孟煒

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 機(jī)械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津 300308）

0 引言

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和普及，多階段、集成化應(yīng)用已經(jīng)成為目前研究和發(fā)展方向。動車段所是鐵路機(jī)車車輛運(yùn)營、整備、檢修區(qū)域，建筑體量大、涉及專業(yè)多、專業(yè)間接口復(fù)雜且運(yùn)營期工藝流程復(fù)雜，因此開展基于BIM技術(shù)的動車段所全生命周期管理是有必要的。全生命周期管理通常包含規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)維4個階段：規(guī)劃、設(shè)計階段通常采用Dassault平臺、Autodesk平臺和Bentley平臺進(jìn)行設(shè)計［1-2］；施工階段通常采用Navisworks、3D Max、Fuzor［3］等軟件進(jìn)行施工交底、施工仿真或效果制作；運(yùn)維階段通常以前期成果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行自主平臺的研發(fā)。

為保證數(shù)據(jù)的完整性，一方面可自主開發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式平臺，但這種方式通常費(fèi)時費(fèi)力，兼容性差，且很難滿足多種文件的交換需求；另一方面可以采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式，但通常面臨著模型幾何信息與非幾何信息丟失的問題［4-5］。如何在目前統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺開展全生命周期研究難以實(shí)現(xiàn)的情況下，選擇最佳數(shù)據(jù)傳遞方案及輕量化技術(shù)路線，是研究的重點(diǎn)。以主流BIM軟件3D EXPERIENCE（CATIA V6，簡稱3DE）作為主要設(shè)計源頭，研究不同設(shè)計階段數(shù)據(jù)傳遞的優(yōu)選協(xié)同格式及輕量化路線。

1 數(shù)據(jù)傳遞方式研究

1.1 規(guī)劃、設(shè)計階段

動車段所涉及到的專業(yè)眾多，包含測繪、站場、軌道、橋梁、牽引變、接觸網(wǎng)、電力、通信、信息、信號、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、機(jī)務(wù)、車輛等專業(yè)，其中建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)通常采用Revit軟件進(jìn)行模型建立，利用IFC文件將設(shè)計成果傳遞到3DE平臺中；機(jī)務(wù)、車輛等專業(yè)屬于工藝設(shè)備專業(yè)，設(shè)備模型通常由廠家提供，涉及種類及類型繁多，如：SolidWorks、Catia、Inventor等。

由于不同軟件建模、表達(dá)及數(shù)據(jù)存儲存在較大差異，且很多機(jī)械軟件對IFC類型文件支持不夠好，故常用的數(shù)據(jù)傳遞格式有STEP、IGS等，STEP格式相較于IGS格式，不僅可以保存更多的文件信息，同時對大文件的支撐效果也較好。所以對動車所設(shè)備模型的數(shù)據(jù)傳遞，通常采用STEP格式導(dǎo)入到Dassault平臺中，規(guī)劃設(shè)計階段優(yōu)選協(xié)同技術(shù)路線見圖1。

圖1 規(guī)劃設(shè)計階段優(yōu)選協(xié)同技術(shù)路線

1.2 施工階段

目前施工階段比較成熟的應(yīng)用主要有：施工組織模擬、工藝工法模擬、工程算量、施工進(jìn)度控制、安全管理等［6］。在其中BIM數(shù)據(jù)交互IFC格式是最好的解決方案，但是由于Dassault平臺本身對導(dǎo)出IFC文件功能不夠完善，部分?jǐn)?shù)據(jù)存在配色丟失、模型變形等問題。所以對于這部分模型以3DXML格式導(dǎo)出，以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式導(dǎo)入到施工平臺中，有時為了更好地保存模型的配色及屬性信息，還會將部分模型以IFC、STEP等格式文件導(dǎo)出（見圖2）。

圖2 施工階段優(yōu)選協(xié)同技術(shù)路線

1.3 運(yùn)維階段

目前運(yùn)維平臺的研究通常根據(jù)需求有針對性的進(jìn)行開發(fā)。由于動車所的模型體量較大，以超圖的平臺為例，Supermap10版本以后通?？梢灾苯哟蜷_Dassault平臺的3DXML數(shù)據(jù)，但當(dāng)模型體量較大時，通常會存在模型打開失敗的情況。通過自主研發(fā)格式轉(zhuǎn)換插件，將3DXML文件轉(zhuǎn)換為UDB文件，進(jìn)一步導(dǎo)入到GIS平臺中進(jìn)行處理，目前已成功將BIM模型轉(zhuǎn)入到中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司自主開發(fā)的RIM平臺和超圖的GIS平臺，運(yùn)維平臺在超圖平臺基礎(chǔ)上利用C#進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)（見圖3）。

