基于3D EXPERIENCE平臺的鐵路設(shè)備BIM模型輕量化技術(shù)研究

韓亮亮

摘? 要：考慮鐵路工程具有專業(yè)多、線路長、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，導(dǎo)致鐵路BIM項目模型包含大量的幾何和屬性信息，部件數(shù)量和模型體量巨大，造成項目模型不僅開啟耗時長，瀏覽查看也不流暢，嚴重影響項目模型的匯報展示效果以及向施工、運維方向的深化應(yīng)用。而鐵路設(shè)備模型作為鐵路BIM項目模型的重要組成部分，其部件數(shù)量和模型體量均占比很高。因此，文章基于主流BIM軟件達索3D EXPERIENCE平臺，在滿足模型交付精度標準的前提下，提出了鐵路設(shè)備模型的六種輕量化處理技術(shù)手段，并從部件數(shù)量和模型體量兩個方面對其輕量化效果進行了綜合對比分析。研究成果可大幅提升BIM項目模型的瀏覽流暢度，豐富模型交付手段，并成功應(yīng)用到了鹽通鐵路南通動車所BIM項目中，取得了良好效果，對促進鐵路行業(yè)BIM技術(shù)的快速發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鐵路工程;BIM技術(shù);3D EXPERIENCE平臺;設(shè)備模型;輕量化

中圖分類號：U279? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）05-0019-04

Abstract： Considering the characteristics of railway engineering with many specialties， long lines and complicated topographic and geological structure， as a result， the railway BIM project model contains a large amount of geometric and attribute information， and the number and the size of the project model are huge， resulting in the project model not only takes a long time to open， but also can not be browsed smoothly， which seriously affects the display effect and its further application to construction， operation and maintenance. Howerver， as an important part of the railway BIM project model， the number and the size of the railway equipment model account for a high proportion. Therefore， in this study， based on the mainstream BIM software of Dassault 3D EXPERIENCE platform， under the premise of meeting the model delivery accuracy standard， six lightweight techniques for the railway equipment model are put forward， and the lightweight effects are comprehensively compared and analyzed in light of two aspects of the number and the size of the model. Research results can greatly improve the browsing fluency of the BIM project model， and can enrich the means of the model delivery， while they are applied to the BIM project of Nantong EMU Deport of Yantong Railway successfully， and good results have been achieved. It is of great significance to promote the rapid development of BIM technology in railway industry.

Keywords： railway engineering; BIM technology; 3D EXPERIENCE platform; equipment model; lightweight

引言

鐵路工程具有專業(yè)多、線路長、體量大、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。鐵路工程大體量的三維幾何模型加上海量的屬性信息使得BIM模型數(shù)據(jù)量十分龐大，對計算機圖形處理能力提出了嚴峻考驗。不僅導(dǎo)致項目瀏覽查看不流暢，也制約了向施工和運維方向的深化應(yīng)用。現(xiàn)階段處理這種情況的通用做法是借助第三方輕量化平臺對模型進行輕量化處理[1-4]，進而實現(xiàn)模型的流暢查看。但其主要側(cè)重于土建行業(yè)某幾個專業(yè)，應(yīng)用的工程項目往往也是工點級，現(xiàn)階段還沒有提出針對鐵路行業(yè)全專業(yè)、多標段的BIM輕量化技術(shù)平臺，尤其是機電設(shè)備專業(yè)，其數(shù)據(jù)源格式繁多，借助既有軟件和插件工具處理，模型會出現(xiàn)不同程度的幾何失真、配色丟失及信息損失。另一方面，目前的輕量化技術(shù)對輕量化后的BIM模型的再處理技術(shù)沒有深入涉及，例如模型顯示優(yōu)化設(shè)置、管線間距精確測量、構(gòu)筑物精確標高查看、再次貼圖渲染等。因此，現(xiàn)階段開展BIM模型本身的輕量化處理技術(shù)研究十分必要。本文基于主流BIM軟件達索3D EXPERIENCE平臺，在滿足鐵路工程信息模型交付精度標準（1.0版）[5]前提下，針對鐵路設(shè)備模型，提出了六種輕量化技術(shù)手段，以期實現(xiàn)大體量BIM模型的流暢瀏覽，降低其對計算機軟硬件的性能要求，節(jié)約BIM技術(shù)的應(yīng)用成本。

