鐵路BIM數據存儲標準方案研究

■ 姚峰峰 高歌 李華良 楊緒坤

鐵路BIM數據存儲標準方案研究

■ 姚峰峰 高歌 李華良 楊緒坤

鐵路BIM數據存儲標準是提供一種統一的格式，解決鐵路工程項目全生命周期不同階段及不同參與方間的信息共享問題。中國鐵路BIM聯盟成立的初衷是推進鐵路行業內的BIM標準化應用，因此滿足鐵路行業內的BIM數據存儲標準是聯盟的一項重要工作內容。在對KML、CityGML、IFC等不同格式研究的基礎上，提出不同的擴展方案，并就鐵路工程線狀空間分布特點，根據不同評價指標進行比選；最后提出針對鐵路BIM的推薦擴展方案，并給出基于該方案進行鐵路BIM擴展的方法。

BIM標準；CityGML標準；IFC標準；數據存儲

0 引言

BIM是一個在建筑全生命周期各階段中產生和管理數據的過程，而為了能將建筑全生命周期中不同階段的所有相關方（包括建設方、設計方、施工方、監理方）都能基于BIM提供的統一數據模型來獲取或維護信息，規避數據在不同參與方或不同階段傳遞過程中發生的丟失現象，則必須建立相應的標準和工具來支撐這一目標的實現。目前，在國內外的建筑市場上，進行BIM應用的軟件種類繁多（包括建筑設計、造價計量、設備運維等），每個軟件都有各自私有的數據模型格式，模型的信息很難實現流通，無法實現有效的信息共享。

鐵路行業在近些年的技術發展中，引進BIM技術在改進設計、建造技術手段方面做了大量研究，并在相當數量的工程項目中進行應用，取得了一定成果。為了高效有序推進BIM在鐵路行業內的應用，中國鐵路BIM聯盟啟動了鐵路工程BIM標準的編制工作，并于2014年初完成了中國鐵路BIM標準系統框架研究[1]，于2014年底發布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》（1．0版），同時鐵路BIM數據存儲標準的編制工作也在有序開展中。

以編制鐵路BIM聯盟內的數據存儲標準為目標，在中國鐵路BIM標準系統框架指導下，參照建筑領域BIM數據存儲標準和GIS領域標準的研究成果，展開鐵路BIM數據存儲標準的研究工作。在充分調研相關可行性方案的基礎上，結合鐵路工程特性，比較不同方案的優缺點，并提出推薦的擴展方案，為鐵路BIM數據存儲標準的制定提供依據。

1 建筑領域BIM數據存儲標準簡介

數據存儲標準的開發目標就是解決“信息孤島”問題，保證不同公司開發的軟件無障礙地應用到同一個項目中，保證不同系統之間能夠進行數據和信息的共享和交互。20世紀80年代末期，隨著大型機械制造的需求，制造業發展了基于產品模型的數據交互標準（STEP）——ISO-10303標準系列[2]。該標準系列包含了EXPRESS語言標準，以及應用該語言來描述的模型數據標準。

建筑BIM數據存儲標準是在STEP標準基礎上，提供一種統一的數據格式和交換標準，不同應用軟件設計基于此標準的數據接口就可以實現與其他應用軟件的信息交互。建筑BIM數據存儲標準的目標見圖1，使不同參與方實現數據共享。

國際協同工作聯盟組織（Industry Alliance for Interoperability，IAI）根據這一目標開發了IFC（Industry Foundation Class）[3]。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）[4]。IFC模型體系結構由4個層次構成，從下到上分別是資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、交互層（Interoperability Layer）、領域層（Domain Layer）。每個層次都包含一些信息描述模塊，并遵守一個原則：每個層次只能引用同層次和下層的信息資源，而不能引用上層資源。上層資源變動時，下層資源不受影響，保證信息描述的穩定。IFC數據存儲標準由兩部分配合進行：IFC模式文件（IFC Schema）和IFC物理文件。IFC模式文件描述對象間的邏輯層次和約束關系，IFC物理文件包含模型的具體數據。IFC使用實體（Entity）來描述建筑對象（既包括真實的物體，如墻、門、窗等；也包括抽象的概念，如空間、造價等）、屬性及關系。

2 鐵路BIM數據存儲標準擴展方案

鐵路BIM數據存儲標準是規范鐵路信息描述與存儲的語言，以結構化的方式定義鐵路實體及其屬性。在大量參考國內外研究成果基礎上，提出以下幾種鐵路BIM數據存儲標準的方案。

