基于BIM技術的三維鐵路路基信息模型分析

■ 劉厚強 徐駿 李安洪

基于BIM技術的三維鐵路路基信息模型分析

■ 劉厚強 徐駿 李安洪

論述建立鐵路路基信息模型必要性。對資源層、核心層、共享層、領域層、路基三維模型信息交付標準和鐵路路基字典框架進行定義和分析，提出基于IFC的路基建模平臺架構和路基BIM三維信息模型應具備的功能，并針對模型應用進行闡述和分析。實現模型集成和展示平臺，是路基工程提高工作效率與質量的根本保障。

BIM；三維信息模型；鐵路路基；IFC

1 概述

1.1 背景

隨著信息技術的不斷深入發展，“大數據”浪潮正以浩浩蕩蕩、銳不可當之勢向襲來，更加規范、直觀、高效的三維鐵路工程勘測、設計、施工、運營維護隨之而起。基于BIM技術的三維信息模型充分利用了“大數據”的信息技術成果，以公共、標準化的模型為基礎，將工程建設中的業主、設計、施工和用戶緊密聯系在一起，基本實現了項目全生命周期內的信息共享互用。

信息時代解決信息交換與共享問題要制定標準，研究BIM的building SMART聯盟制定和維護的Industry Foundation Classes（IFC）是中性公開標準，是目前建筑行業廣泛認可的國際性公共產品數據模型格式標準。基于IFC的IFCXML是利用XML語法表達標準的公用格式，XML是在Internet環境中跨平臺和依賴內容的技術，是當前處理結構化文檔信息的有力工具。IFC定義了模型中實體生命周期內所有階段的信息如何檢索、如何存儲，可以容納幾何、計算、數量、設施管理、造價等信息。IFC的總體框架采用分層和模塊化，分為四個層次，從下至上為資源層、核心層、共享層（協作層）、領域層，每個層次包含若干模塊，每個模塊含有很多信息；其規則是上層調用下層，下層不能調用上層。信息模型建立后，通過模型的信息交付手冊進行信息交換，通過路基字典對獲得的信息進行校核，以便在全生命周期中開展任何子項目的工作。

1.2 必要性

鐵路建設具有場地廣大、專業眾多、施工組織復雜、運營維護不便等特點。常規的二維表達是通過層層規定對行業的簡化描述。目前信息技術高速發展，日新月異，在鐵路行業的全生命周期內建立基于BIM技術的信息模型，可提高各個環節的信息共享互用，減少不必要的信息重復輸入和轉換，提高鐵路行業的工作效益和質量。

在鐵路行業推廣BIM技術，建立三維信息模型是關鍵。鐵路路基是鐵路項目中的一個子項目，建立三維路基信息模型可直觀反映業主的建設意圖、形象表達設計思想、方便施工組織和運營維護。

目前，三維設計、虛擬施工、仿真運營早已展開，各種三維翻模公司及團體如火如荼，大型軟件公司也推出了各自的系列軟件。有的軟件建模方便靈活，廣泛應用于飛機、汽車制造等行業；有的軟件向建筑行業進行延伸；有的軟件很好地解決了BIM建模；有的軟件在AuotCAD基礎上進行了二次開發，增加了一些功能；有的軟件只面向機械行業；有的軟件用于建筑及基礎圖形環境，面向建筑設計。這些軟件存在沒有道路里程等概念、不適用于鐵路路基建模、路基支擋防護實體較弱和實體信息添加不便，以及不適于道路建模等缺點。

目前，各個公司及團體的數據自成體系，兼容性不強，三維實體的內部數據關系及外部數據關聯的定義不統一，不能相互轉換，致使各階段的相同實體需要根據不同階段重復建立模型，增加的工作量巨大，不可避免地出現“差、錯、漏、碰”。因此，必須建立鐵路路基信息模型。

2 路基信息模型

對路基信息模型實體定義時，應梳理路基實體的相互關系，應用面向對象的分析和設計方法，結合IFC模型的四個層次進行劃分。每個層次包含相關信息的描述模塊，模塊間遵守 “重力原則”：每個層次只能引用同層次和下層的信息資源，不能引用上層資源。當上層資源變動時，下層資源不受影響，保證信息描述的穩定。當前鐵路路基設計中使用的路基諸表，可基本反映路基的信息模型，以各表所列實體的基礎屬性構建路基信息模型中的資源層，以各表所列的實體作為構建模型中的核心層，以各表單項工程名稱構建模型中的共享層，以各表名稱構建模型中的領域層，使信息模型既符合現實生產真實情況，便于工程傳統思維理解，又便于模型的推廣應用。