1 BIM模型輕量化處理技術(shù)

1.1 部件刪減

大型鐵路設(shè)備模型往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量十分龐大，導(dǎo)致項目模型瀏覽查看不流暢。而這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型設(shè)備中的大量精細部件往往不涉及該設(shè)備與周圍環(huán)境的接口關(guān)系，也不影響設(shè)備的空間占位，只是用于表達設(shè)備自身部件間的裝配制造關(guān)系。顯然，這些不必要的精細部件屬于輕量化的范疇。

例如完整的室外洗車機模型，包含4224個部件，模型體量為129.495MB，如圖1所示。可以看到其包括大量的螺栓、螺母、刷毛等精細部件，如前所述，這些精細部件屬于輕量化范疇。刪減處理后，其部件數(shù)量減少為1652個，模型體量減小為79.856MB，輕量化效果顯著。

顯然，設(shè)備模型結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，零部件數(shù)量越多，輕量化效果也越明顯。

1.2 部件合并

有些鐵路設(shè)備模型可能模型體量不大但個別部件的實例化數(shù)量龐大，同樣導(dǎo)致項目模型瀏覽查看不流暢。針對這種情況可采用部件合并方式來減少實例化部件數(shù)量，從而實現(xiàn)設(shè)備模型的輕量化。

例如動車所檢查庫內(nèi)的三層作業(yè)平臺模型，包含扶手欄桿9m單體模型（如圖2所示）288處，每個扶手欄桿9m單體模型又包括15個橫向桿，整個模型橫向桿的實例化數(shù)量達到4320個，數(shù)量十分龐大。采用部件合并輕量化技術(shù)手段將扶手欄桿9m單體模型中的15個橫向桿合并為1個，總部件數(shù)量也由21個減為7個，模型體量也由302KB減小為247KB。雖然模型體量減小并不顯著，但整個三層作業(yè)平臺模型部件數(shù)量減少了4032個。

1.3 部件減面

某些鐵路設(shè)備模型雖然部件數(shù)量不多，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含大量曲面、倒角、孔洞等，導(dǎo)致設(shè)備模型體量大，而這些復(fù)雜異形面多用于描述設(shè)備部件本身的精細結(jié)構(gòu)，不涉及設(shè)備與設(shè)備以及設(shè)備與周圍環(huán)境之間的接口關(guān)系（即空間布局）。因此，針對這類設(shè)備可采用部件減面的手段進行輕量化處理。

例如動車所檢查庫內(nèi)的綜合支吊架模型，其完整的9m單體模型包括梁夾、雙拼槽鋼、吊架、牛腿等復(fù)雜異形面連接件，其中吊架又包括槽鋼、連接件等11個復(fù)雜異形構(gòu)件，部件總數(shù)量為106個，如圖3所示。采用部件減面的輕量化技術(shù)手段，將雙拼槽鋼、吊架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化為規(guī)則矩形體結(jié)構(gòu)，去除梁夾及多種復(fù)雜連接件，將各部件直接拼接，而牛腿涉及綜合支吊架與立柱的接口連接，不予簡化。此外，在此基礎(chǔ)上融合部件合并輕量化技術(shù)手段，將106個部件合并為1個部件，并進行參數(shù)化驅(qū)動以方便尺寸調(diào)整，輕量化后的模型體量由4.037MB減小為905KB，如圖4所示。

1.4 Engineering IP Control輕量化模塊

對于結(jié)構(gòu)尺寸相對固定，在BIM設(shè)計過程中無需進行設(shè)備尺寸調(diào)整的鐵路設(shè)備模型，可利用軟件中的Engineering IP Control模塊對模型進行輕量化處理。包括產(chǎn)品過濾、產(chǎn)品過濾和合并以及產(chǎn)品簡化和合并三個命令。

