鐵路BIM非幾何屬性研究與應用

周清華 李 純 黃新文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

我國鐵路行業(yè)BIM技術(shù)研究應用起步較晚，與國外發(fā)達國家和國內(nèi)工民建行業(yè)相比較為落后[1]。2013年，中國鐵路總公司牽頭，幾大鐵路設計院和22家會員單位成立了中國鐵路BIM聯(lián)盟，研究鐵路BIM標準制定并選取試點工程開展BIM應用[2]。在標準方面，BIM聯(lián)盟已編制并發(fā)布了一系列標準。在工程應用方面，鐵一院在西成客專鐵路清涼山隧道[3]、十岔溝中橋開展了BIM技術(shù)在橋隧工程中應用探索[4]；鐵二院在寶蘭客專石鼓山隧道[5]、滬昆客專北盤江特大橋、新白沙沱長江大橋和西成客專江油北站等項目開展了BIM設計以及施工應用方面的研究[6，7]；中國鐵設在陽大、京沈、京雄等項目上應用了BIM技術(shù)[8，9]；中鐵設計在京張高鐵項目開展了全線全專業(yè)BIM技術(shù)的應用探索。從上述標準制定和項目應用現(xiàn)狀來看，BIM在鐵路行業(yè)領(lǐng)域雖然起步晚，但發(fā)展迅速并取得一定的研究成果[10]。BIM技術(shù)在鐵路工程領(lǐng)域全生命周期應用還有很多未解決的問題，探索BIM技術(shù)在鐵路工程全生命周期中的應用將是重要課題，而非幾何屬性的表達與傳遞在其中占據(jù)著重要地位。

BIM在工程項目全生命周期的應用需要對模型信息以及模型蘊含的數(shù)據(jù)信息進行組織和再造[11]。并從設計階段開始不斷補充和完善，實現(xiàn)信息對象和模型對象的關(guān)聯(lián)及工程項目全生命周期流轉(zhuǎn)。基于Bentley平臺下的EC Schema以及NameGroup等技術(shù)，研究鐵路BIM模型中非幾何屬性的表達、與幾何模型的關(guān)聯(lián)以及基于非幾何屬性的管理應用技術(shù)。

2 基于EC Schema技術(shù)的非幾何屬性表達

2.1 EC Schema技術(shù)背景

EC(Engineering Configuration)Schema是Bentley公司提出的一種用于解決多種BIM軟件之間工程數(shù)據(jù)交互問題的數(shù)據(jù)庫模式。EC Schema包含文檔、商業(yè)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)的非幾何數(shù)據(jù)，并內(nèi)嵌到XML文件中，其數(shù)據(jù)定義符合xmlSchema規(guī)范。Xml Schema是一種基于xml格式的Schema文件，可以同時定義信息結(jié)構(gòu)和信息內(nèi)容，包含可出現(xiàn)在文檔中的元素、屬性、元素繼承關(guān)系、子元素次序和數(shù)目、元素和屬性的數(shù)據(jù)類型、默認值以及固定值等內(nèi)容。Schema可以理解為概要、輪廓、結(jié)構(gòu)、規(guī)則或標準。用戶可以根據(jù)xml Schema編寫符合規(guī)則的xml文檔，可以根據(jù)xml Schema進行語法提示，可以根據(jù)xml Schema解析xml[12]。

EC Schema具有非常強的互操作性，采用計算機科學中的軟編碼方式，可以在運行時修改。計算機科學中還有一種硬編碼方式，可在軟件開發(fā)過程中，直接將規(guī)范固化在代碼中。此編碼方式適用于規(guī)范穩(wěn)定的情況，否則應用方無法根據(jù)自身需求定制，不利于后期的擴展和維護。BIM技術(shù)應用于鐵路行業(yè)還不夠成熟，很多規(guī)范、制度還在探索和研制中。因此，應用軟編碼方式的EC Schemas規(guī)范來定義鐵路BIM模型的非幾何屬性，符合鐵路BIM技術(shù)應用現(xiàn)狀[13]。

2.2 XML Schema表達鐵路構(gòu)件非幾何屬性

ECSchema有幾個基本概念：ECClass、ECProperty、ECPropertyValue、ECInstance，如圖1所示。

圖1 ECSchama中的基本類

ECClass就像是一個數(shù)據(jù)表定義，對應非幾何屬性類；ECProperty就像是一個列定義，對應某種屬性；ECPropertyValue就像是一個單元格對應的屬性值；ECInstance就像是數(shù)據(jù)庫表中的一行，相當于屬性類的一個實例；ECSchema類似于數(shù)據(jù)庫中的模式，是數(shù)據(jù)庫對象的集合，可以存儲各種屬性類。

可以規(guī)定一個專業(yè)制作一個XML文件，每個XML文件應該包含的內(nèi)容有：schema、class和property。這三者的關(guān)系為：一個schema可以有多個class，一個class可以有多個property，圖2為用ECSchema表示梁的非幾何屬性，結(jié)構(gòu)梁可定義幾個非幾何屬性類(ECClass)，其中有一個為主類，每個類定義若干屬性(ECProperty)，對應的屬性可以設置一些默認屬性。

圖2 XML Schema文件內(nèi)容

2.3 XML Schema導入導出與更新

(1)XML Schema文件制作完之后，在Bentley軟件彈出Key-in命令"ecx schema import *.xml"，若導入成功，則在軟件消息提示框有提示"Schemas import successfully"，如果不成功，應檢查是否有類名重復或者文件編輯錯誤。

