铁路BIM数据存储标准方案研究

■ 姚峰峰 高歌 李华良 杨绪坤

铁路BIM数据存储标准方案研究

■ 姚峰峰 高歌 李华良 杨绪坤

铁路BIM数据存储标准是提供一种统一的格式，解决铁路工程项目全生命周期不同阶段及不同参与方间的信息共享问题。中国铁路BIM联盟成立的初衷是推进铁路行业内的BIM标准化应用，因此满足铁路行业内的BIM数据存储标准是联盟的一项重要工作内容。在对KML、CityGML、IFC等不同格式研究的基础上，提出不同的扩展方案，并就铁路工程线状空间分布特点，根据不同评价指标进行比选；最后提出针对铁路BIM的推荐扩展方案，并给出基于该方案进行铁路BIM扩展的方法。

BIM标准；CityGML标准；IFC标准；数据存储

0 引言

BIM是一个在建筑全生命周期各阶段中产生和管理数据的过程，而为了能将建筑全生命周期中不同阶段的所有相关方（包括建设方、设计方、施工方、监理方）都能基于BIM提供的统一数据模型来获取或维护信息，规避数据在不同参与方或不同阶段传递过程中发生的丢失现象，则必须建立相应的标准和工具来支撑这一目标的实现。目前，在国内外的建筑市场上，进行BIM应用的软件种类繁多（包括建筑设计、造价计量、设备运维等），每个软件都有各自私有的数据模型格式，模型的信息很难实现流通，无法实现有效的信息共享。

铁路行业在近些年的技术发展中，引进BIM技术在改进设计、建造技术手段方面做了大量研究，并在相当数量的工程项目中进行应用，取得了一定成果。为了高效有序推进BIM在铁路行业内的应用，中国铁路BIM联盟启动了铁路工程BIM标准的编制工作，并于2014年初完成了中国铁路BIM标准系统框架研究[1]，于2014年底发布了《铁路工程信息模型分类和编码标准》（1．0版），同时铁路BIM数据存储标准的编制工作也在有序开展中。

以编制铁路BIM联盟内的数据存储标准为目标，在中国铁路BIM标准系统框架指导下，参照建筑领域BIM数据存储标准和GIS领域标准的研究成果，展开铁路BIM数据存储标准的研究工作。在充分调研相关可行性方案的基础上，结合铁路工程特性，比较不同方案的优缺点，并提出推荐的扩展方案，为铁路BIM数据存储标准的制定提供依据。

1 建筑领域BIM数据存储标准简介

数据存储标准的开发目标就是解决“信息孤岛”问题，保证不同公司开发的软件无障碍地应用到同一个项目中，保证不同系统之间能够进行数据和信息的共享和交互。20世纪80年代末期，随着大型机械制造的需求，制造业发展了基于产品模型的数据交互标准（STEP）——ISO-10303标准系列[2]。该标准系列包含了EXPRESS语言标准，以及应用该语言来描述的模型数据标准。

建筑BIM数据存储标准是在STEP标准基础上，提供一种统一的数据格式和交换标准，不同应用软件设计基于此标准的数据接口就可以实现与其他应用软件的信息交互。建筑BIM数据存储标准的目标见图1，使不同参与方实现数据共享。

国际协同工作联盟组织（Industry Alliance for Interoperability，IAI）根据这一目标开发了IFC（Industry Foundation Class）[3]。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）[4]。IFC模型体系结构由4个层次构成，从下到上分别是资源层（Resource Layer）、核心层（Core Layer）、交互层（Interoperability Layer）、领域层（Domain Layer）。每个层次都包含一些信息描述模块，并遵守一个原则：每个层次只能引用同层次和下层的信息资源，而不能引用上层资源。上层资源变动时，下层资源不受影响，保证信息描述的稳定。IFC数据存储标准由两部分配合进行：IFC模式文件（IFC Schema）和IFC物理文件。IFC模式文件描述对象间的逻辑层次和约束关系，IFC物理文件包含模型的具体数据。IFC使用实体（Entity）来描述建筑对象（既包括真实的物体，如墙、门、窗等；也包括抽象的概念，如空间、造价等）、属性及关系。

2 铁路BIM数据存储标准扩展方案

铁路BIM数据存储标准是规范铁路信息描述与存储的语言，以结构化的方式定义铁路实体及其属性。在大量参考国内外研究成果基础上，提出以下几种铁路BIM数据存储标准的方案。

（1）方案一：完全自定义铁路BIM数据存储格式。根据铁路工程项目特点，仿照IFC数据格式，自己定义出全新的铁路BIM数据格式，此体系中能清楚描述出铁路各专业中实体间的层次关系，并能承载工程项目在不同阶段所需表达的信息。参照建筑领域BIM数据存储标准的研究成果，根据铁路工程的特点，在STEP标准基础上，完全自定义出一套我国铁路的BIM数据存储标准。该方案参照建筑领域IFC标准的编制历程，基于制造业的STEP标准对铁路领域进行体系性的重新定义。

（2）方案二：基于KML[5]扩展铁路BIM数据存储格式。KML是由开放地理空间联盟（Open Geospatial Consortium，OGC）维护的国际标准，用于在Google Earth软件中显示地理数据（如点、线、多边形、几何体）[6]。KML本身不带有语义信息，但可以通过给属性赋名称的方式来表达实体对象。以桥为例对KML扩展后的编码见图2。

