基于IFC4的電氣化鐵路接觸網BIM數據存儲標準研究

金 光

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043；2.軌道交通工程國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

BIM理念從最初的提出，到標準的制定、軟件的開發、工程項目的試點應用，現已廣泛應用于我國鐵路行業的各個領域。

鐵路工程項目涉及專業眾多、數據體量大，在開展BIM技術應用過程中實現信息模型的數據有效存儲及共享顯得十分重要。傳統的基于文件的數據管理方式在對數據的分析和應用方面面臨著巨大挑戰[1]。

目前，各BIM平臺廠商提供了眾多的BIM建模及應用軟件，但是由于鐵路工程具有專業多、信息量大、關系復雜、長大帶狀等特點，無法通過一款BIM軟件或BIM平臺同時滿足鐵路工程全專業的BIM應用需求，必須以信息模型數據交換與共享為依托，采用多軟件、多平臺的協同與管理模式，才有可能實現鐵路工程開展全專業全生命周期BIM應用的目的。

2 技術思路

IFC標準(Industry Foundation Class，簡稱IFC)作為一種公開的、結構化的、面向對象的信息交換格式，技術架構成熟，提供了一種不依賴于具體系統的、適合于描述貫穿整個建筑項目生命周期內產品數據的中性機制[2]，且可擴展及兼容性較強，能夠描述并表達各專業、各系統在工程項目全生命周期的設計成果，保證了信息模型存儲的正確性和完整性，可有效支持系統之間的數據和項目全生命周期的數據管理，實現信息模型數據的共享，是解決信息模型數據存儲、轉換與共享這一核心問題的基礎[3]。

2.1 IFC標準技術框架

IFC標準是國際通用的開放性數據標準，通過參考STEP標準進行開發并逐步完善，經過多年的發展，buildingSMART分別于2013年、2015年推出了IFC4及IFC4×1數據標準。IFC數據標準的基本技術框架如圖1所示。

圖1 IFC數據標準基本技術框架

其中：領域層(Domain layer)定義特定專業領域所需的實體對象；共享層(Interop layer)提供通用性的對象與關系，可用于領域層不同領域間的共享；核心層(Core layer)定義IFC模型的基本結構、基礎關系和公共概念；資源層(Resource layer)提供廣泛的基本信息實體，通過被其他層引用的方式出現。

2.2 IFC傳輸/配送系統

IFC標準以抽象性、兼容性的思維方式，將水、氣、電等各類傳輸系統從本質上統籌考慮為是由各類管線設備、控制設備，通過各類接口連接組成的網狀傳輸/配送系統[4-12]。

在IFC標準基本框架中，將傳輸/配送系統的對象定義分別位于共享層和領域層中。共享層的內容位于IfcSharedBldgService Elements schema中，此schema中定義包括配送系統的基本概念及關于流體流動特性、電氣性能、空間熱性能等各種屬性；領域層的內容根據其輸送的媒介不同在領域層相應派生定義不同的子類對象，包括：IfcHvacDomain(空調暖通系統類對象)、IfcElectricalDomain(電力系統類對象)、IfcPlumbingFireProtectionDomain(防火系統類對象)以及IfcBuildingControlsDomain(建筑監控系統)等內容[13-16]。

