基于IFC的铁路工程信息模型数据存储标准研究

■ 杨绪坤

基于IFC的铁路工程信息模型数据存储标准研究

■ 杨绪坤

铁路工程信息模型数据存储标准是中国铁路BIM标准体系的重要组成部分。在IFC4标准的基础上，依据中国铁路BIM标准体系框架，通过动态扩展与静态扩展，将IFC表达的铁路工程实体分为空间结构单元、构件、零件、组合件，组织各个专业领域的铁路工程信息模型，为铁路BIM数据模型的创建和存储提供指导方法和实施规则。

IFC；数据存储标准；铁路工程信息模型；BIM

0 引言

近年来，铁路行业逐步推进信息化建设，而BIM成为实现铁路工程建设信息化的主要技术发展方向。为了更加有序、高效地推进BIM在铁路行业的应用，中国铁路BIM联盟于2013年5月启动铁路工程BIM标准的研究工作，并于2014年初完成中国铁路BIM标准体系框架研究[1]。数据存储标准是中国铁路BIM标准体系的重要组成部分，为制定中国铁路BIM数据存储模型，实现铁路BIM应用中跨平台、跨应用的信息存储提供支持。

目前，buildingSMART组织开发的IFC（Industry Foundation Classes）标准是接受最为广泛的BIM数据存储标准。IFC标准于2005年被接受为ISO标准，目前最新版本是IFC4 Add1。现有的IFC标准不能涵盖铁路行业独有的专业领域，因此需要对IFC标准进行扩展，以满足铁路行业的应用需求。以IFC标准为基础，以与国际标准接轨为原则，在中国铁路BIM标准体系框架的指导下，研究铁路工程信息模型数据存储标准，为铁路BIM数据模型的创建和存储提供指导方法和实施规则。

1 IFC标准

IFC标准的研究始于20世纪90年代初，该标准基于STEP（Standard for the Exchange of Product model data）标准，采用EXPRESS语言描述。IFC标准是一个基于面向对象方法的数据模型体系，该体系既可以描述真实的物理对象，如梁、柱、墙等建筑构件，也可以表示抽象的概念，如空间、组织、关系和过程等[2]。

IFC标准的体系结构包含4个层次，从下到上依次是：资源层、核心层、互用层和领域层。每个层次都包含一些信息描述模块，且每个层次只能引用同层与下层的资源，而不能引用上层资源。IFC使用实体来描述建筑对象、属性及关系。在IFC4标准中，定义的实体类型数据已增加到812个，但还是无法满足铁路工程领域对信息数据描述的需求。因此，需要对IFC标准进行扩展，以满足铁路工程领域数据存储标准的应用需求。

2 铁路工程信息模型数据存储标准研究的基本原则和扩展方法

2.1 基本原则

铁路工程信息模型数据存储标准为铁路工程信息描述与存储提供一种规范化语言，研究遵循以下原则：

（1）兼容性原则。与已发布的building SMART标准保持最大限度的兼容。

（2）可移植性原则。铁路工程领域基础数据模型中的元素可以被不同技术平台的不同编码方式使用。

（3）抽象性原则。定义在国内外广泛应用，且被整个领域共同认可的重要铁路工程元素，使本标准的固定模型最小化。

（4）可扩展性原则。可与具体的信息分类、编码、字典相结合，对定义的元素进行进一步“修饰”或“限定”，而不改变元素的基本含义，从而满足特定用户的信息存储与交换需求。

（5）可选择性原则。定义的任何元素在信息存储与交换的需求中都是可选的。

（6）可重复性原则。定义的任何元素在数据存储与交换的应用中都是可重复的。

（7）易用性原则。可提供标准作者之间，作者与软件开发人员之间描述标准的形式化文件与可读性文件，便于使用。

2.2 扩展方法

IFC标准通过实体与属性表达工程建设项目中的信息，通过静态扩展与动态扩展的方式增加对铁路工程领域概念的表达能力。铁路工程信息模型数据存储标准扩展方案见图1。

静态扩展是指在IFC4模式的基础上，遵循面向对象思想的继承原则，层级化定义铁路工程中各专业领域的实体。静态扩展的结果为EXPRESS模式文件，软件开发通过解析EXPRESS文件来完成对铁路IFC对象的识别。实体类的扩展又分为语义模型扩展和几何模型扩展。语义模型扩展除一些特殊专业（比如线路专业）外，一般按照空间结构单元、构件、组合件和零件4个部分进行扩展；几何模型扩展主要针对目前铁路设计中用到而IFC又无法表达的几何实体进行扩展，比如线路专业的中心线采用平面和纵断面的描述方式，需要新增对应的几何实体。

空间结构单元（Ifc Spatial Structure Element）表示空间概念上的分解，通常是一个物体的空间主体以及它的主要组成结构。空间结构单元是一个抽象概念，一般以整体包含多个局部的方式出现。在铁路工程中，桥和桥墩、隧道和隧道洞门等都被定义为空间结构单元。

