基于3D EXPERIENCE 平台的机务车辆BIM 标准化模型库研究

李腾飞

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

模型是组成BIM[1]项目的基础单元，描述其几何信息、专业属性及状态信息，是传递信息的基本载体。一根螺栓、一台电机、一套设备甚至一座检查库，这些单元都可以视为从狭义到广义的某种层级的模型[2]，以满足不同工程阶段应用的需要。合格的模型需要具有复用性、独立性、可参变性、可扩展性及可连接性五个特征。而只有按照统一规则制作、统一分类、统一存储的模型集合，才能称之为模型库[3-4]。创建模型库可以对库进行结构性存储、组织、展示、统计分析并供用户调用模型。

机务、车辆专业是机辆段所（国铁机务、车辆、动车段所及城轨车辆段）运用、整备、检修系统的核心专业，涉及大量的工艺设备及工艺管道。虽然在多年开展的BIM 项目中，机务、车辆专业积累了大量的模型，但之前由于缺乏标准化规则，创建的模型没有统一规矩，仅可满足当前项目的某些需求，并不一定按照IFC 标准创建模型，这就造成了尽管都是机务车辆专业人员绘制并交付的设计模型，但在模型分类、命名、表达精度、行为上却各不相同。

基于IFC 标准[5]的模型信息表达不同于传统二维图方式表达，其不仅包含模型的点、线、面在内的所有几何信息，而且能够包含完整的项目信息，如材料信息、空间位置信息、相互关联信息、生产信息、费用信息、维保信息等，构建一个可视化、信息化的全生命周期三维模型。考虑到机务、车辆专业在工程量统计和全生命周期BIM 模型属性信息应用需求，机务、车辆专业已在前期对专业涉及的工艺设备和工艺管道进行了分析和分类，并完成了机务车辆IFC 标准扩展及3D EXPERIENCE 平台部署应用。

因此，针对机务车辆专业模型众多、数据庞大的特点，本文创建机务车辆专业标准化模型库，将所有按照IFC 标准制作的BIM 轻量化[6]模型后的模型统一存储、统一管理，解决重复创建、无序存储、质量参差等问题，将有助于知识成果通过复用发挥最大价值，实现机务、车辆BIM 设计高效化、标准化以及BIM 模型属性信息全生命周期标准化传递和共享，满足工程建设和运维管理应用需求，避免重复劳动，提高BIM 的设计效率和设计质量，降低BIM 的实施成本。

1 IFC 标准化模型库创建流程

1.1 标准化模型库创建

3D EXPERIENCE 平台（以下简称3DE 平台）分为标准空间和项目空间，项目空间之间的数据不互通，项目A 中的模型不可直接复制到项目B 中使用，标准空间是一种用于存放标准件（如螺钉、螺母）的特殊空间，标准空间中的模型可引用或复制至项目中使用。基于标准空间的特性，为方便模型库使用，将模型库建立在标准空间。

机务、车辆专业模型库的创建按照模型IFC 标准分类进行，在StandardPart_Vehicle 标准空间中创建一个Catalog 用于存放所有的模型，在此Catalog 下按照层级建立一系列的Chapter 用以表示各种工艺设备之间的从属关系，例如，加工设备—车床—数控车床。按照3DE平台部署的IFC 标准对专业工艺设备进行分类，建立的标准化模型库如图1 所示，这里展示三层分类。

图1 机务、车辆专业标准化模型库

机务、车辆专业模型库可以涵盖机辆段所运用、整备、检修系统涉及的超4 000 项工艺设备及工艺管道，每一台设备都有对应的IFC 标准类型，满足设备分类统计的需要。

1.2 模型处理

在多年开展的BIM 项目中，机务、车辆专业积累了大量的模型文件，但是这些模型来源于不同的单位和厂家，其建模软件、处理方法、加工方式均不同，造成模型格式混乱，再加之不同三维建模软件之间数据传递时总存在信息丢失和模型破损的情况，导致项目中实际使用的模型在分类、命名、表达精度、行为上均存在差异。结合当前实际项目需求深度，结合3DE 平台现实情况，总结模型标准如下：

（1）有标准的命名和配色，采用英文命名，能做到见名知意，配色尽量贴近实际。

（2）有标准的分类，每一个模型有其对应的IFC 类型，模型结构中不出现3DE 平台原生物理产品和物理模型。

（3）有标准的属性信息，模型增加代理属性集以保证跨平台传递，有各阶段所需的信息。

（4）有标准的分类与编码，通过分析编码，也可得到模型的信息。

针对收集的专业BIM 模型，首先对其格式进行处理，最优的情况是将其转化为基于实体的.step 格式，然后将其导入3DE 平台，然后经过图2 所示流程可以将其处理为一个标准化的模型。

图2 标准化模型处理流程

（a）对模型进行轻量化处理。有些设备模型体量巨大，含有许多当前设计阶段不需要表达的细节内容，不仅导致项目浏览查看不顺畅，也制约了向运维方向的深化应用，所以模型进入3DE 平台的第一个步骤就是轻量化处理。目前的主要手段有部件删减、部件减面和产品过滤。部件删减是指删除模型中不涉及与周围环境的接口关系，也不影响设备的空间占位的精细部件，例如大量的螺钉、螺母、垫片等；部件减面是指删除一些内部表面和一些碎面片，例如倒角、孔洞等；产品过滤是使用3DE 平台Engineering IP Control 轻量化模块，将模型中带有的原生格式统一为一个3D shape，抹去原生格式对模型的影响。图3（a）是收集的一个数控车床原始模型，图3（b）是轻量化后的设备模型，结构树简化，去掉了模型的设计过程，仅保留设计结果。