2.1 資源層

資源層的類（信息集合單元）可被IFC 模型任意一層定義的類引用，其與核心層一起在實體級水平上構成信息模型基礎，是通用的資源，是作為定義高級層里的實體屬性，是獨立于具體實體的通用信息，包括一些項目管理使用的概念類、度量類、材料類，規定了產品的幾何形狀和拓撲描述資源，定義了對象和關系的各種各樣特性。

在IFC2x3Final的大綱中，平臺類有日期時間資源、材料資源、拓撲資源、工具資源等14類。非平臺類有材料屬性資源、標注資源、結構荷載資源等12類。對路基信息模型，材料類有土石方類、混凝土類、鋼筋類等；計量單位類有長度類、面積類、體積類等；外觀定義類有矩形、梯形、梅花形等；侵蝕性等級類有T2、T3、H1、H2、H3等。這些基本概念類的信息供核心層、共享層、領域層調用，是路基實體的屬性體現。

2.2 核心層

核心層由核心和核心擴展兩部分組成。核心部分提供信息模型要求的所有基本概念， 核心擴展部分是為行業領域在核心部分定義的類的特例。例如在產品類中，定義了元素、空間、場地等概念；在過程類中，為掌握有關生產產品的工作信息，盡可能定義工作任務和資源；在文檔類中，對行業中使用的典型文件類型信息類內容詳細說明（例如造價表），可引用資源層定義的類，也可被共享層和領域層里的類引用。

在路基信息模型中，核心層適用于定義路基專業的基本實體，例如樁身、錨索、錨具、墊板、骨架等；也定義了填方、挖方、挖基、路塹、路堤、基床、路肩等路基信息模型中的基本概念。在這些基本概念類中，將資源層定義的類作為數據成員，形成路基基本實體，例如一個填方實體，帶上資源層定義的特有屬性后，變為填普通土、填軟石、填次堅石、填滲水土、填級配碎石等；挖方實體帶上資源層定義的特有屬性后，可組合為挖土、挖石，也可帶上另一種屬性后組合為挖基土、挖基石等；對路基土石方工程，運輸距離可作為在資源層定義的單獨屬性類，引用在本層定義的填方、挖方的基本實體中。

在類定義中，應確定該層資源的合理選擇范圍，一般情況下以鐵路路基設計中的路基諸表表頭所列內容為基礎，將諸表中的各類路基工程分解為最小的實體單元，在EBS（Engineering Breakdown Structure）分解中對應路基工程實體的分類編碼。

2.3 共享層

共享層是定義路基的通用實體類，是路基專業信息模型互用共享的基本單元。通用實體的組成部分在資源層和核心層已有詳細定義，共享層是將這些資源組合起來，形成單項完整的路基工程項目，以便在設計、施工、運營維護等各階段進行信息建立與交換。

在路基信息模型中，包含了各類擋土墻、框架護坡等。以路肩擋土墻為例，在核心層定義了重力式路肩墻墻身、衡重式路肩墻墻身，也定義了反濾層、挖基、伸縮縫、泄水孔等；在資源層定義了材料類型（片石混凝土類型、混凝土類型）、單位（墻身圬工用體積類單位、伸縮縫用面積類單位）等。共享層除引用上述已定義的類外，還要增添實體的起止里程、左右側、基地及墻背的物理力學參數等屬性，形成完整的單項工程項目。共享層還包含抗滑樁、骨架護坡、錨桿框架、側溝等等。其資源的劃分一般下以鐵路路基設計中路基諸表的內容為基礎，詳細描述該單項工程實體的具體屬性，例如側溝應包含側溝項目的各個完整子項目（溝身圬工、泄水孔、挖基、回填等）。