（1）方案一：完全自定義鐵路BIM數據存儲格式。根據鐵路工程項目特點，仿照IFC數據格式，自己定義出全新的鐵路BIM數據格式，此體系中能清楚描述出鐵路各專業中實體間的層次關系，并能承載工程項目在不同階段所需表達的信息。參照建筑領域BIM數據存儲標準的研究成果，根據鐵路工程的特點，在STEP標準基礎上，完全自定義出一套我國鐵路的BIM數據存儲標準。該方案參照建筑領域IFC標準的編制歷程，基于制造業的STEP標準對鐵路領域進行體系性的重新定義。

（2）方案二：基于KML[5]擴展鐵路BIM數據存儲格式。KML是由開放地理空間聯盟（Open Geospatial Consortium，OGC）維護的國際標準，用于在Google Earth軟件中顯示地理數據（如點、線、多邊形、幾何體）[6]。KML本身不帶有語義信息，但可以通過給屬性賦名稱的方式來表達實體對象。以橋為例對KML擴展后的編碼見圖2。

（3）方案三：基于GML（CityGML）定義鐵路BIM數據存儲格式。GML（Geography Markup Language）是空間數據建模標準規范[7]，也是OGC指定的基于XML的地理信息編碼標準，用于地理信息的傳輸、存儲和發布。CityGML則是以城市三維建模及相關應用分析為目的，在GML基礎上擴展得到，擴展模塊定義了城市中的大部分地理對象及對象間的關系，充分考慮了模型的幾何、拓撲、語義和外觀屬性。CityGML作為一個“開放的”標準，提供一套基本的幾何對象類型和公共數據模型，并允許用戶通過限制、擴展等機制創建自己的應用Schema，這種內建的底層擴展機制被稱為ADE，其擴展結果可用于數據共享[8]。基于CityGML提供的ADE機制擴展鐵路實體，分別增加特征類、屬性、關系，擴展的層次結構見圖3。以橋為例，基于CityGML的ADE擴展后的Schema見圖4。

（4）方案四：基于IFC擴展鐵路BIM數據存儲格式。在最新版IFC標準IFC4中，定義的實體類型數據已增加到812個[9]。雖然IFC標準經過多年的發展已日臻成熟，但還是不能滿足現實中對信息數據描述的需求，于是提出各種對IFC模型進行擴展的方案，并進行了實踐。針對土木行業的擴展研究正在開展，如Buildingsmart官方網站于2015年最新發布了IFC Alignment模塊，用于對道路中心線概念進行擴展[10]；韓國學者S．-HLEE[11]對IFC for Road模塊進行擴展研究，并基于AutoCAD平臺對道路組成結構進行3-D建模；法國學者Eric Lebegue[12]對IFC Bridge模塊進行擴展研究，提出橋梁空間結構和構件的擴展方案。

基于IFC標準的鐵路BIM擴展方案是在土木行業擴展研究成果的基礎上，采用最新研究成果IFC Alignment表達鐵路中心線概念，橋梁專業借鑒IFC Bridge的研究成果，其他專業分別進行擴展定義，專業內實體定義采用空間結構和構件兩部分分別進行擴展的方式。鐵路工程的專業擴展層次見圖5。

按照IFC的體系結構，從構件和空間2個維度進行鐵路各專業的派生，選取軌道、路基、橋梁、隧道4個專業為例，列出各專業構件（見圖6）和空間部件（見圖7）派生的位置。

以上列出的4種技術方案，根據鐵路工程的線狀空間分布特性，鐵路工程關注的數據存儲標準的指標主要有：語義信息、拓撲關系、空間表達、細節表示、被廠商支持容易性。4種方案的相關指標對比見表1。

根據比選結果，方案一是最靈活的，但由中國鐵路BIM聯盟自己推出的數據格式很難被國內外主流廠商支持，因此該方案最終很難落地；方案二在語義表達、拓撲關系表示等方面比較欠缺；方案三是GIS領域內的數據標準，其關注的是地理空間領域大尺度對象，對于建筑內部細節的表示相對欠缺，而這方面又是BIM領域主要的表達內容；方案四是分別對鐵路各專業進行擴展，關注于工程細節，目前也已經被國內外主流軟件商所支持。

