基于BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的鐵路協(xié)同設(shè)計(jì)體系研究

李 純 張忠良

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 研究背景

數(shù)字孿生鐵路[1]是實(shí)現(xiàn)鐵路工程數(shù)字化的基礎(chǔ)，也是建設(shè)智能鐵路所依賴的數(shù)據(jù)環(huán)境。

數(shù)字孿生鐵路是集成多源數(shù)據(jù)而形成的動態(tài)信息模型，最終服務(wù)于工程項(xiàng)目全生命周期[2]。數(shù)字孿生鐵路的建設(shè)需要在設(shè)計(jì)之初就提前考慮施工和運(yùn)維中各參建方、各專業(yè)對數(shù)據(jù)的要求。工程建設(shè)過程中參建方眾多、專業(yè)差異化大、需求各不相同。因此，數(shù)字孿生鐵路必須具備結(jié)構(gòu)化、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)組織形式，易于維護(hù)、格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)框架，表達(dá)明確的數(shù)據(jù)語義定義。

傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)相對離散，邏輯關(guān)聯(lián)性不高，信息存在大量冗余，無法滿足工程數(shù)字化的要求。

為解決工程數(shù)字化過程中對數(shù)據(jù)信息的要求，逐步發(fā)展出了各類標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范和統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲與交互[3]。其中，IFC(Industry Foundation Classes)統(tǒng)一了各專業(yè)的信息存儲，IFD(International Framework for Dictionaries)明確了各專業(yè)的表達(dá)，用IDM(Information Delivery Manual)[4]表達(dá)的MVD(Model View Definition)視圖模型定義約定了各專業(yè)、各階段的信息交互方式。按照這幾大類信息標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ图夹g(shù)通常被稱之為BIM技術(shù)。因此，BIM技術(shù)誕生的根本目的是為了解決多源異構(gòu)系統(tǒng)[5]之間的信息共享與交互，而基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)體系是建設(shè)數(shù)字孿生鐵路的最佳方式，也是實(shí)現(xiàn)鐵路工程數(shù)字化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)體系的特點(diǎn)

基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)是一種利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、圖形圖像處理、數(shù)字引擎等信息化技術(shù)，結(jié)合多任務(wù)、多專業(yè)協(xié)同等設(shè)計(jì)和管理理念所形成的全新設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法，是從傳統(tǒng)的手工繪圖升級到計(jì)算機(jī)二維CAD輔助設(shè)計(jì)之后的又一次革新。協(xié)同設(shè)計(jì)的直接目的是為了幫助設(shè)計(jì)人員更高效地完成設(shè)計(jì)，同時(shí)又可將其價(jià)值推廣應(yīng)用到建設(shè)管理一體化等更多方面。相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，協(xié)同設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)明顯的特征。

2.1 表現(xiàn)形式的三維可視化

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，受限于設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員所做的設(shè)計(jì)工作和構(gòu)思是根據(jù)自己的空間想象理解，將設(shè)計(jì)意圖通過抽象、不完整的二維視圖進(jìn)行表達(dá)。

而在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中，可以在真實(shí)三維空間中去表達(dá)、推敲設(shè)計(jì)意圖，以全要素BIM模型為載體去交付設(shè)計(jì)成果。

在直觀的全要素信息模型中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要，按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，也可以依靠封裝的各類結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)資源并利用各種形式的參數(shù)化驅(qū)動來快速展現(xiàn)成果。

模型是信息的載體，全要素信息模型以更高的維度承載了更豐富的工程信息，表達(dá)更直觀，更加接近于真實(shí)的工程對象。

2.2 集中并行的協(xié)同工作方式

基于BIM技術(shù)的專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)，讓各專業(yè)在同一個(gè)信息模型上開展工作，使很多原本是串行的工作轉(zhuǎn)為并行，專業(yè)間的配合更多是依靠定制流程引擎去驅(qū)動全要素信息模型中數(shù)據(jù)層面的直接交互，各專業(yè)數(shù)據(jù)層面邏輯聯(lián)系更緊密，配合度更高，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升。

同時(shí)，這種工作方式還能讓年輕的技術(shù)人員更快、更深入地了解相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)意圖和思路，掌握專業(yè)間如何配合、如何合理解決沖突等方法和技巧。