圖3 運(yùn)維階段優(yōu)選協(xié)同技術(shù)路線

1.4 不同設(shè)計階段數(shù)據(jù)傳遞的優(yōu)選協(xié)同格式

結(jié)合上述研究，總結(jié)出不同設(shè)計階段數(shù)據(jù)傳遞的優(yōu)選協(xié)同格式（見圖4），選擇合適的數(shù)據(jù)傳遞方式能夠很好的保存模型的幾何與非幾何信息，為現(xiàn)階段BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)造良好的條件。當(dāng)然，未來統(tǒng)一協(xié)同設(shè)計環(huán)境，各軟件廠商完善IFC相關(guān)功能，才是解決數(shù)據(jù)傳遞問題的根本途徑。

圖4 全生命周期數(shù)據(jù)傳遞優(yōu)選協(xié)同技術(shù)路線

2 輕量化方式研究

動車段所BIM模型體量巨大，相關(guān)BIM數(shù)據(jù)對平臺的承載能力要求非常高，故數(shù)據(jù)在傳遞過程中需要進(jìn)行輕量化處理。數(shù)據(jù)傳遞的核心是模型的幾何信息和模型信息的保留。由于使用場景和需求存在差異，不同設(shè)計階段對模型精度及信息的要求并不相同，施工階段對模型幾何信息的要求較高，而運(yùn)維交付更看重模型的非幾何信息，在保留模型幾何與非幾何信息基礎(chǔ)上，輕量化是其中研究的重點(diǎn)。模型輕量化主要有2種方式：

一是對幾何本身處理方式，減少模型的體量（如結(jié)構(gòu)簡化、減少模型的多邊形數(shù)量等方式）。結(jié)構(gòu)簡化通常是指針對特定的需求，對模型中體積較大部分進(jìn)行簡化和修改，如3層作業(yè)平臺踏板密集的網(wǎng)格，安全連鎖音柱設(shè)備密集的網(wǎng)格等；減少模型多邊形數(shù)量是指采用技術(shù)手段降低模型的精細(xì)程度，這類方式可以從根本上減少模型的體量，達(dá)到真正意義上的輕量化，但過多的處理會降低模型原有的設(shè)計精度，且人工操作費(fèi)時費(fèi)力。

二是通過技術(shù)處理來實(shí)現(xiàn)的方式，如實(shí)例化技術(shù)和LOD技術(shù)。實(shí)例化技術(shù)是指模型在渲染的時候，對于同一類型的模型（如檢查庫內(nèi)多個LU、檢查庫內(nèi)多個安全門）僅對其中的一個模型進(jìn)行處理，對于其他相同實(shí)例采用坐標(biāo)矩陣的記錄方式，根據(jù)矩陣關(guān)系進(jìn)行映射展示；LOD技術(shù)是指對模型根據(jù)距離進(jìn)行處理，在距離模型較遠(yuǎn)的時候，模型的細(xì)節(jié)層次顯示的比較少，相應(yīng)加載的模型多邊形數(shù)量也較少，當(dāng)距離模型較近的時候，模型的細(xì)節(jié)層次才會被加載出來，從而提高模型的加載速度。結(jié)構(gòu)簡化、減少模型的多邊形數(shù)、實(shí)例化處理和LOD技術(shù)，多種技術(shù)方式結(jié)合使用往往會達(dá)到很好的輕量化效果［7-8］。

2.1 結(jié)構(gòu)簡化

BIM模型在施工和運(yùn)維階段交付的過程中，部分模型所包含的細(xì)節(jié)層次很多，而這些細(xì)節(jié)在施工運(yùn)維階段關(guān)注度不高，因此這些特征可以進(jìn)行刪除簡化，結(jié)構(gòu)簡化的本質(zhì)是減少模型的多邊形個數(shù)。以3層作業(yè)平臺、LU設(shè)備、綜合支吊架、不落輪旋床、軌道橋、安全連鎖音柱設(shè)備、檢查庫壓縮空氣管線、立體倉庫等模型為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化處理，研究其結(jié)構(gòu)簡化前后體量變化的情況（見圖5）。

圖5 結(jié)構(gòu)簡化前后模型文件體量變化情況

可以看出，通過結(jié)構(gòu)簡化處理，模型的體量均有了顯著的降低，其中3層作業(yè)平臺體量大，屬于重復(fù)度較高的結(jié)構(gòu)，通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的簡化和修改，模型體量得到了較好的降低；LU和不落輪旋床屬于工藝設(shè)備，通常設(shè)備廠家提供的是較為完整的模型，所以在施工和運(yùn)維階段，對模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化會大幅減小模型體量；音柱雖然屬于小設(shè)備，但也由于初期建模過分追求細(xì)節(jié)，導(dǎo)致模型在轉(zhuǎn)為其他格式包含大量的冗余信息。通過對這種結(jié)構(gòu)的簡化，便很有效的將模型的體量降下來，而模型的外觀基本上不會發(fā)生變化（見圖6）。對于管線等非設(shè)備相關(guān)模型，一般不需要對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

