基于3D EXPERIENCE 平臺(tái)的機(jī)務(wù)車輛BIM 標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)研究

李騰飛

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

模型是組成BIM[1]項(xiàng)目的基礎(chǔ)單元，描述其幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，是傳遞信息的基本載體。一根螺栓、一臺(tái)電機(jī)、一套設(shè)備甚至一座檢查庫(kù)，這些單元都可以視為從狹義到廣義的某種層級(jí)的模型[2]，以滿足不同工程階段應(yīng)用的需要。合格的模型需要具有復(fù)用性、獨(dú)立性、可參變性、可擴(kuò)展性及可連接性五個(gè)特征。而只有按照統(tǒng)一規(guī)則制作、統(tǒng)一分類、統(tǒng)一存儲(chǔ)的模型集合，才能稱之為模型庫(kù)[3-4]。創(chuàng)建模型庫(kù)可以對(duì)庫(kù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性存儲(chǔ)、組織、展示、統(tǒng)計(jì)分析并供用戶調(diào)用模型。

機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)是機(jī)輛段所（國(guó)鐵機(jī)務(wù)、車輛、動(dòng)車段所及城軌車輛段）運(yùn)用、整備、檢修系統(tǒng)的核心專業(yè)，涉及大量的工藝設(shè)備及工藝管道。雖然在多年開展的BIM 項(xiàng)目中，機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)積累了大量的模型，但之前由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則，創(chuàng)建的模型沒有統(tǒng)一規(guī)矩，僅可滿足當(dāng)前項(xiàng)目的某些需求，并不一定按照IFC 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建模型，這就造成了盡管都是機(jī)務(wù)車輛專業(yè)人員繪制并交付的設(shè)計(jì)模型，但在模型分類、命名、表達(dá)精度、行為上卻各不相同。

基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)[5]的模型信息表達(dá)不同于傳統(tǒng)二維圖方式表達(dá)，其不僅包含模型的點(diǎn)、線、面在內(nèi)的所有幾何信息，而且能夠包含完整的項(xiàng)目信息，如材料信息、空間位置信息、相互關(guān)聯(lián)信息、生產(chǎn)信息、費(fèi)用信息、維保信息等，構(gòu)建一個(gè)可視化、信息化的全生命周期三維模型。考慮到機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)在工程量統(tǒng)計(jì)和全生命周期BIM 模型屬性信息應(yīng)用需求，機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)已在前期對(duì)專業(yè)涉及的工藝設(shè)備和工藝管道進(jìn)行了分析和分類，并完成了機(jī)務(wù)車輛IFC 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展及3D EXPERIENCE 平臺(tái)部署應(yīng)用。

因此，針對(duì)機(jī)務(wù)車輛專業(yè)模型眾多、數(shù)據(jù)龐大的特點(diǎn)，本文創(chuàng)建機(jī)務(wù)車輛專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)，將所有按照IFC 標(biāo)準(zhǔn)制作的BIM 輕量化[6]模型后的模型統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，解決重復(fù)創(chuàng)建、無(wú)序存儲(chǔ)、質(zhì)量參差等問(wèn)題，將有助于知識(shí)成果通過(guò)復(fù)用發(fā)揮最大價(jià)值，實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)、車輛BIM 設(shè)計(jì)高效化、標(biāo)準(zhǔn)化以及BIM 模型屬性信息全生命周期標(biāo)準(zhǔn)化傳遞和共享，滿足工程建設(shè)和運(yùn)維管理應(yīng)用需求，避免重復(fù)勞動(dòng)，提高BIM 的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低BIM 的實(shí)施成本。

1 IFC 標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)創(chuàng)建流程

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)創(chuàng)建

3D EXPERIENCE 平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱3DE 平臺(tái)）分為標(biāo)準(zhǔn)空間和項(xiàng)目空間，項(xiàng)目空間之間的數(shù)據(jù)不互通，項(xiàng)目A 中的模型不可直接復(fù)制到項(xiàng)目B 中使用，標(biāo)準(zhǔn)空間是一種用于存放標(biāo)準(zhǔn)件（如螺釘、螺母）的特殊空間，標(biāo)準(zhǔn)空間中的模型可引用或復(fù)制至項(xiàng)目中使用。基于標(biāo)準(zhǔn)空間的特性，為方便模型庫(kù)使用，將模型庫(kù)建立在標(biāo)準(zhǔn)空間。