例如動車所臨修庫內(nèi)的雙軸不落輪鏇車床模型，其初始模型體量為246.806MB，部件數(shù)量為1072個，如圖5所示。

圖5 輕量化前的雙軸不落輪鏇車床

產(chǎn)品過濾命令可將產(chǎn)品過濾為新產(chǎn)品，執(zhí)行此命令后的雙軸不落輪鏇車床模型如圖6所示，模型體量為157.188MB。通過圖5和圖6可以看出，該輕量化命令可將原始模型結(jié)構(gòu)樹下不同部件的實體、面體、線體幾何特征均保留，并保持原結(jié)構(gòu)樹結(jié)構(gòu)和部件數(shù)量均不變。

產(chǎn)品過濾和合并命令可將產(chǎn)品過濾為包含一個展示的產(chǎn)品。執(zhí)行此命令后的雙軸不落輪鏇車床模型如圖7所示，模型體量為160.519MB。通過圖5和圖7可以看出，該輕量化命令可將原始模型結(jié)構(gòu)樹下不同部件的實體幾何特征輕量化一個實體，而面體和線體幾何特征被直接被過濾掉。此外，還可以看出部件數(shù)量沒有變化。

產(chǎn)品簡化和合并命令可以自動簡化產(chǎn)品。該命令功能選項中的選擇精確度用于定義輕量化后的模型精確度。執(zhí)行此命令后的雙軸不落輪鏇車床模型如圖8所示，對應(yīng)低、中等、高和非常高精確度的模型體量差別不大，分別為14.093MB、14.096MB、14.096MB和14.096MB，且外形尺寸基本保持一致。因此，精確度等級對模型體量和模型精確度影響很小，一般選擇中等或高精確度即可。此外，通過圖5和圖8可以看出，原始模型結(jié)構(gòu)樹下的所有幾何圖形被輕量化為一個可視化外殼，并保留了配色屬性。

1.5 導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML

模型經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化形成穩(wěn)定方案后，可借助導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML方式進行整個或部分項目模型的輕量化處理。模型體量方面，其輕量化效果上與1.4節(jié)提到的產(chǎn)品簡化和合并命令基本相同，部件數(shù)量方面，輕量化前后的部件數(shù)量保持不變。

以動車所檢查庫內(nèi)動車專業(yè)BIM設(shè)計成果為例，其原始模型體量為263.063MB，部件數(shù)量為76439個，如圖9所示。采用導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML輕量化技術(shù)手段得到的輕量后的模型體量為35.401MB，部件數(shù)量仍為76439。可見模型體量大幅減小，而部件數(shù)量沒有變化。

1.6 分區(qū)域分專業(yè)建模

鐵路行業(yè)BIM項目往往包括多個標段，每個標段又包括多個工點，模型體量很大，這也是與建筑行業(yè)BIM項目的最大不同之處。鐵路BIM設(shè)計過程中，如果將所有模型建于一個節(jié)點下，查看任一標段或工點的BIM設(shè)計成果，均需打開整個項目模型，這不僅導(dǎo)致項目開啟耗時長，而且瀏覽查看也不流暢。針對這種情況，可采用分區(qū)域分專業(yè)建模的輕量化策略。

以南通動車所BIM項目為例，將其拆分為室內(nèi)和室外兩個部分，室內(nèi)部分按照生產(chǎn)生活房屋（如檢查庫、臨修鏇修庫、動態(tài)檢測棚等）再進行拆分，然后在拆分的各子部分下掛載相關(guān)專業(yè)節(jié)點，室外部分直接掛載相關(guān)專業(yè)節(jié)點，各專業(yè)在相應(yīng)節(jié)點下開展BIM設(shè)計工作。

按照此方式建模，在項目完成后，便可根據(jù)需求單獨打開不同區(qū)域、不同專業(yè)的模型。此外，在項目模型交付階段，也可實現(xiàn)分區(qū)域、分專業(yè)模型交付，豐富模型交付手段。