IFC傳輸/配送系統分別采用三類對象進行定義[4]。

(1)傳輸/配送實體構件對象(IfcDistribution Element)，用于定義各類具有真實物理性狀的實體；

(2)傳輸/配送接口對象(IfcDistributionPort)，用于定義各種連接各類實體構件的連接關系；

(3)傳輸/配送系統對象(IfcDistributionSystem)，用于定義整個傳輸/配送系統的組織結構關系。

其中，在IFC現有標準中，傳輸/配送系統所定義的實體構件對象及其繼承關系如圖2所示。

圖3 IFC傳輸/配送系統接口與實體連接關系

圖2 IFC傳輸/配送系統實體構件繼承關系

實體構件對象與接口間的連接表達關系如圖3所示。

通過上述表達方式對傳輸/配送系統所需的實體構件及其連接關系進行定義，能夠具體描述各類媒介(能量、流體、氣體等)傳輸、存儲、控制、分配的循環過程與流通網絡。

3 接觸網專業IFC標準擴展方案

接觸網作為電氣化鐵路所特有的結構實體，其本質為一種電能的傳輸載體，是牽引供電系統的重要組成部分，從本質上而言，應將其納入傳輸/配送系統的表達范疇。

3.1 擴展原則

IFC4標準中定義的IfcElectricalDomain，其范圍主要包括電力、數據、通信信號及其他以線纜作為承載介質的各類系統；其組成主要包括組成該類系統所需的各類線纜、設備、控制裝置以及連接接頭等構件；其范圍主要包括建筑電氣室內低壓配電方面，對于室外中高壓電力系統及電氣化鐵路牽引供電系統方面目前還未進行具體定義與表達。

因此，可充分利用IFC數據標準的可擴展特性，在遵循IFC數據標準的基本框架基礎上，結合接觸網系統的自身特點，提出接觸網數據存儲標注擴展原則如下。

(1)主要在IFC架構領域層進行擴展，不另外增加新的領域。

(2)在既有實體的基礎上，通過增加屬性或預定義類型的方式擴展實體。

(3)當既有實體無法滿足需要時，新增實體及相應的通用屬性類。

3.2 模式表達

電氣化鐵路牽引供電系統主要由牽引變電所和接觸網組成。牽引變電所將電力系統通過高壓輸電線送來的電能加以降壓和變流后輸送給接觸網，以供給沿線路行駛的電力機車。其中，接觸網是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路。

按照IFC傳輸/配送系統的定義模式，牽引供電系統能量傳輸及配送關系的表達如圖4所示。

圖4 牽引供電系統能量傳輸及配送關系示意

3.3 實體擴展

接觸網系統主要由基礎及支柱、腕臂支持裝置、定位裝置、接觸懸掛(接觸導線、承力索、吊弦、中心錨結、下錨裝置等)及設備(分段絕緣器、避雷器、隔離開關)等組成。

按照制定的擴展原則，構成接觸網系統的主要實體構件以既有IFC4標準中已定義類型或預定義類型進行表達，既有標準無法表達的構件采用新增類型或預定義類型的方式進行擴展，擴展方案主要如表1所示。

表1 接觸網系統實體擴展方案

接觸網系統結構組成關系如圖5所示。

圖5 接觸網系統結構組成示意

3.4 實體類型及屬性集定義

(1)實體類型定義

按照IFC數據標準的類型定義規則，以新增的IfcCableAuxiliary(線纜附屬構件)為例，其實體類型繼承關系如圖6所示。

圖6 IfcCableAuxiliary實體類型繼承關系

IfcCableAuxiliaryTypeEnum是線纜附屬構件的類型枚舉，從功能的角度定義線纜附屬構件的類型。

新增枚舉項定義如下：

ANCHORCOMPENSITON: 下錨補償裝置；

DROPPER: 吊弦；

ELECTRICCONNECTION: 電連接；

MIDPOINTANCHOR: 中心錨結；

USERDEFINED: 用戶自定義；

NOTDEFINED: 未定義。

(2)屬性集定義

按照IFC數據標準的類型定義規則，以新增的下錨補償裝置(IfcCableAuxiliary/ANCHORCOMPOS ATION)為例，其屬性集Pset_CableAuxiliaryTypeAnchor-Compensation定義如表2所示。

表2 Pset_CableAuxiliaryTypeAnchorCompensation屬性

其余新增實體構件及利用既有實體構件增加枚舉項的擴展方法與其類似，均可參照執行。

4 結論與展望

通過對IFC4標準進行研究，結合電氣化鐵路接觸網的自身特點及工程實際應用需求，提出了基于IFC4標準的電氣化鐵路接觸網BIM數據存儲標準的擴展原則及具體方案，為下一步鐵路工程BIM技術的深化應用提供技術參考。

目前，基于IFC4的電氣化鐵路接觸網BIM數據存儲標準，已作為《鐵路四電工程信息模型數據存儲》的組成部分于2016年7月對外正式發布、實施。下階段，將以鐵路工程項目為依托，重點開展IFC標準的驗證工作，進一步提升BIM軟件對IFC標準的兼容性，為全面實現鐵路工程項目全專業、跨平臺BIM協同與應用奠定堅實基礎。