機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)模型庫(kù)的創(chuàng)建按照模型IFC 標(biāo)準(zhǔn)分類進(jìn)行，在StandardPart_Vehicle 標(biāo)準(zhǔn)空間中創(chuàng)建一個(gè)Catalog 用于存放所有的模型，在此Catalog 下按照層級(jí)建立一系列的Chapter 用以表示各種工藝設(shè)備之間的從屬關(guān)系，例如，加工設(shè)備—車床—數(shù)控車床。按照3DE平臺(tái)部署的IFC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)專業(yè)工藝設(shè)備進(jìn)行分類，建立的標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)如圖1 所示，這里展示三層分類。

圖1 機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)

機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)模型庫(kù)可以涵蓋機(jī)輛段所運(yùn)用、整備、檢修系統(tǒng)涉及的超4 000 項(xiàng)工藝設(shè)備及工藝管道，每一臺(tái)設(shè)備都有對(duì)應(yīng)的IFC 標(biāo)準(zhǔn)類型，滿足設(shè)備分類統(tǒng)計(jì)的需要。

1.2 模型處理

在多年開展的BIM 項(xiàng)目中，機(jī)務(wù)、車輛專業(yè)積累了大量的模型文件，但是這些模型來(lái)源于不同的單位和廠家，其建模軟件、處理方法、加工方式均不同，造成模型格式混亂，再加之不同三維建模軟件之間數(shù)據(jù)傳遞時(shí)總存在信息丟失和模型破損的情況，導(dǎo)致項(xiàng)目中實(shí)際使用的模型在分類、命名、表達(dá)精度、行為上均存在差異。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際項(xiàng)目需求深度，結(jié)合3DE 平臺(tái)現(xiàn)實(shí)情況，總結(jié)模型標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）有標(biāo)準(zhǔn)的命名和配色，采用英文命名，能做到見名知意，配色盡量貼近實(shí)際。

（2）有標(biāo)準(zhǔn)的分類，每一個(gè)模型有其對(duì)應(yīng)的IFC 類型，模型結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)3DE 平臺(tái)原生物理產(chǎn)品和物理模型。

（3）有標(biāo)準(zhǔn)的屬性信息，模型增加代理屬性集以保證跨平臺(tái)傳遞，有各階段所需的信息。

（4）有標(biāo)準(zhǔn)的分類與編碼，通過(guò)分析編碼，也可得到模型的信息。

針對(duì)收集的專業(yè)BIM 模型，首先對(duì)其格式進(jìn)行處理，最優(yōu)的情況是將其轉(zhuǎn)化為基于實(shí)體的.step 格式，然后將其導(dǎo)入3DE 平臺(tái)，然后經(jīng)過(guò)圖2 所示流程可以將其處理為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的模型。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化模型處理流程

（a）對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理。有些設(shè)備模型體量巨大，含有許多當(dāng)前設(shè)計(jì)階段不需要表達(dá)的細(xì)節(jié)內(nèi)容，不僅導(dǎo)致項(xiàng)目瀏覽查看不順暢，也制約了向運(yùn)維方向的深化應(yīng)用，所以模型進(jìn)入3DE 平臺(tái)的第一個(gè)步驟就是輕量化處理。目前的主要手段有部件刪減、部件減面和產(chǎn)品過(guò)濾。部件刪減是指刪除模型中不涉及與周圍環(huán)境的接口關(guān)系，也不影響設(shè)備的空間占位的精細(xì)部件，例如大量的螺釘、螺母、墊片等；部件減面是指刪除一些內(nèi)部表面和一些碎面片，例如倒角、孔洞等；產(chǎn)品過(guò)濾是使用3DE 平臺(tái)Engineering IP Control 輕量化模塊，將模型中帶有的原生格式統(tǒng)一為一個(gè)3D shape，抹去原生格式對(duì)模型的影響。圖3（a）是收集的一個(gè)數(shù)控車床原始模型，圖3（b）是輕量化后的設(shè)備模型，結(jié)構(gòu)樹簡(jiǎn)化，去掉了模型的設(shè)計(jì)過(guò)程，僅保留設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖3 數(shù)控車床的輕量化處理