圖6 結(jié)構(gòu)簡化前（左）、簡化后（右）模型外輪廓

2.2 實(shí)例化處理

實(shí)例化處理是指對相同或者相似的幾何零件進(jìn)行檢測，并將重復(fù)的模型轉(zhuǎn)化為實(shí)例。動車段所內(nèi)有大量的重復(fù)設(shè)備，通過實(shí)例化處理可以極大減小模型體量，實(shí)例化技術(shù)僅改變了儲存數(shù)據(jù)的方式，并未改變模型本身。達(dá)索系統(tǒng)儲存文件格式為3DXML，所以達(dá)索系統(tǒng)在儲存文件的過程中就采用了實(shí)例化的技術(shù)。但由于建模過程中存在建模方式不規(guī)范、模型反復(fù)修改的問題，所以會導(dǎo)致一部分的實(shí)例關(guān)系發(fā)生丟失和破壞，且不同軟件的實(shí)例化算法略有不同，所以可通過其他軟件對其實(shí)例關(guān)系進(jìn)行修復(fù)和重建。

利用實(shí)例化技術(shù)對3層作業(yè)平臺、LU設(shè)備、綜合支吊架、不落輪旋床、軌道橋、安全連鎖音柱設(shè)備、檢查庫壓縮空氣管線、立體倉庫等模型進(jìn)行實(shí)例化處理，得到結(jié)果見圖7?？梢钥闯觯ㄟ^實(shí)例化處理，對于3DXML、UDB和緩存文件，其減小的比例較大，原因是由于模型在建立和修改的時候破壞了原有的實(shí)例化關(guān)系，導(dǎo)致再次實(shí)例化會降低模型的數(shù)據(jù)量。而對于3DS、NWD等文件，其大小基本不會發(fā)生變化，這是由于3DS和NWD文件自有的壓縮或儲存算法導(dǎo)致的。

圖7 實(shí)例化前后模型文件體量變化情況

2.3 多邊形簡化處理

模型多邊形的數(shù)量是影響渲染速度的重要因素，通過減少模型中多邊形的數(shù)量，可以減小數(shù)據(jù)的大小，提高模型的加載速度。但過度減少多邊形數(shù)量會降低模型的精度和質(zhì)量，特別是視覺效果。通過多邊形簡化對3層作業(yè)平臺、LU設(shè)備、綜合支吊架、不落輪旋床、軌道橋、安全連鎖音柱設(shè)備、檢查庫壓縮空氣管線、立體倉庫等模型進(jìn)行多邊形簡化處理，得到結(jié)果見圖8。

圖8 多邊形處理前后模型文件體量變化情況

可以看出，通過多邊形簡化處理，模型的體量發(fā)生了較大變化，這是減少模型體量和提高渲染速度最根本的方式。

2.4 結(jié)果對比

通過對模型進(jìn)行輕量化處理，模型的體量均有了很大的變化。從文件體量來看，對于設(shè)備模型，如LU設(shè)備、3層作業(yè)平臺設(shè)備，通過R1～R3（R1為結(jié)構(gòu)簡化；R2為實(shí)例化；R3為多邊形簡化）處理之后，其模型體量平均降幅在70%以上，對于非設(shè)備模型（如管線等），其平均模型體量降低幅度在50%左右；從多邊形數(shù)量上，對于設(shè)備模型（如LU設(shè)備、3層作業(yè)平臺設(shè)備），通過R1～R3方式處理之后，其多邊形平均降幅在80%以上，對于非設(shè)備模型，如管線等，其平均模型體量降低幅度在60%左右（見圖9）。

圖9 多種方式處理前后模型體量變化情況

3 結(jié)論

動車所BIM模型數(shù)據(jù)量大，存在難以直接開展可視化及應(yīng)用的問題，采用合適的數(shù)據(jù)傳遞路線及模型輕量化技術(shù)可將包含冗余信息的BIM模型轉(zhuǎn)換成輕量化模型，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)量顯著縮減和模型復(fù)雜度顯著降低。研究從動車所實(shí)際設(shè)備設(shè)施出發(fā)，通過結(jié)構(gòu)簡化、實(shí)例化處理和多邊形處理手段，以實(shí)例的方式進(jìn)行研究，結(jié)合測試結(jié)果，設(shè)備模型體量通常降幅在70%以上，非設(shè)備模型降幅在50%左右。以正在開發(fā)的運(yùn)維管理平臺為例，整個平臺的體量從原來的3.41 GB降低至0.62 GB，整體降幅為82%，輕量化效果十分顯著，為后續(xù)運(yùn)維管理平臺的開發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。