2 輕量化效果分析

采用輕量化后的模型體量和輕量化前的模型體量的比值（減量比）以及輕量化后的部件數(shù)量和輕量化前的部件數(shù)量的比值（減數(shù)比）來綜合描述部件刪減、部件合并、部件減面、Engineering IP Control輕量化模塊和導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML五種輕量化技術(shù)手段的輕量化效果。

圖10給出了輕量化效果（減量比和減數(shù)比）與輕量化技術(shù)手段之間的關(guān)系。從圖中可以看出，（1）部件刪減和部件減面輕量化技術(shù)手段的減量比和減數(shù)均比較小，說明其輕量化效果均比較顯著，但應(yīng)注意到其很大程度上取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，一般設(shè)備結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，輕量化效果越明顯;（2）部件合并輕量化技術(shù)手段減量比最高（0.818），而其減數(shù)比較?。?.333），說明該技術(shù)手段在輕量化效果上對模型體量影響較小，而對部件數(shù)量影響較大;（3）Engineering IP Control模塊下產(chǎn)品過濾命令的減量比與產(chǎn)品過濾和合并命令的減量比基本相同（約為0.65），且其減數(shù)比均為1，因此兩者輕量化效果基本一致;（4）不論是減量比還是減數(shù)比，Engineering IP Control模塊下產(chǎn)品簡化和合并命令相較于其它輕量化技術(shù)手段均為最?。p量比為0.057，減數(shù)比為0.001），輕量化效果最為顯著，且精確度等級對減量比和減數(shù)比均幾乎沒有影響，但其一般僅適用于輕量化處理結(jié)構(gòu)尺寸相對固定的鐵路設(shè)備模型;（5）導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML輕量化技術(shù)手段減量比為0.1346略高于Engineering IP Control模塊下的產(chǎn)品簡化和合并命令，是因為部分模型（三層作業(yè)平臺、綜合支吊架、移動式輪輞輪輻探傷設(shè)備等）在BIM設(shè)計過程中已經(jīng)采用了上述部分輕量化技術(shù)手段，其減數(shù)比為1，說明部件數(shù)量沒有減少。

注意到，本節(jié)沒有針對分區(qū)域分專業(yè)建模的輕量化技術(shù)手段進行輕量化效果量化分析，是因為該輕量化技術(shù)手段屬于對整個項目統(tǒng)籌管理的輕量化策略。

3 結(jié)束語

本文主要針對鐵路設(shè)備模型，在滿足交付精度標準要求前提下，基于3D EXPERIENCE平臺開展了BIM模型輕量化技術(shù)研究，提出了六種輕量化技術(shù)手段，并對其輕量化效果進行了綜合分析，在南通動車所BIM項目中得到了應(yīng)用實踐，取得了良好效果。得到了如下主要結(jié)論：

（1）部件刪減、部件合并和部件減面三種輕量化技術(shù)手段可有效減小設(shè)備模型體量，減少設(shè)備模型部件數(shù)量和構(gòu)件面數(shù)，有助于提升項目模型的瀏覽流暢度，但需在交付精度標準要求和輕量化效果之間做權(quán)衡，一般要清晰表達設(shè)備與設(shè)備以及設(shè)備與周圍環(huán)境之間的接口關(guān)系，保證各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計準確度和精度。

（2）Engineering IP Control輕量化模塊主要針對結(jié)構(gòu)尺寸相對固定，在BIM設(shè)計過程中無需進行尺寸調(diào)整的設(shè)備模型進行輕量化處理，尤以Engineering IP Control輕量化模塊下的產(chǎn)品簡化和合并命令的輕量化效果最為顯著。

（3）導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML輕量化技術(shù)手段主要針對經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后的整個或部分項目模型進行輕量化處理，輕量化效果顯著。

（4）分區(qū)域分專業(yè)建模的輕量化技術(shù)手段基于對整個鐵路BIM項目的統(tǒng)籌管理，可現(xiàn)實不同區(qū)域、不同專業(yè)模型的快速瀏覽查看以及在項目模型交付階段的分區(qū)域、分專業(yè)模型交付，且項目模型體量越大、部件數(shù)量越多，輕量化效果越顯著。

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