(2)屬性XML文件導入之后即存在dgn內(nèi)，可以用"ecx schema export"導出屬性文件。

(3)如果想增減、修改屬性，可直接更新屬性表，修改xml文件，然后用"ecx schema update"命令重新導入即可更新。

(4)批量導入xmlSchema文件，首先制作批處理".txt"，然后在key-in命令中輸入"@文件的全路徑"。

3 NativeCode MDL編程實現(xiàn)非幾何屬性與鐵路構(gòu)件模型關(guān)聯(lián)

MDL是Bentley軟件平臺下一種基于C語言的擴展語言，早期版本的編譯器和鏈接器均由Bentley公司提供，最終生成可在Microstation軟件中調(diào)用的程序(擴展名為.MA)。隨著時間的推移，MDL逐漸可以基于C++來開發(fā)，采用微軟的Visual Studio作為開發(fā)工具來生成本機代碼的DLL。為了保留MDL的一些特性(如命令表、MDL特有的資源等)，仍需生成一個.MA文件。這種新的MDL為NativeCode MDL，NativeCode MDL允許開發(fā)者采用面向?qū)ο蟮恼Z言進行二次開發(fā)，采用此種方式可以充分利用面向?qū)ο笳Z言C++本身的很多特性，并且可以生成與軟件本身一致的資源文件(對話框、按鈕以及文本編輯框等)。

利用Bentley軟件設計出各種鐵路構(gòu)件時只包含構(gòu)件的幾何要素，可采用NativeCode MDL編程實現(xiàn)非幾何屬性與鐵路構(gòu)件模型的關(guān)聯(lián)：包含屬性賦值(包含屬性修改、刪減以及部分批量賦屬性功能)和構(gòu)件樹生成模塊(見圖3)。

圖3 軟件整體界面

在軟件中設置好非幾何屬性及對應屬性值，點擊“賦屬性”按鈕，即可將設置好的屬性賦給選擇的構(gòu)件(見圖4)。如果重復賦值，軟件會提示是否需要替換。

圖4 屬性關(guān)聯(lián)

3.1 針對線狀構(gòu)件模型批量關(guān)聯(lián)里程屬性

鐵路是線狀工程[14]，實際應用中各專業(yè)構(gòu)件位置都需要使用里程定位，為此，可編程實現(xiàn)根據(jù)構(gòu)件地理坐標自動計算對應里程并將其自動關(guān)聯(lián)到鐵路構(gòu)件模型上。軟件操作方法:首先，在軟件界面設置中心線起始里程，然后點擊“選擇中心線”按鈕，最后，選擇批量掛接里程信息構(gòu)件模型，點擊“批處理”，即可完成關(guān)聯(lián)，如圖5所示。

圖5 自動給隧道管片賦值里程信息

3.2 建筑結(jié)構(gòu)實現(xiàn)屬性信息關(guān)聯(lián)

在建筑結(jié)構(gòu)中，某些特定尺寸構(gòu)件對應特定屬性信息?？捎镁幊虒崿F(xiàn)特定尺寸信息BIM構(gòu)件自動搜索，然后根據(jù)尺寸信息批量關(guān)聯(lián)對應的屬性信息。如設定橫梁截面長寬，點擊"選擇橫梁"按鈕，即可選擇特定種類橫梁，然后再批量關(guān)聯(lián)屬性(見圖6)。

圖6 特定尺寸模型屬性批量關(guān)聯(lián)

3.3 屬性刪除

選中要刪除屬性的鐵路構(gòu)件，點擊“刪除屬性"按鈕，即可清除構(gòu)件中與構(gòu)件關(guān)聯(lián)的非幾何屬性。

4 基于非幾何屬性管理構(gòu)件

鐵路BIM模型中都存在一個IFD屬性。同時，Bentley軟件可提供一種基于NameGroup技術(shù)的分組管理機制。因此，可以通過編程實現(xiàn)基于IFD屬性對鐵路構(gòu)件的自動分組，同理，還可以根據(jù)構(gòu)件模型中的”段落里程信息”屬性，自動將鐵路構(gòu)件按設計單元分段，如圖7所示。

圖7 構(gòu)件樹結(jié)構(gòu)

構(gòu)件樹形成之后，可以基于樹對構(gòu)件進行定位、單獨顯示以及批量顯示等操作。這為設計人員以及檢查人員提供了便捷的方法，通過此樹可以快速定位構(gòu)件及進行查看、修改等操作。

5 結(jié)論

BIM作為集成了多種數(shù)據(jù)的虛擬三維模型，不僅僅是幾何信息的共享，而且包含大量的非幾何屬性[15]，可在鐵路施工、管理以及后期運營維護發(fā)揮重要作用。因此，在鐵路設計階段，將各種構(gòu)件的非幾何屬性以及唯一的IFD編碼掛接到三維設計模型上是非常重要的。其次，基于非幾何屬性IFD編碼建立一棵構(gòu)件樹有助于直觀查看和分析。

本課題研究基于Bentley軟件的EC Schema技術(shù)組織表達鐵路BIM模型非幾何屬性，并利用平臺提供SDK，采用NativeCode MDL編程技術(shù)實現(xiàn)鐵路BIM幾何模型與非幾何屬性的掛接、刪除，包含批量處理等工程，且可實現(xiàn)IFD對構(gòu)件的統(tǒng)一管理，為鐵路BIM屬性信息在工程項目全生命周期(前期規(guī)劃、設計到施工過程、后期運營維護)流轉(zhuǎn)打下了堅實基礎(chǔ)。