2.3 設(shè)計(jì)制造一體化集成

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)下，工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、分析、建造從數(shù)據(jù)層面來說是分離的，而三維設(shè)計(jì)軟件正逐步擁有CAE計(jì)算分析以及CAM加工制造的能力。BIM技術(shù)提供了從設(shè)計(jì)直接對接制造加工、安裝的能力，通過在項(xiàng)目全生命周期中的應(yīng)用，大幅提升了設(shè)計(jì)成果的附加價(jià)值。例如BIM設(shè)計(jì)深化后可對接預(yù)制加工，包括合理安排場地和設(shè)備進(jìn)出場路線，以及利用高精度測繪技術(shù)進(jìn)行施工現(xiàn)場安裝管理，分析施工精度、現(xiàn)場工況等。

2.4 工程數(shù)字化移交

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)交付的成果一般為二維圖紙及各種說明文件。

工程數(shù)字化移交的成果需滿足綜合展示、工程精準(zhǔn)算量、仿真模擬分析、建管一體化等全生命周期各個(gè)方面的應(yīng)用。移交成果除了包含必備的全要素信息模型、文檔、說明文件之外，還需要包含專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間各設(shè)計(jì)要素的邏輯關(guān)系、成果版本之間的關(guān)系等信息。

3 企業(yè)級協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)體系上繼承了國家BIM標(biāo)準(zhǔn)，對于國家BIM標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)覆蓋的專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)容可直接引用，同時(shí)兼容國際標(biāo)準(zhǔn)，并包含符合中國鐵路特點(diǎn)的擴(kuò)展。

從體系框架的角度來看，可分為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)兩大部分，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是面向IT工具的技術(shù)規(guī)則，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于特定行業(yè)的實(shí)施規(guī)則。

與協(xié)同設(shè)計(jì)體系建設(shè)有關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)包括信息語義標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)。其中，信息語義標(biāo)準(zhǔn)包括鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)字典和鐵路工程信息模型分類編碼標(biāo)準(zhǔn)[6]。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、建管應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)維應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

在具體項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，鐵路設(shè)計(jì)企業(yè)需要根據(jù)自己的設(shè)計(jì)習(xí)慣和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在繼承這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新定制和擴(kuò)展。

3.1 數(shù)據(jù)存儲與交互標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一

數(shù)據(jù)交互和協(xié)同效率一直是協(xié)同工作面對的關(guān)鍵性問題[8]，BIM提供了中央集成的全要素信息模型，可以方便使用各方做信息交互。然而，各類軟件采用的數(shù)據(jù)格式并不相同，這為數(shù)據(jù)交互制造了不少困難。目前存在的多種交互方式(如數(shù)據(jù)庫、模型本地交互等)在協(xié)作過程中數(shù)據(jù)冗余較大，很難支持未來BIM面臨的大數(shù)據(jù)環(huán)境。

工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是BSI(building SMART International)標(biāo)準(zhǔn)體系的核心，基于IFC子模型提取算法的協(xié)同是目前較好的一種解決途徑[9]。參建各方根據(jù)自身的數(shù)據(jù)要求對BIM模型進(jìn)行提取，同時(shí)可以對子模型版本進(jìn)行有效管理，建設(shè)針對不同子模型與全要素信息模型的數(shù)據(jù)同步、版本管理[10]、模型同步機(jī)制，使得子模型之間可達(dá)到高效的數(shù)據(jù)協(xié)同。

鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)是在IFC4.1標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)展的鐵路工程內(nèi)容[11]。在京張BIM項(xiàng)目實(shí)施過程中，對IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一定程度的驗(yàn)證和擴(kuò)展：根據(jù)需求分析將鐵路專業(yè)元素映射到IFC，理清需創(chuàng)建的信息模型和既有IFC模型的清單，采用UML(Unified Modeling Language)定義新增的鐵路工程對象模型。

最后，從概念模型生成最終擴(kuò)展后的IFC標(biāo)準(zhǔn)模式文件(EXPRESS，XSD)，完成在軟件中的部署標(biāo)準(zhǔn)。IFC的擴(kuò)展工作需要軟件廠商開放對應(yīng)接口才能實(shí)現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)表達(dá)方式的統(tǒng)一

為實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)層面的協(xié)同，需要制定語義表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確描述各專業(yè)、各層級的信息及邏輯關(guān)系。

