基于IFC的鐵路工程信息模型數據存儲標準研究

■ 楊緒坤

基于IFC的鐵路工程信息模型數據存儲標準研究

■ 楊緒坤

鐵路工程信息模型數據存儲標準是中國鐵路BIM標準體系的重要組成部分。在IFC4標準的基礎上，依據中國鐵路BIM標準體系框架，通過動態擴展與靜態擴展，將IFC表達的鐵路工程實體分為空間結構單元、構件、零件、組合件，組織各個專業領域的鐵路工程信息模型，為鐵路BIM數據模型的創建和存儲提供指導方法和實施規則。

IFC；數據存儲標準；鐵路工程信息模型；BIM

0 引言

近年來，鐵路行業逐步推進信息化建設，而BIM成為實現鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向。為了更加有序、高效地推進BIM在鐵路行業的應用，中國鐵路BIM聯盟于2013年5月啟動鐵路工程BIM標準的研究工作，并于2014年初完成中國鐵路BIM標準體系框架研究[1]。數據存儲標準是中國鐵路BIM標準體系的重要組成部分，為制定中國鐵路BIM數據存儲模型，實現鐵路BIM應用中跨平臺、跨應用的信息存儲提供支持。

目前，buildingSMART組織開發的IFC（Industry Foundation Classes）標準是接受最為廣泛的BIM數據存儲標準。IFC標準于2005年被接受為ISO標準，目前最新版本是IFC4 Add1。現有的IFC標準不能涵蓋鐵路行業獨有的專業領域，因此需要對IFC標準進行擴展，以滿足鐵路行業的應用需求。以IFC標準為基礎，以與國際標準接軌為原則，在中國鐵路BIM標準體系框架的指導下，研究鐵路工程信息模型數據存儲標準，為鐵路BIM數據模型的創建和存儲提供指導方法和實施規則。

1 IFC標準

IFC標準的研究始于20世紀90年代初，該標準基于STEP（Standard for the Exchange of Product model data）標準，采用EXPRESS語言描述。IFC標準是一個基于面向對象方法的數據模型體系，該體系既可以描述真實的物理對象，如梁、柱、墻等建筑構件，也可以表示抽象的概念，如空間、組織、關系和過程等[2]。

IFC標準的體系結構包含4個層次，從下到上依次是：資源層、核心層、互用層和領域層。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、屬性及關系。在IFC4標準中，定義的實體類型數據已增加到812個，但還是無法滿足鐵路工程領域對信息數據描述的需求。因此，需要對IFC標準進行擴展，以滿足鐵路工程領域數據存儲標準的應用需求。

2 鐵路工程信息模型數據存儲標準研究的基本原則和擴展方法

2.1 基本原則

鐵路工程信息模型數據存儲標準為鐵路工程信息描述與存儲提供一種規范化語言，研究遵循以下原則：

（1）兼容性原則。與已發布的building SMART標準保持最大限度的兼容。

（2）可移植性原則。鐵路工程領域基礎數據模型中的元素可以被不同技術平臺的不同編碼方式使用。

（3）抽象性原則。定義在國內外廣泛應用，且被整個領域共同認可的重要鐵路工程元素，使本標準的固定模型最小化。

（4）可擴展性原則。可與具體的信息分類、編碼、字典相結合，對定義的元素進行進一步“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）可重復性原則。定義的任何元素在數據存儲與交換的應用中都是可重復的。

（7）易用性原則。可提供標準作者之間，作者與軟件開發人員之間描述標準的形式化文件與可讀性文件，便于使用。

2.2 擴展方法

IFC標準通過實體與屬性表達工程建設項目中的信息，通過靜態擴展與動態擴展的方式增加對鐵路工程領域概念的表達能力。鐵路工程信息模型數據存儲標準擴展方案見圖1。

靜態擴展是指在IFC4模式的基礎上，遵循面向對象思想的繼承原則，層級化定義鐵路工程中各專業領域的實體。靜態擴展的結果為EXPRESS模式文件，軟件開發通過解析EXPRESS文件來完成對鐵路IFC對象的識別。實體類的擴展又分為語義模型擴展和幾何模型擴展。語義模型擴展除一些特殊專業（比如線路專業）外，一般按照空間結構單元、構件、組合件和零件4個部分進行擴展；幾何模型擴展主要針對目前鐵路設計中用到而IFC又無法表達的幾何實體進行擴展，比如線路專業的中心線采用平面和縱斷面的描述方式，需要新增對應的幾何實體。