綜合以上各種方案的比較結果，方案一、方案二基本無法滿足鐵路工程數據表達的要求，方案三、方案四則分別關注于大尺度地理空間對象、小尺度單點工程細節表達上。而鐵路工程則是這2個方案所關注對象的綜合。

3 鐵路BIM數據存儲標準擴展技術路線

在對上述擴展方案的對比分析和現有主流BIM軟件的調研基礎上，推薦基于IFC標準與CityGML標準結合的擴展方案作為實現鐵路BIM數據存儲標準的推薦方案。在本推薦方案中，IFC擴展關注設計、建造過程中的細節數據表達，CityGML擴展關注地理空間尺度下的數據表達，最終在軟件平臺實現數據融合。即從對象的領域劃分為GIS地理空間和單點工程2個范圍，分別對不同領域內的實體在IFC標準和CityGML標準的體系下進行擴展，從而實現對鐵路實體的表達，擴展體系結構見圖8。針對CityGML與IFC的擴展方案則可根據上述方案三和方案四的研究成果分別進行擴展。BIM技術與GIS技術的融合是需要建立三維模型數據交換標準，而不是數據層面的融合[13]。同時，IFC標準與CityGML標準在進行對象映射時要考慮2個方面：語義信息轉換和地理信息轉換[14]，且這2個方面不能獨自分別完成。

推薦方案將鐵路工程特性拆分為BIM與GIS兩部分，分別在現有成熟國際標準基礎上擴展實現，能最大化利用現有國內外研究成果，也易于被BIM軟件支持。

4 結論與展望

提出4種備選鐵路BIM數據存儲標準實現方案，根據鐵路工程的線狀空間分布特點，提出基于IFC標準與CityGML標準結合的擴展方案作為實現鐵路BIM數據存儲標準的推薦方案。鐵路BIM數據存儲標準編制工作是一項復雜而艱巨的任務，需要更多的研究人員進行更為深入、系統的研究分析。

下一步的工作主要在以下幾方面展開：

（1）提交擴展方案，廣泛咨詢不同領域專家意見，根據專家意見完善方案；

（2）與國內外軟件商研討方案實現的可能性，只有該方案被大多數主流軟件支持，并最終應用到工程實踐中，才是驗證方案正確性的唯一標準；

（3）在鐵路工程多個專業領域內開展具體的標準制定工作，分別在IFC標準框架和CityGML標準框架下定義鐵路工程實體對象。

[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)：12-17．

[2] ISO/DIS 10303-1 Product Data Representation and Exchange[S]． Overview and Fundamental principles，1993．

[3] International alliance for Interoperability．Industry Foundation Classes[EB/OL]．[2011-8-21]．http：//www．buildingsmart．com/．

[4] 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．

[5] Google Inc．KML developer’s guide[EB/OL]．2012-6-16[2012-9-23]．https：//developers．google．com/ kml/documentationl．

[6] CHIANG G T，WHITE T O H，DOVE M T，et al．Geo-visualization Fortran library[J]．Computers & Geosciences，2011，37(1)：65-74．

[7] 蘭小機，閭國年．基于GML的空間數據建模研究[J]．工程勘察，2004(6)：54-56．

[8] Consortium O G．OGC City Geography Markup Language CityGML encoding standard version 2．0．0，2012．

[9] Thomas Liebich．IFC2x Edition 4：Model Support Group（MSG）of building SMART[R]，2013．

[10] Thomas Liebich．IFC Alignment Project：Model Support Group（MSG）of building SMART[R]，2014．

[11] S H Lee．IFC Extension for Road Structures and Digital Modeling[R]． Procedia Engineering，2011．

[12] Eric Lebegue．IFC Bridge and IFC for Roads：Building Smart Infrastructure Room[R]．Munich，2013．

[13] Leonvan Berlo，Ruben de Laat．Integration of BIM and GIS：The development of the CityGML GeoBIM extension[J]．Advances in 3D Geo-Information Sciences，2011(3)：1-17．

[14] Umit Isikdag，Sisi Zlatanova．Towards Defining a Framework for Automatic Generation of Buildings in CityGML Using Building Information Models[M]．Springer Berlin Heidelberg，2009．

姚峰峰：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，工程師，天津，300142

高 歌：清華大學軟件學院，博士研究生，北京，100084

李華良：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，天津，300142

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 高紅義

U2；TU71；TP39

A

1672-061X（2015）06-0013-05