■ 姚峰峰 高歌 李華良 楊緒坤

鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)鐵路行業(yè)內(nèi)的BIM標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用，因此滿足鐵路行業(yè)內(nèi)的BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)是聯(lián)盟的一項重要工作內(nèi)容。在對KML、CityGML、IFC等不同格式研究的基礎(chǔ)上，提出不同的擴(kuò)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(biāo)進(jìn)行比選；最后提出針對鐵路BIM的推薦擴(kuò)展方案，并給出基于該方案進(jìn)行鐵路BIM擴(kuò)展的方法。

BIM標(biāo)準(zhǔn)；CityGML標(biāo)準(zhǔn)；IFC標(biāo)準(zhǔn)；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(guān)方（包括建設(shè)方、設(shè)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(hù)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和工具來支撐這一目標(biāo)的實現(xiàn)。目前，在國內(nèi)外的建筑市場上，進(jìn)行BIM應(yīng)用的軟件種類繁多（包括建筑設(shè)計、造價計量、設(shè)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(shù)發(fā)展中，引進(jìn)BIM技術(shù)在改進(jìn)設(shè)計、建造技術(shù)手段方面做了大量研究，并在相當(dāng)數(shù)量的工程項目中進(jìn)行應(yīng)用，取得了一定成果。為了高效有序推進(jìn)BIM在鐵路行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，中國鐵路BIM聯(lián)盟啟動了鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，并于2014年初完成了中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)》（1．0版），同時鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的編制工作也在有序開展中。

以編制鐵路BIM聯(lián)盟內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，在中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)框架指導(dǎo)下，參照建筑領(lǐng)域BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)和GIS領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，展開鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。在充分調(diào)研相關(guān)可行性方案的基礎(chǔ)上，結(jié)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(kuò)展方案，為鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

1 建筑領(lǐng)域BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)簡介

數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)目標(biāo)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(yīng)用到同一個項目中，保證不同系統(tǒng)之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的共享和交互。20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)（STEP）——ISO-10303標(biāo)準(zhǔn)系列[2]。該標(biāo)準(zhǔn)系列包含了EXPRESS語言標(biāo)準(zhǔn)，以及應(yīng)用該語言來描述的模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

建筑BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)是在STEP標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提供一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和交換標(biāo)準(zhǔn)，不同應(yīng)用軟件設(shè)計基于此標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口就可以實現(xiàn)與其他應(yīng)用軟件的信息交互。建筑BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)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(biāo)開發(fā)了IFC（Industry Foundation Class）[3]。IFC標(biāo)準(zhǔn)是一個基于面向?qū)ο蠓椒ǖ臄?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(gòu)件），也可以表示抽象的概念（如空間、組織、關(guān)系和過程等）[4]。IFC模型體系結(jié)構(gòu)由4個層次構(gòu)成，從下到上分別是資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、交互層（Interoperability Layer）、領(lǐng)域?qū)樱―omain 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(biāo)準(zhǔn)由兩部分配合進(jìn)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(guān)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(guān)系。

2 鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展方案

鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范鐵路信息描述與存儲的語言，以結(jié)構(gòu)化的方式定義鐵路實體及其屬性。在大量參考國內(nèi)外研究成果基礎(chǔ)上，提出以下幾種鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系，并能承載工程項目在不同階段所需表達(dá)的信息。參照建筑領(lǐng)域BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，根據(jù)鐵路工程的特點，在STEP標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，完全自定義出一套我國鐵路的BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。該方案參照建筑領(lǐng)域IFC標(biāo)準(zhǔn)的編制歷程，基于制造業(yè)的STEP標(biāo)準(zhǔn)對鐵路領(lǐng)域進(jìn)行體系性的重新定義。

（2）方案二：基于KML[5]擴(kuò)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(hù)的國際標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)實體對象。以橋為例對KML擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[7]，也是OGC指定的基于XML的地理信息編碼標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)應(yīng)用分析為目的，在GML基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到，擴(kuò)展模塊定義了城市中的大部分地理對象及對象間的關(guān)系，充分考慮了模型的幾何、拓?fù)?、語義和外觀屬性。CityGML作為一個“開放的”標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)展等機制創(chuàng)建自己的應(yīng)用Schema，這種內(nèi)建的底層擴(kuò)展機制被稱為ADE，其擴(kuò)展結(jié)果可用于數(shù)據(jù)共享[8]?；贑ityGML提供的ADE機制擴(kuò)展鐵路實體，分別增加特征類、屬性、關(guān)系，擴(kuò)展的層次結(jié)構(gòu)見圖3。以橋為例，基于CityGML的ADE擴(kuò)展后的Schema見圖4。