图3 数控车床的轻量化处理

（b）添加IFC 类型。为了便于对机辆段所中设备数量进行统计，对每一台套设备添加其对应的IFC 类型，统计类型的实例化个数就可得到其设备数量，可快速得到设备数量表和工程概算金额，例如我们有3 台普通车床和1 台不落轮镟床，我们便可得知这4 台设备的概算，这便是为所有的设备增添IFC 类型的意义所在。机辆专业已经完成了在3DE 平台中IFC 类型的布置，因此此步骤具体为新建一个具有IFC 类型的实体，并将已轻量化的模型复制过来，为其增加IFC 类型。同时，在此步骤对设备命名和配色，采用英文命名，能做到见名知意，不使用特殊字符，配色贴近设备实际颜色。图4 为数控车床添加IFC 类型并重新标准化命名和配色后的模型。

图4 数控车床添加IFC 类型和标准化命名

（c）添加一个用于定位模型的轴系，并将此轴系发布。为了便于处理后的模型在项目中使用时定位，此次建设标准化模型库时要为其增加一个用于装配的轴系，本文总结了一些推荐的轴系位置：若设备与股道相关，则将轴系添加在股道中心线，标高为轨面；若设备为放置在地面上的设备，则将轴系添加在地面的角点上，轴系的z 轴竖直向上；若设备装配形式多样，则将轴系添加在表面上。最后将这个轴系发布，这样在项目使用时，不仅可以直接对模型装配，也可以使用批量布置插件对设备按规律批量布置，提高设计效率。图5 为数控车床添加的轴系，原点在设备底角，z 轴竖直向上，x、y 轴平行设备底边。

图5 添加定位轴系并发布

（d）给模型添加属性集（包括编码）。对每一个模型都可添加其对应的属性集，属性集的内容相对灵活，既可以添加设备通用的信息，例如生产、制造、资产、运维等全生命周期的属性，也可以添加其专用的属性信息，比如设备具体的加工精度、进给速度、主轴转速等。在这次标准化模型库建设时，将可添加的属性全部添加，将来按照设计阶段和模型粒度赋予设备相应的信息深度，即保留相应的属性集。图6 为数控车床的所有属性集，不仅包括设备基本参数信息，也具备生产、制造、资产、运维信息。

图3-图6 以一个数控车床为例，在这四个步骤之后可以得到一个具有标准命名、标准IFC 类型、具备全部属性的标准化模型（包括设备编码）。这样的模型可以满足现阶段BIM 项目的需要，无论是利用BIM+GIS平台进行可视化展示，还是利用数字孪生对机辆段所进行运维管理。

1.3 模型入库

对于少量的模型确实可以在标准化之后直接在项目中使用，但是3DE 平台项目空间数据不可互通，导致同一模型经常需要导出导入操作才可在新项目中使用；同时，随着项目的增多，模型数量也在增加，经常丢失之前标准化的模型，导致返工、低效；此外，往往搜索同一个关键字会存在不同项目空间中的多个模型，管理起来造成混乱。因此，标准化的模型需要入库统一管理。

标准化模型库的创建借助于3DE 平台中的Catalog（目录），与实体书类似，目录下分不同的章节（Chapter），章节下又可有不同的小节，用一个小节表示一种IFC 类型（例如车床），就可按照IFC 类型分类存放标准化的模型。

在模型标准化处理之后，打开模型库的Catalog，找到其IFC 类型对应的Chapter，选择“在Chapter 中插入存在的模型”命令，选择标准化的模型，便可将模型存入模型库中。这样一来，不仅可以利用模型的信息检索标准化模型，也可通过在Catalog 中分级查找，找到设备模型；此外，同类模型在同一Chapter 中，几种参数不同的设备一起存放，可以做到一目了然，方便使用和管理模型。图7 为现阶段部分标准化模型库。

图7 机务车辆标准化模型库（部分）

2 模型库应用

3DE 平台项目空间中的模型不互通，在项目A 中使用的模型不可以直接复制到其他项目中，标准空间的模型可以在项目空间中直接使用。部署在标准空间的标准化模型库，库中的模型可在项目中直接引用。在项目空间中插入标准化模型库中的模型，将其发布的轴系装配到对应位置的轴系上，就可完成模型的装配和安装，这就是标准化模型库最直接的应用，例如不落轮镟床的装配、动车组的装配。

除此之外，机务车辆专业往往需要批量装配有规律的一系列模型，例如综合支吊架布置、轨道桥的布置、洗车机的布置等，此时借助开发的设备设施批量布置工具包，利用一个第三方服务器，将标准空间中的模型先传入第三方服务器，再导入项目空间，就可用工具包批量布置模型，图8 是根据洗刷车型不同，利用批量布置工具包布置的两种不同参数的60 m 洗车机。通过一个批量布置工具包，同样沟通了标准空间和项目空间，使得标准空间中模型库中的模型在具体的项目空间中使用。这样一来，我们可以进入标准空间增加、删减模型，维护标准化模型库，而在具体项目时仅是调用模型库中的数据，一个或批量地安装在项目空间中，通过对标准空间中一个模型的维护，可以在多个项目中多次调用和使用，提高设计效率。

图8 配置不同的两种60 m 洗车机

3 结束语

本文基于3DE 平台创建了机务车辆专业标准化模型库。机务车辆专业涉及的工艺设备和工艺管道数目众多、分类复杂，因此有必要建立一个模型库来统一分类和管理这些模型。本文总结了适应现阶段BIM 应用的模型标准化处理流程，具体包括模型轻量化、添加IFC 类型和发布轴系、添加属性信息，可以得到符合IFC 标准的模型。本文简单介绍了标准化模型的入库管理和具体应用。创建标准化模型库不仅方便存储和管理机务车辆专业积累的模型和属性信息数据，同时在生产项目中可直接调用模型库中的模型和数据，提高设计效率，降低设计门槛。