空間結構單元（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構。空間結構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。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構單元。

構件（Ifc Element）是重要的物理實際存在的實體，可以被包含在空間結構中。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件。構件的定義一般具有一定的概括性，而又不失通用性。構件擴展要綜合考慮構件的功能、外觀等因素。

組合件（Ifc Element Assembly）由多個構件組合而成，本質上還是一種構件，只是為了強調某種構件是組合而成的，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，可以發揮具體作用。組合件一般沒有單獨的幾何形狀，它的幾何形狀由組成它的構件的幾何共同表示。在使用時，組合件必須包含其他構件或嵌套的組合件，不可單獨使用。相對于空間結構單元的概念，雖然兩者都可以包含構件，但組合件本質上還是物理存在的實體，屬于構件，并不強調空間結構。為了避免引起歧義，組成組合件的構件一般不能直接被包含在空間結構單元中。

零件（Ifc Element Component）是附加在構件上或包含在構件中，起加固或連接構件等輔助作用的小物件。從整體的角度上看，一般不太關注這些小物件，但是它們又確實發揮著重要作用。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。

對于空間結構單元和構件，每個專業從IFC的空間結構單元、構件分別派生出自己專業的空間結構單元、構件的抽象類，再從抽象類向下派生出自己專業內的空間結構單元和構件實體。對于組合件，由于Ifc Element Assembly已經有預定義類型，從Ifc Element Assembly向下派生各專業的組合件無法枚舉類型，故直接從Ifc Element Assembly的父節點Ifc Element向下派生各專業的組合件；而對于零件部分，考慮到各個專業會用到很多相同的零件，故采用統一派生出鐵路工程領域的零件類的方法進行擴展。

系統（Ifc System）是為完成某一目的或功能，有序組織起來的產品集合，如鐵路工程領域中的排水系統、信號系統、接觸網系統等。目前，在鐵路工程信息模型數據存儲標準中，使用分配系統（Ifc Distribution System）表達各種類型的排水溝和綜合電纜槽，并為其定義新的屬性集，以滿足鐵路工程領域的需求。

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

動態擴展是指在現有IFC實體的基礎上，不更改IFC模式，通過將現有IFC實體的Object Type屬性設置為實體類型在《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》[3]中對應的編碼，同時將實體的Predefined Type屬性值設為“User Defined”，從而標識實體的具體類型。

對于屬性集，通過對IFC標準中的Ifc Property Set進行擴展來定義鐵路工程領域實體的屬性。Ifc Property Set通過Ifc Rel Defined By Properties關聯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據存儲標準中，已經定義了軌道、路基、橋梁、隧道、線路、站場、路基排水等專業領域的屬性集及公用屬性集。

3 鐵路工程信息模型體系結構與空間結構組成

3.1 鐵路工程信息模型體系結構

鐵路工程信息模型體系結構是在IFC體系結構的基礎上，針對鐵路工程領域的特點進行擴展，為模型模塊的開發提供一個模塊化結構（見圖2）。

在資源層的幾何資源中增加Ifc Alignment的部分內容；在核心層的Product Extension中擴展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、公用空間結構、公用零件和公用屬性集；在專業領域層，擴展軌道、路基、站場、橋梁、隧道、線路6個專業領域。