构件（Ifc Element）是重要的物理实际存在的实体，可以被包含在空间结构中。在铁路工程中，组成桥墩的承台、墩身、顶帽、支承垫石等均被定义为构件。构件的定义一般具有一定的概括性，而又不失通用性。构件扩展要综合考虑构件的功能、外观等因素。

组合件（Ifc Element Assembly）由多个构件组合而成，本质上还是一种构件，只是为了强调某种构件是组合而成的，故将其专门定义成组合件。组合件是物理存在的实体，具备一定的功能，可以发挥具体作用。组合件一般没有单独的几何形状，它的几何形状由组成它的构件的几何共同表示。在使用时，组合件必须包含其他构件或嵌套的组合件，不可单独使用。相对于空间结构单元的概念，虽然两者都可以包含构件，但组合件本质上还是物理存在的实体，属于构件，并不强调空间结构。为了避免引起歧义，组成组合件的构件一般不能直接被包含在空间结构单元中。

零件（Ifc Element Component）是附加在构件上或包含在构件中，起加固或连接构件等辅助作用的小物件。从整体的角度上看，一般不太关注这些小物件，但是它们又确实发挥着重要作用。零件一般不作为空间划分的边界。在建筑中，各种不同的紧固件和配件都是典型的零件。

对于空间结构单元和构件，每个专业从IFC的空间结构单元、构件分别派生出自己专业的空间结构单元、构件的抽象类，再从抽象类向下派生出自己专业内的空间结构单元和构件实体。对于组合件，由于Ifc Element Assembly已经有预定义类型，从Ifc Element Assembly向下派生各专业的组合件无法枚举类型，故直接从Ifc Element Assembly的父节点Ifc Element向下派生各专业的组合件；而对于零件部分，考虑到各个专业会用到很多相同的零件，故采用统一派生出铁路工程领域的零件类的方法进行扩展。

系统（Ifc System）是为完成某一目的或功能，有序组织起来的产品集合，如铁路工程领域中的排水系统、信号系统、接触网系统等。目前，在铁路工程信息模型数据存储标准中，使用分配系统（Ifc Distribution System）表达各种类型的排水沟和综合电缆槽，并为其定义新的属性集，以满足铁路工程领域的需求。

实体通过预定义类型（Predefined Type）属性说明自己的详细类型。预定义类型为枚举型，枚举型的取值一般是在极广泛的范围内被认可的分类。在预定义不能满足分类需求的情况下，实体可以采用动态扩展方式表示对象类型。

动态扩展是指在现有IFC实体的基础上，不更改IFC模式，通过将现有IFC实体的Object Type属性设置为实体类型在《铁路工程信息模型分类与编码标准》[3]中对应的编码，同时将实体的Predefined Type属性值设为“User Defined”，从而标识实体的具体类型。

对于属性集，通过对IFC标准中的Ifc Property Set进行扩展来定义铁路工程领域实体的属性。Ifc Property Set通过Ifc Rel Defined By Properties关联到一个或多个实例上。属性集包含3部分信息：属性集名称、属性集可应用的实例与类型、属性集中属性的定义。目前，在铁路工程信息模型数据存储标准中，已经定义了轨道、路基、桥梁、隧道、线路、站场、路基排水等专业领域的属性集及公用属性集。

3 铁路工程信息模型体系结构与空间结构组成

3.1 铁路工程信息模型体系结构

铁路工程信息模型体系结构是在IFC体系结构的基础上，针对铁路工程领域的特点进行扩展，为模型模块的开发提供一个模块化结构（见图2）。

在资源层的几何资源中增加Ifc Alignment的部分内容；在核心层的Product Extension中扩展Ifc Alignment类，用于表示铁路线路中心线的概念；在共享层中增加铁路公用模式的定义，包括公用类型、公用空间结构、公用零件和公用属性集；在专业领域层，扩展轨道、路基、站场、桥梁、隧道、线路6个专业领域。