（4）方案四：基于IFC擴(kuò)展鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲格式。在最新版IFC標(biāo)準(zhǔn)IFC4中，定義的實體類型數(shù)據(jù)已增加到812個[9]。雖然IFC標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行擴(kuò)展的方案，并進(jìn)行了實踐。針對土木行業(yè)的擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展[10]；韓國學(xué)者S．-HLEE[11]對IFC for Road模塊進(jìn)行擴(kuò)展研究，并基于AutoCAD平臺對道路組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行3-D建模；法國學(xué)者Eric Lebegue[12]對IFC Bridge模塊進(jìn)行擴(kuò)展研究，提出橋梁空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的擴(kuò)展方案。

基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的鐵路BIM擴(kuò)展方案是在土木行業(yè)擴(kuò)展研究成果的基礎(chǔ)上，采用最新研究成果IFC Alignment表達(dá)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(jìn)行擴(kuò)展定義，專業(yè)內(nèi)實體定義采用空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)件兩部分分別進(jìn)行擴(kuò)展的方式。鐵路工程的專業(yè)擴(kuò)展層次見圖5。

按照IFC的體系結(jié)構(gòu)，從構(gòu)件和空間2個維度進(jìn)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(gòu)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(shù)方案，根據(jù)鐵路工程的線狀空間分布特性，鐵路工程關(guān)注的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要有：語義信息、拓?fù)潢P(guān)系、空間表達(dá)、細(xì)節(jié)表示、被廠商支持容易性。4種方案的相關(guān)指標(biāo)對比見表1。

根據(jù)比選結(jié)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(nèi)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(dá)、拓?fù)潢P(guān)系表示等方面比較欠缺；方案三是GIS領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)注的是地理空間領(lǐng)域大尺度對象，對于建筑內(nèi)部細(xì)節(jié)的表示相對欠缺，而這方面又是BIM領(lǐng)域主要的表達(dá)內(nèi)容；方案四是分別對鐵路各專業(yè)進(jìn)行擴(kuò)展，關(guān)注于工程細(xì)節(jié)，目前也已經(jīng)被國內(nèi)外主流軟件商所支持。

綜合以上各種方案的比較結(jié)果，方案一、方案二基本無法滿足鐵路工程數(shù)據(jù)表達(dá)的要求，方案三、方案四則分別關(guān)注于大尺度地理空間對象、小尺度單點工程細(xì)節(jié)表達(dá)上。而鐵路工程則是這2個方案所關(guān)注對象的綜合。

3 鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展技術(shù)路線

在對上述擴(kuò)展方案的對比分析和現(xiàn)有主流BIM軟件的調(diào)研基礎(chǔ)上，推薦基于IFC標(biāo)準(zhǔn)與CityGML標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合的擴(kuò)展方案作為實現(xiàn)鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的推薦方案。在本推薦方案中，IFC擴(kuò)展關(guān)注設(shè)計、建造過程中的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)表達(dá)，CityGML擴(kuò)展關(guān)注地理空間尺度下的數(shù)據(jù)表達(dá)，最終在軟件平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。即從對象的領(lǐng)域劃分為GIS地理空間和單點工程2個范圍，分別對不同領(lǐng)域內(nèi)的實體在IFC標(biāo)準(zhǔn)和CityGML標(biāo)準(zhǔn)的體系下進(jìn)行擴(kuò)展，從而實現(xiàn)對鐵路實體的表達(dá)，擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)見圖8。針對CityGML與IFC的擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展。BIM技術(shù)與GIS技術(shù)的融合是需要建立三維模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，而不是數(shù)據(jù)層面的融合[13]。同時，IFC標(biāo)準(zhǔn)與CityGML標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行對象映射時要考慮2個方面：語義信息轉(zhuǎn)換和地理信息轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)展實現(xiàn)，能最大化利用現(xiàn)有國內(nèi)外研究成果，也易于被BIM軟件支持。

4 結(jié)論與展望

提出4種備選鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)與CityGML標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合的擴(kuò)展方案作為實現(xiàn)鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的推薦方案。鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)編制工作是一項復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，需要更多的研究人員進(jìn)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(kuò)展方案，廣泛咨詢不同領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，根?jù)專家意見完善方案；

（2）與國內(nèi)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(yīng)用到工程實踐中，才是驗證方案正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)；

（3）在鐵路工程多個專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)開展具體的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，分別在IFC標(biāo)準(zhǔn)框架和CityGML標(biāo)準(zhǔn)框架下定義鐵路工程實體對象。

[1] 李華良，楊緒坤，王長進(jìn)，等．中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究[J]．鐵路技術(shù)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(xué)，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(shè)計院集團(tuán)有限公司，工程師，天津，300142

高 歌：清華大學(xué)軟件學(xué)院，博士研究生，北京，100084

李華良：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)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(shè)計院集團(tuán)有限公司，高級工程師，天津，300251

責(zé)任編輯 高紅義

U2；TU71；TP39

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1672-061X（2015）06-0013-05