數(shù)據(jù)語義標(biāo)準(zhǔn)通過數(shù)據(jù)字典和分類編碼實(shí)現(xiàn)。分類編碼標(biāo)準(zhǔn)劃分方式首先采用面分法，繼而采用線分法，主要內(nèi)容包括諸如鐵路工程階段表、組織角色表、產(chǎn)品表、信息模型分類表、信息模型編碼表、專業(yè)領(lǐng)域表、工藝表、工法表、材料表、屬性表、地理信息表等分類表。

這種編碼方式雖然大而全，但存在數(shù)據(jù)冗余，在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)造成諸多不便。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合企業(yè)需求，繼承并擴(kuò)展企業(yè)級全專業(yè)數(shù)據(jù)字典，并映射到鐵路BIM編碼體系(如圖1所示)。

CEC編碼項(xiàng)目幾何信息非幾何信息IFD編碼12-01接觸網(wǎng) 工點(diǎn)信息(車站或區(qū)間)、懸掛類型53-15 70 0012-01 01基礎(chǔ)及拉線 12-01 01 01基礎(chǔ) 53-01 00 00 12-01 01 01 01支柱基礎(chǔ)尺寸信息型號、材質(zhì)、力學(xué)參數(shù)、項(xiàng)目屬性(支柱號、錨段號、側(cè)面限界、里程信息等)、參考圖53-01 40 0012-01 01 01 02拉線基礎(chǔ)尺寸信息型號、材質(zhì)、力學(xué)參數(shù)、項(xiàng)目屬性(支柱號、錨段號、里程信息等)、參考圖53-01 60 0012-01 01 02拉線 53-01 50 0012-01 01 02 01單拉線 型號、材質(zhì)、項(xiàng)目屬性(支柱號、錨段號等)、參考圖53-01 50 10 12-01 01 02 02雙拉線 型號、材質(zhì)、項(xiàng)目屬性(支柱號、錨段號等)、參考圖53-01 50 20 12-01 01 03預(yù)埋件 類型、材質(zhì)53-14 40 5012-01 01 03 01化學(xué)錨栓錨桿長度類型、型號、力學(xué)參數(shù)53-12 40 55 1012-01 01 03 02預(yù)埋槽道尺寸信息類型、型號、力學(xué)參數(shù)53-12 40 55 20

圖1 數(shù)據(jù)字典

3.3 數(shù)據(jù)交互方式的統(tǒng)一

為確保各方數(shù)據(jù)交互的高效，BIM技術(shù)提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)。從設(shè)計(jì)院角度來說，關(guān)鍵是要對專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間數(shù)據(jù)交互全過程進(jìn)行統(tǒng)籌，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)可分為兩類：一類是與特定數(shù)據(jù)交互場景相關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)。另一類是與傳統(tǒng)工程建設(shè)各階段相對應(yīng)，以交付滿足規(guī)定要求的成果為目的的信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)。

從軟件研發(fā)角度看，MVD從數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)的角度定義了IFC數(shù)據(jù)信息如何在不同的應(yīng)用軟件間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是IFC數(shù)據(jù)模型的子集，具體來說是根據(jù)不同應(yīng)用場景的特點(diǎn)，通過定義流程圖和交換需求并將其映射到信息模型，編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

MVD通過IDM(Information delivery manual)來表達(dá)，IDM中的process map一般采用面向過程的BPMN(Business Process Modeling and Notation)建模語言來表達(dá)[12]。

BPMN的基本組成元素(如圖2)包括：泳池(Swimming Pool)、泳道(Swimming Lane)、流對象(Flow Objects)、連接對象(Connecting Objects)[13]。

圖2 BPMN基本組成元素

IDM中交換需求部分以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的形式表達(dá)。該結(jié)構(gòu)體是信息的集合，包含交互目的和內(nèi)容。不同類型的結(jié)構(gòu)體可根據(jù)其特點(diǎn)，采用不同的方式進(jìn)行描述。企業(yè)應(yīng)結(jié)合自己的工作特點(diǎn)制定各專業(yè)的數(shù)據(jù)交互流程，規(guī)范各專業(yè)數(shù)據(jù)交互的節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容。

3.4 管理體系建設(shè)

技術(shù)的發(fā)展與制度的支撐相輔相成，三維協(xié)同設(shè)計(jì)對管理提出了更高的要求。要想完全發(fā)揮三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，除了需要制定上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之外，還應(yīng)形成對應(yīng)的質(zhì)量、管理體系來確保技術(shù)的順利推進(jìn)。