（b）添加IFC 類型。為了便于對(duì)機(jī)輛段所中設(shè)備數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)每一臺(tái)套設(shè)備添加其對(duì)應(yīng)的IFC 類型，統(tǒng)計(jì)類型的實(shí)例化個(gè)數(shù)就可得到其設(shè)備數(shù)量，可快速得到設(shè)備數(shù)量表和工程概算金額，例如我們有3 臺(tái)普通車床和1 臺(tái)不落輪鏇床，我們便可得知這4 臺(tái)設(shè)備的概算，這便是為所有的設(shè)備增添IFC 類型的意義所在。機(jī)輛專業(yè)已經(jīng)完成了在3DE 平臺(tái)中IFC 類型的布置，因此此步驟具體為新建一個(gè)具有IFC 類型的實(shí)體，并將已輕量化的模型復(fù)制過(guò)來(lái)，為其增加IFC 類型。同時(shí)，在此步驟對(duì)設(shè)備命名和配色，采用英文命名，能做到見名知意，不使用特殊字符，配色貼近設(shè)備實(shí)際顏色。圖4 為數(shù)控車床添加IFC 類型并重新標(biāo)準(zhǔn)化命名和配色后的模型。

圖4 數(shù)控車床添加IFC 類型和標(biāo)準(zhǔn)化命名

（c）添加一個(gè)用于定位模型的軸系，并將此軸系發(fā)布。為了便于處理后的模型在項(xiàng)目中使用時(shí)定位，此次建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)時(shí)要為其增加一個(gè)用于裝配的軸系，本文總結(jié)了一些推薦的軸系位置：若設(shè)備與股道相關(guān)，則將軸系添加在股道中心線，標(biāo)高為軌面；若設(shè)備為放置在地面上的設(shè)備，則將軸系添加在地面的角點(diǎn)上，軸系的z 軸豎直向上；若設(shè)備裝配形式多樣，則將軸系添加在表面上。最后將這個(gè)軸系發(fā)布，這樣在項(xiàng)目使用時(shí)，不僅可以直接對(duì)模型裝配，也可以使用批量布置插件對(duì)設(shè)備按規(guī)律批量布置，提高設(shè)計(jì)效率。圖5 為數(shù)控車床添加的軸系，原點(diǎn)在設(shè)備底角，z 軸豎直向上，x、y 軸平行設(shè)備底邊。

圖5 添加定位軸系并發(fā)布

（d）給模型添加屬性集（包括編碼）。對(duì)每一個(gè)模型都可添加其對(duì)應(yīng)的屬性集，屬性集的內(nèi)容相對(duì)靈活，既可以添加設(shè)備通用的信息，例如生產(chǎn)、制造、資產(chǎn)、運(yùn)維等全生命周期的屬性，也可以添加其專用的屬性信息，比如設(shè)備具體的加工精度、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等。在這次標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)建設(shè)時(shí)，將可添加的屬性全部添加，將來(lái)按照設(shè)計(jì)階段和模型粒度賦予設(shè)備相應(yīng)的信息深度，即保留相應(yīng)的屬性集。圖6 為數(shù)控車床的所有屬性集，不僅包括設(shè)備基本參數(shù)信息，也具備生產(chǎn)、制造、資產(chǎn)、運(yùn)維信息。

圖3-圖6 以一個(gè)數(shù)控車床為例，在這四個(gè)步驟之后可以得到一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)命名、標(biāo)準(zhǔn)IFC 類型、具備全部屬性的標(biāo)準(zhǔn)化模型（包括設(shè)備編碼）。這樣的模型可以滿足現(xiàn)階段BIM 項(xiàng)目的需要，無(wú)論是利用BIM+GIS平臺(tái)進(jìn)行可視化展示，還是利用數(shù)字孿生對(duì)機(jī)輛段所進(jìn)行運(yùn)維管理。

1.3 模型入庫(kù)

對(duì)于少量的模型確實(shí)可以在標(biāo)準(zhǔn)化之后直接在項(xiàng)目中使用，但是3DE 平臺(tái)項(xiàng)目空間數(shù)據(jù)不可互通，導(dǎo)致同一模型經(jīng)常需要導(dǎo)出導(dǎo)入操作才可在新項(xiàng)目中使用；同時(shí)，隨著項(xiàng)目的增多，模型數(shù)量也在增加，經(jīng)常丟失之前標(biāo)準(zhǔn)化的模型，導(dǎo)致返工、低效；此外，往往搜索同一個(gè)關(guān)鍵字會(huì)存在不同項(xiàng)目空間中的多個(gè)模型，管理起來(lái)造成混亂。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的模型需要入庫(kù)統(tǒng)一管理。