2.4 領域層

領域層定義行業的一些專有概念和復合實體，是模型中最高層次，可引用共享層、核心層、資源層定義的類的對象，不能被其他層的對象引用。

在路基信息模型中，領域層次定義了各種路基特有的概念和信息實體，包括地基處理、支擋工程、土石方工程、防護工程、排水工程等，可以是多個單項路基工程的集合，例如深路塹工點可能包括一個或多個樁間擋土墻實體，一個或多個（也可沒有）擋土墻或護坡工程。對路基工點正面圖、橫斷面設計圖、過渡段、取土場、棄土堆、排水系統圖，采用地圖這樣的路基復合信息實體，可在領域層單獨建立對象類，方便二維出圖向三維模型交付過渡。

2.5 路基三維模型信息交付標準

路基數據模型建立后，運用模型展開與路基相關的工作，需要確定信息交換的流程，以及流程的功能和執行這些流程的結果，每個信息交付過程需要單獨定義。例如，施工時需要獲得擋土墻墻身材料、墻背材料的物理力學參數要求等；運營維護時外部條件發生變化，對擋土墻的抗滑和穩定分析需要的信息接口。

構建模型的目的是便于存儲和檢索、方便信息共享互用。因此，在建立模型前，應詳細梳理實體在全生命周期中的信息使用流程，在信息模型中留有盡可能完整的信息存儲空間。

2.6 鐵路路基字典框架

信息模型中應將路基各種實體概念與其名稱和描述分開，每個實體對應一個唯一的標識符，在各交付過程中定制特定環境下的實體名稱及描述，保證在項目全生命周期內，每個人通過信息交換得到的信息與其想要得到的信息一致。

3 基于IFC的路基建模平臺架構

路基BIM三維信息模型是面向鐵路路基全生命周期的完整工程信息集，包含各實體的幾何及非幾何屬性。隨著路基工程的進展與擴展，數據不斷集成，需要一個路基BIM信息集成展示平臺。平臺應具備路基實體信息（三維幾何數據、完整的工程信息描述數據、施工信息數據、工程安全性能維護數據、路基實體間的工程邏輯關系數據等）保存、跟蹤和擴充功能，實現數據模型的讀取、保存、修改、合并、刪除和三維實體顯示，并支持基于路基BIM技術的各種軟件（穩定分析、沉降分析、流域流量分析等）的接口，實現項目全生命周期各階段的信息交換和共享。平臺的基本構架見圖1。

4 模型應用分析

基于BIM技術的路基信息模型建成后，設計期間通過對三維實體全方位的空間觀察，可更加合理確定設計方案，方便核查專業內設計措施的碰撞情況，直觀反映業主的建設意圖，大大提高設計文件質量；施工期間根據模型共享實體信息，可反復虛擬施工過程，優化施工組織，減少施工干擾，合理確定施工階段人員安排及材料準備，最大限度地減少施工成本，提高施工效率；運營維護期間可即時查詢實體信息，分析環境變化后的穩定及安全狀況。

5 結束語

全面分析鐵路路基的工作流程及工作內容，合理劃分基于BIM技術的路基資源層次，是建立三維鐵路路基信息模型的成敗關鍵。實現模型集成和展示平臺，是鐵路路基運用BIM技術的標志，是路

圖1 平臺的基本構架

基工程中提高工作效率與質量的根本保障。基于BIM技術的路基三維模型是貫穿路基項目的全生命周期的模型，對模型的需求是形式多變的、內容豐富的，時間跨度很大。因此，應立足于模型平臺的自主開發，如果不能自主開發，應保證在建模平臺下，增加基于IFC或IFCXML的標準交換接口。無論是自主開發平臺，還是在主流三維軟件（例如達索Catia及歐克特Revit、Civil3D等）下進行二次開發，在交換過程中，存在一些不確定的問題，因為IFC標準本身不夠成熟和完善，對一些信息無法完整表述，隨著BIM技術的飛速發展，這些問題將迎刃而解。

[1] 何關培. BIM總論[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2] 劉照球. 基于IFC標準建筑結構信息模型研究[D]. 上海：同濟大學，2010.

[3] 張建平. 基于IFC的BIM及其數據集成平臺研究[C]//第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集. 北京：中國土木工程學會，2008.

劉厚強：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，高級工程師，四川 成都，610031

徐駿：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，高級工程師，四川 成都，610031

李安洪：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，教授級高級工程師，四川 成都，610031

責任編輯葛化一

U 416

A

1672-061X（2014）02-0050-03