4 協(xié)同設(shè)計(jì)體系建設(shè)

協(xié)同體系建設(shè)的根本目標(biāo)是搭建一個(gè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)境，能讓各專業(yè)在統(tǒng)一的工作空間內(nèi)，采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)資源，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流引擎，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)框架來生產(chǎn)滿足鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的全專業(yè)、全要素孿生數(shù)字工程[14-17]。同時(shí)，這條數(shù)字孿生工程必須具備動態(tài)、可感知的特性，才能在工程全生命周期的應(yīng)用中根據(jù)需求的變化提供易于維護(hù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

京張BIM協(xié)同設(shè)計(jì)體系主要包括：各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件、能集成各專業(yè)軟件及進(jìn)行工作環(huán)境托管的協(xié)同平臺、滿足設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用平臺。

4.1 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺建設(shè)

設(shè)計(jì)協(xié)同平臺的主要功能是面向設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)過程管理和工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理，從設(shè)計(jì)資源管理、過程協(xié)同管理、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理、設(shè)計(jì)變更管理等方面，實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目的資源共享、設(shè)計(jì)文件全過程管理和協(xié)同工作。在設(shè)計(jì)協(xié)同管理的工作模式下，所有過程的相關(guān)信息都記錄在案，相關(guān)數(shù)據(jù)圖表都可以查詢統(tǒng)計(jì)。

(1)平臺建設(shè)整體架構(gòu)

協(xié)同設(shè)計(jì)平臺搭建的主要工作內(nèi)容包含系統(tǒng)級管理、文件級管理、構(gòu)件級管理三個(gè)層次(如圖3所示)。

圖3 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺搭建的主要工作內(nèi)容

①協(xié)同設(shè)計(jì)平臺系統(tǒng)級管理

系統(tǒng)級管理是協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的核心內(nèi)容。該層級管理的目的是確定組織結(jié)構(gòu)關(guān)系、權(quán)限，并建立設(shè)計(jì)文件流轉(zhuǎn)通道，規(guī)范設(shè)計(jì)操作流程，建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)文件模版等。

②協(xié)同設(shè)計(jì)平臺文件級管理

文件級管理是最基本的項(xiàng)目管理層級，主要內(nèi)容包括項(xiàng)目結(jié)構(gòu)管理、設(shè)計(jì)單元分解及編碼、模型文件編碼及裝配關(guān)系維護(hù)等。

③協(xié)同設(shè)計(jì)平臺特征級管理

特征級管理是協(xié)同設(shè)計(jì)文件級管理的延伸。特征管理的對象是各專業(yè)最基本的設(shè)計(jì)元素，通過既有設(shè)計(jì)資源封裝、參數(shù)化定制等方法，對各專業(yè)基本設(shè)計(jì)要素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，對設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行梳理并在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)。

以隧道專業(yè)為例，通過提取設(shè)計(jì)特征，梳理設(shè)計(jì)中的邏輯關(guān)系來建立具有幾何約束的參數(shù)化斷面，結(jié)合影響隧道設(shè)計(jì)的外部信息(如圍巖等級等)及影響方式，利用參數(shù)化技術(shù)封裝成一個(gè)基礎(chǔ)斷面類，并由協(xié)同平臺統(tǒng)一分類托管。使用過程中，通過獲取其他專業(yè)的交互信息，驅(qū)動本專業(yè)模型中包括初支二襯厚度、仰拱半徑等各個(gè)參數(shù)的生成，形成實(shí)例化隧道斷面，并沿線路批量布置，最后讀取線路三維空間曲線，生成隧道實(shí)體(如圖4、圖5所示)。

圖4 二維約束隧道參數(shù)化斷面

圖5 圍巖等級參數(shù)驅(qū)動實(shí)例化斷面生成

(2)工作環(huán)境建設(shè)

工作環(huán)境的管理是BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的核心部分，通過建立各個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù)集，定制不同層級的工作環(huán)境，確保各專業(yè)人員使用的都是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的工作環(huán)境，避免了以往二維設(shè)計(jì)中可能存在的標(biāo)準(zhǔn)不一致的情況，使協(xié)同設(shè)計(jì)過程更加標(biāo)準(zhǔn)化(如圖6所示)。