標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)的創(chuàng)建借助于3DE 平臺(tái)中的Catalog（目錄），與實(shí)體書類似，目錄下分不同的章節(jié)（Chapter），章節(jié)下又可有不同的小節(jié)，用一個(gè)小節(jié)表示一種IFC 類型（例如車床），就可按照IFC 類型分類存放標(biāo)準(zhǔn)化的模型。

在模型標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，打開模型庫(kù)的Catalog，找到其IFC 類型對(duì)應(yīng)的Chapter，選擇“在Chapter 中插入存在的模型”命令，選擇標(biāo)準(zhǔn)化的模型，便可將模型存入模型庫(kù)中。這樣一來(lái)，不僅可以利用模型的信息檢索標(biāo)準(zhǔn)化模型，也可通過(guò)在Catalog 中分級(jí)查找，找到設(shè)備模型；此外，同類模型在同一Chapter 中，幾種參數(shù)不同的設(shè)備一起存放，可以做到一目了然，方便使用和管理模型。圖7 為現(xiàn)階段部分標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)。

圖7 機(jī)務(wù)車輛標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)（部分）

2 模型庫(kù)應(yīng)用

3DE 平臺(tái)項(xiàng)目空間中的模型不互通，在項(xiàng)目A 中使用的模型不可以直接復(fù)制到其他項(xiàng)目中，標(biāo)準(zhǔn)空間的模型可以在項(xiàng)目空間中直接使用。部署在標(biāo)準(zhǔn)空間的標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)，庫(kù)中的模型可在項(xiàng)目中直接引用。在項(xiàng)目空間中插入標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)中的模型，將其發(fā)布的軸系裝配到對(duì)應(yīng)位置的軸系上，就可完成模型的裝配和安裝，這就是標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)最直接的應(yīng)用，例如不落輪鏇床的裝配、動(dòng)車組的裝配。

除此之外，機(jī)務(wù)車輛專業(yè)往往需要批量裝配有規(guī)律的一系列模型，例如綜合支吊架布置、軌道橋的布置、洗車機(jī)的布置等，此時(shí)借助開發(fā)的設(shè)備設(shè)施批量布置工具包，利用一個(gè)第三方服務(wù)器，將標(biāo)準(zhǔn)空間中的模型先傳入第三方服務(wù)器，再導(dǎo)入項(xiàng)目空間，就可用工具包批量布置模型，圖8 是根據(jù)洗刷車型不同，利用批量布置工具包布置的兩種不同參數(shù)的60 m 洗車機(jī)。通過(guò)一個(gè)批量布置工具包，同樣溝通了標(biāo)準(zhǔn)空間和項(xiàng)目空間，使得標(biāo)準(zhǔn)空間中模型庫(kù)中的模型在具體的項(xiàng)目空間中使用。這樣一來(lái)，我們可以進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)空間增加、刪減模型，維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)，而在具體項(xiàng)目時(shí)僅是調(diào)用模型庫(kù)中的數(shù)據(jù)，一個(gè)或批量地安裝在項(xiàng)目空間中，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)空間中一個(gè)模型的維護(hù)，可以在多個(gè)項(xiàng)目中多次調(diào)用和使用，提高設(shè)計(jì)效率。

圖8 配置不同的兩種60 m 洗車機(jī)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于3DE 平臺(tái)創(chuàng)建了機(jī)務(wù)車輛專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)。機(jī)務(wù)車輛專業(yè)涉及的工藝設(shè)備和工藝管道數(shù)目眾多、分類復(fù)雜，因此有必要建立一個(gè)模型庫(kù)來(lái)統(tǒng)一分類和管理這些模型。本文總結(jié)了適應(yīng)現(xiàn)階段BIM 應(yīng)用的模型標(biāo)準(zhǔn)化處理流程，具體包括模型輕量化、添加IFC 類型和發(fā)布軸系、添加屬性信息，可以得到符合IFC 標(biāo)準(zhǔn)的模型。本文簡(jiǎn)單介紹了標(biāo)準(zhǔn)化模型的入庫(kù)管理和具體應(yīng)用。創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)不僅方便存儲(chǔ)和管理機(jī)務(wù)車輛專業(yè)積累的模型和屬性信息數(shù)據(jù)，同時(shí)在生產(chǎn)項(xiàng)目中可直接調(diào)用模型庫(kù)中的模型和數(shù)據(jù)，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)門檻。