鐵路工程IFC類繼承關系見圖3。路基、橋梁、隧道、軌道、站場通過定義相應的空間結構單元、構件、組合件、零件的方式進行擴展。對于空間結構單元，先從IFC標準中的Ifc Spatial Structure Element類派生出Ifc Civil Structure Element（土木工程空間結構單元）類。考慮到鐵路、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（路基空間結構單元）、Ifc Bridge Structure Element（橋梁空間結構單元）和Ifc Tunnel Structure Element（隧道空間結構單元），而軌道和站場則先從Ifc Civil Structure Element類派生出Ifc Railway Structure Element（鐵路工程空間結構單元）類，然后再派生各自的空間結構單元。同理，對于構件，路基、橋梁、隧道直接從IFC標準中的Ifc Civil Element類派生，而軌道和站場先從Ifc Civil Element類派生出Ifc Railway Element（鐵路工程構件）類，然后再派生各自的構件。對于組合件，先從IFC標準中的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標準中的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年發布IFC Alignment模塊，用于對道路中心線概念進行擴展，本研究采用此模塊來表達鐵路線路中心線的概念。排水系統采用IFC標準中的Ifc Distribution System來表達，并為其定義新的屬性集Pset_DS_DrainageDitchCommon，以滿足鐵路工程領域的需求。

3.2 鐵路工程空間結構組成

鐵路工程空間結構組成見圖4。其中，Ifc Rel Aggregates表示聚合關系，是“整體/部分”關系的一種特殊類型，有2個屬性：Relating Object和Related Objects。Relating Object表示聚合對象，相當于“整體/部分”關系中的“整體”；Related Objects表示被聚合對象，相當于“整體/部分”關系中的“部分”。Ifc Rel Contained In Spatial Structure表示空間結構包含關系，有2個屬性：Relating Structure和Related Elements。Relating Structure表示空間結構單元，Related Elements表示包含在空間結構單元中的產品。

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。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是空間結構包含的關系。

4 BIM軟件對鐵路工程信息模型數據存儲標準的支持

IFC標準已成為BIM最為成熟的數據存儲標準，BIM應用軟件商正在逐步完善軟件產品對IFC標準的支持。目前，鐵路工程信息模型數據存儲標準與相關軟件的對接工作正在進行中。符合鐵路工程BIM標準的設計軟件依照支持程度分為以下幾個層次：

（1）能夠正確導入和識別符合鐵路工程BIM標準要求的IFC物理文件，對象類型、屬性集、幾何數據不丟失、不失真。完成的設計成果能夠正確導出符合鐵路工程BIM標準要求的IFC物理文件。

（2）用戶能夠使用軟件中預定義的鐵路工程構件完成鐵路工程專業設計。

（3）軟件中預定義有鐵路IFC中定義的鐵路工程構件（含空間結構單元、組合件、構件、零件）和屬性集。

（4）擁有鐵路工程地質、線路、軌道、橋梁、隧道、路基、站場等專業設計、工程數量統計、工程造價計算等功能。

（5）具有進行鐵路工程設計軟件二次開發接口。

5 結束語

以buildingSMART組織開發的IFC標準為基礎，研究鐵路工程信息模型數據存儲標準。在IFC數據模式架構的基礎上，構建鐵路工程信息模型數據存儲標準的體系結構，并闡述鐵路工程各空間結構單元之間的關系。鐵路工程涉及多個專業領域，內容繁雜，對鐵路工程信息模型數據存儲標準的研究需要不同專業的人員相互配合。由于人力資源、課題周期、經費等限制，研究目前只涵蓋了軌道、橋梁、路基、隧道、線路、站場6個專業領域，而沒有包括機電安裝工程等專業領域的內容，有待進一步補充與完善。此外，鐵路工程信息模型數據存儲標準研究的一項基本原則是與國際標準接軌，需要對該標準進行進一步提升與優化，并納入到國際標準體系中。

[1] 李華良，楊緒坤，王長進，等． 中國鐵路BIM標準體系框架研究[J]． 鐵路技術創新，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，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準研究[J]． 鐵路技術創新，2015(3)：17-20．

楊緒坤：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，天津，300251

責任編輯 苑曉蒙

T-652；TP319

A

1672-061X（2015）06-0008-05