鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準方案研究

■ 姚峰峰 高歌 李華良 楊緒坤

鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準方案研究

■ 姚峰峰 高歌 李華良 楊緒坤

鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準是提供一種統(tǒng)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(lián)盟成立的初衷是推進鐵路行業(yè)內的BIM標準化應用，因此滿足鐵路行業(yè)內的BIM數(shù)據(jù)存儲標準是聯(lián)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(jù)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(shù)據(jù)存儲

0 引言

BIM是一個在建筑全生命周期各階段中產(chǎn)生和管理數(shù)據(jù)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(jiān)理方）都能基于BIM提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型來獲取或維護信息，規(guī)避數(shù)據(jù)在不同參與方或不同階段傳遞過程中發(fā)生的丟失現(xiàn)象，則必須建立相應的標準和工具來支撐這一目標的實現(xiàn)。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(shù)據(jù)模型格式，模型的信息很難實現(xiàn)流通，無法實現(xiàn)有效的信息共享。

鐵路行業(yè)在近些年的技術發(fā)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(shù)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(yè)內的應用，中國鐵路BIM聯(lián)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(tǒng)框架研究[1]，于2014年底發(fā)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(shù)據(jù)存儲標準的編制工作也在有序開展中。

以編制鐵路BIM聯(lián)盟內的數(shù)據(jù)存儲標準為目標，在中國鐵路BIM標準系統(tǒng)框架指導下，參照建筑領域BIM數(shù)據(jù)存儲標準和GIS領域標準的研究成果，展開鐵路BIM數(shù)據(jù)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(yōu)缺點，并提出推薦的擴展方案，為鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準的制定提供依據(jù)。

1 建筑領域BIM數(shù)據(jù)存儲標準簡介

數(shù)據(jù)存儲標準的開發(fā)目標就是解決“信息孤島”問題，保證不同公司開發(fā)的軟件無障礙地應用到同一個項目中，保證不同系統(tǒng)之間能夠進行數(shù)據(jù)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(yè)發(fā)展了基于產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)標準。

建筑BIM數(shù)據(jù)存儲標準是在STEP標準基礎上，提供一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和交換標準，不同應用軟件設計基于此標準的數(shù)據(jù)接口就可以實現(xiàn)與其他應用軟件的信息交互。建筑BIM數(shù)據(jù)存儲標準的目標見圖1，使不同參與方實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

國際協(xié)同工作聯(lián)盟組織（Industry Alliance for Interoperability，IAI）根據(jù)這一目標開發(fā)了IFC（Industry Foundation Class）[3]。IFC標準是一個基于面向對象方法的數(shù)據(jù)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(wěn)定。IFC數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)存儲標準擴展方案

鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準是規(guī)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(shù)據(jù)存儲標準的方案。

（1）方案一：完全自定義鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲格式。根據(jù)鐵路工程項目特點，仿照IFC數(shù)據(jù)格式，自己定義出全新的鐵路BIM數(shù)據(jù)格式，此體系中能清楚描述出鐵路各專業(yè)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(shù)據(jù)存儲標準的研究成果，根據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)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(shù)據(jù)存儲格式。KML是由開放地理空間聯(lián)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(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)存儲格式。GML（Geography Markup Language）是空間數(shù)據(jù)建模標準規(guī)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(fā)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(shù)據(jù)模型，并允許用戶通過限制、擴展等機制創(chuàng)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(shù)據(jù)共享[8]?；贑ityGML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(shù)據(jù)存儲格式。在最新版IFC標準IFC4中，定義的實體類型數(shù)據(jù)已增加到812個[9]。雖然IFC標準經(jīng)過多年的發(fā)展已日臻成熟，但還是不能滿足現(xiàn)實中對信息數(shù)據(jù)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(yè)的擴展研究正在開展，如Buildingsmart官方網(wǎng)站于2015年最新發(fā)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(yè)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(yè)借鑒IFC Bridge的研究成果，其他專業(yè)分別進行擴展定義，專業(yè)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(yè)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(yè)的派生，選取軌道、路基、橋梁、隧道4個專業(yè)為例，列出各專業(yè)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(jù)鐵路工程的線狀空間分布特性，鐵路工程關注的數(shù)據(jù)存儲標準的指標主要有：語義信息、拓撲關系、空間表達、細節(jié)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(jù)比選結果，方案一是最靈活的，但由中國鐵路BIM聯(lián)盟自己推出的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)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(yè)進行擴展，關注于工程細節(jié)，目前也已經(jīng)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(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)鐵路BIM數(shù)據(jù)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(jié)數(shù)據(jù)表達，CityGML擴展關注地理空間尺度下的數(shù)據(jù)表達，最終在軟件平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)交換標準，而不是數(shù)據(jù)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(xiàn)有成熟國際標準基礎上擴展實現(xiàn)，能最大化利用現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲標準實現(xiàn)方案，根據(jù)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(xiàn)鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準的推薦方案。鐵路BIM數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jù)專家意見完善方案；

（2）與國內外軟件商研討方案實現(xiàn)的可能性，只有該方案被大多數(shù)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(yè)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(chuàng)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(shù)據(jù)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