圖6 工作環(huán)境六級管理

(3)工作內(nèi)容管理

協(xié)同設(shè)計(jì)最主要的特征是多專業(yè)在同一個(gè)中央集中信息模型上并行開展工作。通過數(shù)據(jù)庫研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目錄層級劃分、各專業(yè)工作單元分解及命名、文件編碼、各級模型裝配等功能，基本可滿足平臺對工作內(nèi)容的集中管理需求(如圖7、圖8所示)。

圖7 模型各專業(yè)裝配關(guān)系

圖8 設(shè)計(jì)單元、模型文件自動命名及編碼

(4)對工作流程的統(tǒng)一管理

工作流控制引擎采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)[18]，系統(tǒng)邏輯模型如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯模型

該模型描述了預(yù)定義的過程模型和運(yùn)行過程中實(shí)例之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)對系統(tǒng)流程進(jìn)行初始化時(shí)，系統(tǒng)會在數(shù)據(jù)庫中讀出流程所有的節(jié)點(diǎn)及弧，并根據(jù)它們的關(guān)系生成各類實(shí)例和記錄。

通過對數(shù)據(jù)庫的定制化研發(fā)，可創(chuàng)建用戶的工作流程和流程中的各個(gè)狀態(tài)，賦予用戶在各個(gè)狀態(tài)下的訪問權(quán)限，并且可以隨之生成相應(yīng)的校審單。其中包括流程中各步驟的審批意見、歷史記錄和錯誤率、工作量的統(tǒng)計(jì)等。

(5)對設(shè)計(jì)軟件的集成管理

專業(yè)設(shè)計(jì)人員在工作中會使用到例如結(jié)構(gòu)計(jì)算、受力分析、設(shè)計(jì)工具、辦公類等各類軟件，這就需要平臺有能夠高度集成工作中所使用軟件的能力。

4.2 設(shè)計(jì)軟件研發(fā)

基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)本質(zhì)上是將各專業(yè)內(nèi)及各專業(yè)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系抽象出來，然后利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行表述，得到參數(shù)化模型[19]。在參數(shù)模型中，各個(gè)組件之間的聯(lián)系是動態(tài)的，任意輸入條件的改變，都會影響到與其相關(guān)聯(lián)的組件，進(jìn)而影響到整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，這也正是數(shù)字孿生鐵路具備動態(tài)、可感知特性的原因。

BIM設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)其實(shí)就是設(shè)計(jì)過程中各種邏輯關(guān)系的外化，也就是計(jì)算機(jī)語言化過程。 因此，基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)軟件研發(fā)是一個(gè)集合管理、專業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)IT技術(shù)、數(shù)學(xué)的綜合工作。

(1)基本功能研發(fā)

各專業(yè)BIM軟件的研發(fā)目標(biāo)并非只是建設(shè)包含幾何外觀與各類業(yè)務(wù)信息的模型表達(dá)，而是包含核心設(shè)計(jì)邏輯，內(nèi)嵌專業(yè)規(guī)范要求、設(shè)計(jì)流程、工作習(xí)慣，滿足各專業(yè)差異化需求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算分析工具、管理接口等。其中，BIM設(shè)計(jì)軟件基本功能的研發(fā)主要針對全專業(yè)整體需求開展。例如結(jié)構(gòu)化非幾何屬性附加、提供基于模型表達(dá)精度標(biāo)準(zhǔn)的非幾何屬性管理模塊等(如圖10、圖11所示)。

圖10 模型非幾何屬性附加

圖11 基于專業(yè)語義分類編碼的模型精細(xì)化管理

(2)專業(yè)設(shè)計(jì)工具研發(fā)

協(xié)同設(shè)計(jì)是一個(gè)動態(tài)、關(guān)聯(lián)的過程。邏輯關(guān)系是協(xié)同設(shè)計(jì)的核心和本質(zhì)。一個(gè)參數(shù)化模型的建立過程實(shí)際上就是對設(shè)計(jì)中各種邏輯進(jìn)行梳理并在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)的過程。例如：路基專業(yè)通過對特征元素進(jìn)行約束形成斷面，再利用坡腳、塹頂?shù)汝P(guān)鍵點(diǎn)與地形信息創(chuàng)建關(guān)系，利用參數(shù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)路基隨地形的變化。因此，BIM軟件的研發(fā)工作主要由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝及算法實(shí)現(xiàn)兩部分組成，這也符合BIM面向?qū)ο蟮募夹g(shù)特點(diǎn)。

