維瀏覽一直是個問題，所以徐照[14]等人提出將WebGL和IFC標準結(jié)合，實現(xiàn)一種可解決Web渲染中BIM模型矢量數(shù)據(jù)缺失問題的模型可視化方法。

在鐵路工程中，由于B/S架構(gòu)與C/S各有其應(yīng)用優(yōu)勢和使用場景，常采用B/S和C/S混合架構(gòu)作為平臺框架。比如劉延宏[15]提出了采用兩者結(jié)合的架構(gòu)實現(xiàn)對基于“BIM+GIS”平臺的服務(wù)端工程項目的管理和控制。

3 結(jié)束語

本文研究面向鐵路應(yīng)用的BIM存儲技術(shù)，對常見存儲技術(shù)的特點及適用場景進行了分析。此外，本文還探討了鐵路BIM模型的交互服務(wù)技術(shù)，對比了主流BIM模型交互服務(wù)在鐵路應(yīng)用中的優(yōu)缺點。

參考文獻

[1] 劉為群. BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字鐵路建設(shè)的實踐與思考[J]. 鐵道學報，2019，41（3）：97-101.

[2] 陳遠，岳石花. 基于HBase的BIM模型存儲技術(shù)研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù)，2017，9（4）：74-81.

[3] 陳遠，胡航，岳石花. 基于IFC標準的建筑信息模型分布式大數(shù)據(jù)平臺存儲技術(shù)研究[J]. 計算機應(yīng)用與軟件，2019，36（2）：125-130+173.

[4] 易思蓉，聶良濤. 基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計系統(tǒng)[J]. 西南交通大學學報，2016，51（2）：373-380.

[5] 張為和. 基于BIM的夜郎河雙線特大橋施工應(yīng)用方案研究[J]. 鐵道標準設(shè)計，2015，59（3）：82-86.

[6] 王寶會，高遠. 面向BIM數(shù)據(jù)的分布式文件存儲系統(tǒng)設(shè)計與實施[J]. 土木建筑工程信息技術(shù)，2016，8（5）：40-44.

[7] 段熙賓，王冰峰，杜小智，等. 軌道交通BIM協(xié)同設(shè)計平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 鐵道標準設(shè)計，2020，64（3）：60-64.

[8] 姜韶華，吳崢. BIM空間關(guān)系數(shù)據(jù)的云存儲與檢索方法研究[J]. 圖學學報，2018，39（5）：835-842.

[9] 楊謙，吳金華. 地理信息系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 陜西建筑，2007（3）：4-6.

[10] 郝蕊，王輝麟，盧文龍，等. GIS-BIM在鐵路工程建設(shè)管理中的應(yīng)用研究[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2018，27（4）：46-50.

[11] 張文勝，吳強，祁平利，等. BIM與3DGIS的集成技術(shù)及在鐵路橋梁施工中的應(yīng)用[J]. 中國鐵道科學，2019，40（6）：45-51.

[12] 范登科. BIM與GIS融合技術(shù)在鐵路信息化建設(shè)中的研究[J]. 鐵道工程學報，2016，33（10）：106-110+128.

[13] 王永義，李延，劉偉. BIM協(xié)同平臺在鐵路工程建造階段的應(yīng)用研究[J]. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：23-26.

[14] 徐照，徐夏炎，李啟明，等. 基于WebGL與IFC的建筑信息模型可視化分析方法[J]. 東南大學學報：自然科學版，2016，46（2）：444-449.

[15] 劉延宏. 基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路橋梁工程管理應(yīng)用研究[J]. 交通世界：運輸.車輛，2015，（9）：30-33.

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