铁路工程IFC类继承关系见图3。路基、桥梁、隧道、轨道、站场通过定义相应的空间结构单元、构件、组合件、零件的方式进行扩展。对于空间结构单元，先从IFC标准中的Ifc Spatial Structure Element类派生出Ifc Civil Structure Element（土木工程空间结构单元）类。考虑到铁路、公路、市政等工程中均有路基、桥梁、隧道，因此直接从Ifc Civil Structure Element类派生出Ifc Subgrade Structure Element（路基空间结构单元）、Ifc Bridge Structure Element（桥梁空间结构单元）和Ifc Tunnel Structure Element（隧道空间结构单元），而轨道和站场则先从Ifc Civil Structure Element类派生出Ifc Railway Structure Element（铁路工程空间结构单元）类，然后再派生各自的空间结构单元。同理，对于构件，路基、桥梁、隧道直接从IFC标准中的Ifc Civil Element类派生，而轨道和站场先从Ifc Civil Element类派生出Ifc Railway Element（铁路工程构件）类，然后再派生各自的构件。对于组合件，先从IFC标准中的Ifc Civil Element类派生出Ifc Civil Element Assembly（土木工程组合件）类，然后，路基和桥梁分别派生出Ifc Subgrade Element Assembly（路基工程组合件）和Ifc Bridge Element Assembly（桥梁工程组合件），而轨道则先从Ifc Civil Element Assembly类派生出Ifc Railway Assembly（铁路工程组合件）类，然后再派生轨道组合件。对于零件，先从IFC标准中的Ifc Element Component类派生出Ifc Civil Element Component（土木工程零件）类，再从Ifc Civil Element Component类派生出Ifc Railway Element Component（铁路工程零件）类，然后从Ifc Railway Element Component类派生Ifc Track Element Component（轨道零件）和Ifc Geo Element Component（岩土零件）。

Building SMART于2015年发布IFC Alignment模块，用于对道路中心线概念进行扩展，本研究采用此模块来表达铁路线路中心线的概念。排水系统采用IFC标准中的Ifc Distribution System来表达，并为其定义新的属性集Pset_DS_DrainageDitchCommon，以满足铁路工程领域的需求。

3.2 铁路工程空间结构组成

铁路工程空间结构组成见图4。其中，Ifc Rel Aggregates表示聚合关系，是“整体/部分”关系的一种特殊类型，有2个属性：Relating Object和Related Objects。Relating Object表示聚合对象，相当于“整体/部分”关系中的“整体”；Related Objects表示被聚合对象，相当于“整体/部分”关系中的“部分”。Ifc Rel Contained In Spatial Structure表示空间结构包含关系，有2个属性：Relating Structure和Related Elements。Relating Structure表示空间结构单元，Related Elements表示包含在空间结构单元中的产品。

由图4可知，项目（Ifc Project）可以包含一条或多条铁路线（Ifc Railway），一个或多个铁路枢纽（Ifc Railway Terminal）。铁路线（Ifc Railway）又可进一步包含一系列轨道（Ifc Track）、路基（Ifc Subgrade）、桥梁（Ifc Bridge）、隧道（Ifc Tunnel）、车站（Ifc Railway Station）工点。铁路枢纽（Ifc Railway Terminal）也可包含一系列铁路线（Ifc Railway）和铁路车站（Ifc Railway Station）。Ifc Alignment表示铁路线路中心线，与Ifc Railway是空间结构包含的关系。

4 BIM软件对铁路工程信息模型数据存储标准的支持

IFC标准已成为BIM最为成熟的数据存储标准，BIM应用软件商正在逐步完善软件产品对IFC标准的支持。目前，铁路工程信息模型数据存储标准与相关软件的对接工作正在进行中。符合铁路工程BIM标准的设计软件依照支持程度分为以下几个层次：

（1）能够正确导入和识别符合铁路工程BIM标准要求的IFC物理文件，对象类型、属性集、几何数据不丢失、不失真。完成的设计成果能够正确导出符合铁路工程BIM标准要求的IFC物理文件。

（2）用户能够使用软件中预定义的铁路工程构件完成铁路工程专业设计。

（3）软件中预定义有铁路IFC中定义的铁路工程构件（含空间结构单元、组合件、构件、零件）和属性集。

（4）拥有铁路工程地质、线路、轨道、桥梁、隧道、路基、站场等专业设计、工程数量统计、工程造价计算等功能。

（5）具有进行铁路工程设计软件二次开发接口。

5 结束语

以buildingSMART组织开发的IFC标准为基础，研究铁路工程信息模型数据存储标准。在IFC数据模式架构的基础上，构建铁路工程信息模型数据存储标准的体系结构，并阐述铁路工程各空间结构单元之间的关系。铁路工程涉及多个专业领域，内容繁杂，对铁路工程信息模型数据存储标准的研究需要不同专业的人员相互配合。由于人力资源、课题周期、经费等限制，研究目前只涵盖了轨道、桥梁、路基、隧道、线路、站场6个专业领域，而没有包括机电安装工程等专业领域的内容，有待进一步补充与完善。此外，铁路工程信息模型数据存储标准研究的一项基本原则是与国际标准接轨，需要对该标准进行进一步提升与优化，并纳入到国际标准体系中。

[1] 李华良，杨绪坤，王长进，等． 中国铁路BIM标准体系框架研究[J]． 铁路技术创新，2014(2)：14-19．

[2] 张洋． 基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D]． 北京：清华大学，2009．

[3] 李华良，杨绪坤，沈东升，等． 铁路工程信息模型分类与编码标准研究[J]． 铁路技术创新，2015(3)：17-20．

杨绪坤：铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，天津，300251

责任编辑 苑晓蒙

T-652；TP319

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1672-061X（2015）06-0008-05