（3）方案三：基于GML（CityGML）定义铁路BIM数据存储格式。GML（Geography Markup Language）是空间数据建模标准规范[7]，也是OGC指定的基于XML的地理信息编码标准，用于地理信息的传输、存储和发布。CityGML则是以城市三维建模及相关应用分析为目的，在GML基础上扩展得到，扩展模块定义了城市中的大部分地理对象及对象间的关系，充分考虑了模型的几何、拓扑、语义和外观属性。CityGML作为一个“开放的”标准，提供一套基本的几何对象类型和公共数据模型，并允许用户通过限制、扩展等机制创建自己的应用Schema，这种内建的底层扩展机制被称为ADE，其扩展结果可用于数据共享[8]。基于CityGML提供的ADE机制扩展铁路实体，分别增加特征类、属性、关系，扩展的层次结构见图3。以桥为例，基于CityGML的ADE扩展后的Schema见图4。

（4）方案四：基于IFC扩展铁路BIM数据存储格式。在最新版IFC标准IFC4中，定义的实体类型数据已增加到812个[9]。虽然IFC标准经过多年的发展已日臻成熟，但还是不能满足现实中对信息数据描述的需求，于是提出各种对IFC模型进行扩展的方案，并进行了实践。针对土木行业的扩展研究正在开展，如Buildingsmart官方网站于2015年最新发布了IFC Alignment模块，用于对道路中心线概念进行扩展[10]；韩国学者S．-HLEE[11]对IFC for Road模块进行扩展研究，并基于AutoCAD平台对道路组成结构进行3-D建模；法国学者Eric Lebegue[12]对IFC Bridge模块进行扩展研究，提出桥梁空间结构和构件的扩展方案。

基于IFC标准的铁路BIM扩展方案是在土木行业扩展研究成果的基础上，采用最新研究成果IFC Alignment表达铁路中心线概念，桥梁专业借鉴IFC Bridge的研究成果，其他专业分别进行扩展定义，专业内实体定义采用空间结构和构件两部分分别进行扩展的方式。铁路工程的专业扩展层次见图5。

按照IFC的体系结构，从构件和空间2个维度进行铁路各专业的派生，选取轨道、路基、桥梁、隧道4个专业为例，列出各专业构件（见图6）和空间部件（见图7）派生的位置。

以上列出的4种技术方案，根据铁路工程的线状空间分布特性，铁路工程关注的数据存储标准的指标主要有：语义信息、拓扑关系、空间表达、细节表示、被厂商支持容易性。4种方案的相关指标对比见表1。

根据比选结果，方案一是最灵活的，但由中国铁路BIM联盟自己推出的数据格式很难被国内外主流厂商支持，因此该方案最终很难落地；方案二在语义表达、拓扑关系表示等方面比较欠缺；方案三是GIS领域内的数据标准，其关注的是地理空间领域大尺度对象，对于建筑内部细节的表示相对欠缺，而这方面又是BIM领域主要的表达内容；方案四是分别对铁路各专业进行扩展，关注于工程细节，目前也已经被国内外主流软件商所支持。

综合以上各种方案的比较结果，方案一、方案二基本无法满足铁路工程数据表达的要求，方案三、方案四则分别关注于大尺度地理空间对象、小尺度单点工程细节表达上。而铁路工程则是这2个方案所关注对象的综合。

3 铁路BIM数据存储标准扩展技术路线

在对上述扩展方案的对比分析和现有主流BIM软件的调研基础上，推荐基于IFC标准与CityGML标准结合的扩展方案作为实现铁路BIM数据存储标准的推荐方案。在本推荐方案中，IFC扩展关注设计、建造过程中的细节数据表达，CityGML扩展关注地理空间尺度下的数据表达，最终在软件平台实现数据融合。即从对象的领域划分为GIS地理空间和单点工程2个范围，分别对不同领域内的实体在IFC标准和CityGML标准的体系下进行扩展，从而实现对铁路实体的表达，扩展体系结构见图8。针对CityGML与IFC的扩展方案则可根据上述方案三和方案四的研究成果分别进行扩展。BIM技术与GIS技术的融合是需要建立三维模型数据交换标准，而不是数据层面的融合[13]。同时，IFC标准与CityGML标准在进行对象映射时要考虑2个方面：语义信息转换和地理信息转换[14]，且这2个方面不能独自分别完成。

推荐方案将铁路工程特性拆分为BIM与GIS两部分，分别在现有成熟国际标准基础上扩展实现，能最大化利用现有国内外研究成果，也易于被BIM软件支持。

4 结论与展望

提出4种备选铁路BIM数据存储标准实现方案，根据铁路工程的线状空间分布特点，提出基于IFC标准与CityGML标准结合的扩展方案作为实现铁路BIM数据存储标准的推荐方案。铁路BIM数据存储标准编制工作是一项复杂而艰巨的任务，需要更多的研究人员进行更为深入、系统的研究分析。

下一步的工作主要在以下几方面展开：

（1）提交扩展方案，广泛咨询不同领域专家意见，根据专家意见完善方案；

（2）与国内外软件商研讨方案实现的可能性，只有该方案被大多数主流软件支持，并最终应用到工程实践中，才是验证方案正确性的唯一标准；

（3）在铁路工程多个专业领域内开展具体的标准制定工作，分别在IFC标准框架和CityGML标准框架下定义铁路工程实体对象。

[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)：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] 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．

[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] 兰小机，闾国年．基于GML的空间数据建模研究[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：铁道第三勘察设计院集团有限公司，工程师，天津，300142

高 歌：清华大学软件学院，博士研究生，北京，100084

李华良：铁道第三勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，天津，300142

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 高红义

U2；TU71；TP39

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1672-061X（2015）06-0013-05