具體研發(fā)過程中還要考慮各專業(yè)差異化的需求，選擇合適的研發(fā)路線。

數(shù)據(jù)需求的差異化：如測繪和地質(zhì)專業(yè)需要大體量數(shù)據(jù)的承載能力，信號專業(yè)需要邏輯表達(dá)、分析能力，軌道專業(yè)需要對冗余數(shù)據(jù)的優(yōu)化存儲能力等。具體研發(fā)時(shí)就需要通過合適的圖形圖像處理技術(shù)、數(shù)據(jù)封裝方法及算法來實(shí)現(xiàn)。

交付需求的差異化：相較于二維成果交付，很多專業(yè)在三維交付時(shí)需考慮以往在二維設(shè)計(jì)中不需考慮的問題。例如接觸網(wǎng)專業(yè)，原二維設(shè)計(jì)成果中交付的接觸網(wǎng)平面布置圖、腕臂裝配、設(shè)備安裝圖等僅以標(biāo)準(zhǔn)圖形式提供，再附帶裝配原則即可。三維設(shè)計(jì)完全不同，需要全面考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，逐個(gè)計(jì)算接觸網(wǎng)裝配體的幾何尺寸及相對位置關(guān)系，并沿線路布置完成整體裝配。最后還要完成接觸網(wǎng)導(dǎo)線、承力索、整體吊弦等計(jì)算及完整三維模型的生成(如圖12、圖13所示)。

圖12 接觸網(wǎng)BIM軟件(腕臂裝配)

圖13 接觸網(wǎng)BIM軟件(整體布置)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師通過重復(fù)性的繪圖工作來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中各因素之間不變的邏輯關(guān)系。協(xié)同設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)工作由注重結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)過程，使動態(tài)性、交互性重新回歸設(shè)計(jì)本質(zhì)之中。

4.3 多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

數(shù)字孿生工程不僅包含各專業(yè)的BIM信息模型，同時(shí)還包括周邊環(huán)境信息。要真正實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化應(yīng)用，就必須解決多源數(shù)據(jù)融合的問題，多源數(shù)據(jù)以BIM和GIS兩大類為主。GIS提供專業(yè)空間查詢分析能力及宏觀地理環(huán)境基礎(chǔ)，可深度挖掘 BIM 的應(yīng)用價(jià)值[20]。同時(shí)，BIM 彌補(bǔ)了三維 GIS缺乏精準(zhǔn)工程信息模型的空白，兩者的融合能夠讓數(shù)字孿生工程從宏觀走向微觀，從室外進(jìn)入室內(nèi)[21]。然而，BIM和GIS數(shù)據(jù)的存儲格式和表達(dá)方式都有很大區(qū)別，兩者的融合和應(yīng)用已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)。目前，主要有兩種解決方案：一是利用工業(yè)基礎(chǔ)類和城市地理標(biāo)記語言為兩者數(shù)據(jù)集成提供基礎(chǔ)[22-23]。二是通過中間數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換集成。這兩種方式都需要在鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)做大量有關(guān)投影變換、數(shù)據(jù)組織、標(biāo)準(zhǔn)集成、模型轉(zhuǎn)換渲染等方面的研發(fā)工作(如圖14所示)。

圖14 基于鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的多源數(shù)據(jù)融合分析平臺

5 結(jié)束語

鐵路勘察設(shè)計(jì)工作涉及區(qū)域廣、參與專業(yè)多，且各專業(yè)都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)需求和方法，也都有各自獨(dú)特的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，專業(yè)間業(yè)務(wù)接口復(fù)雜、數(shù)據(jù)交互頻繁、協(xié)調(diào)難度大。

針對鐵路協(xié)同設(shè)計(jì)工作開展的難點(diǎn)，主要研究了如何在BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架內(nèi)，充分考慮鐵路各專業(yè)的差異性，通過建設(shè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，研發(fā)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件及多源數(shù)據(jù)融合分析平臺來建設(shè)鐵路協(xié)同設(shè)計(jì)體系，為工程數(shù)字化建設(shè)提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織有序、易于維護(hù)、動態(tài)可感知的數(shù)字孿生工程，同時(shí)也為勘察設(shè)計(jì)企業(yè)拓展工程全生命周期業(yè)務(wù)提供可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。