基于IFC4的鐵路管線系統數據存儲標準研究

■ 楊緒坤 毛寧

基于IFC4的鐵路管線系統數據存儲標準研究

■ 楊緒坤 毛寧

系統分析現有IFC4標準共享層、領域層關于管線輸送系統的相關概念定義及其結構關系，參考建筑行業BIM應用中關于三維管線的設計理念，對鐵路工程中管線系統數據存儲標準的定義方法進行研究，提出鐵路工程管線系統IFC擴展方案及部分定義，為下一步鐵路BIM軟件設計打下良好基礎。關鍵詞：IFC；鐵路工程；管線；存儲標準

1 概述

隨著BIM概念在不同設計行業中的推廣，各個設計單位都在嘗試將BIM應用于項目設計中，其中在建筑BIM軟件中，三維管線綜合設計功能已經成為了標準配置。IFC4標準中，關于管線系統的定義已經較為完善成熟；但是主要針對建筑內部的各類管網系統進行設計和定義，從目前看并不能完全適應鐵路工程管線系統特點。為實現鐵路專業間及BIM不同階段的協同應用，有必要建立鐵路工程管線系統的BIM數據存儲標準。下面主要介紹IFC4中關于管線系統相關對象的定義方式、方法及其結構，結合鐵路工程管線系統的特點，提出基于IFC4的鐵路工程管線系統擴展方案。

2 IFC4管線系統模式

IFC4中關于管線系統的對象定義分別位于共享層和領域層中。共享層中的內容位于Ifc Shared Bldg Service Elements schema中。此schema中定義包括管線輸送系統的基本概念，還包含關于流體流動特性、電氣性能、空間熱性能的各種屬性。IFC標準中認為無論是輸送各類物體的管路、電力管線、空調通風、防火及信息監控系統，其本質都是一樣的，即該類系統均是由各類管線設備、控制設備，通過各類接口連接組成的網狀輸送系統。根據其輸送的媒介不同可以在對應的領域層中再派生定義不同的子類對象。例如Ifc Hvac Domain中定義關于空調暖通系統類對象，在Ifc Plumbing Fire Protection Domain中定義防火系統類對象，在Ifc Electrical Domain中定義電力系統類對象，在Ifc Building Controls Domain中定義建筑監控系統類對象等。

3 IFC4管線對象定義

IFC4中管線輸送系統包含三類對象：第一類為管線實體構件（Ifc Distribution Element）對象，用來定義各類具有真實物理形狀的實體；第二類為接口對象（Ifc Distribution Port），用來連接定義各類實體之間的關系；第三類為管線系統對象（Ifc Distribution System），用來表達定義整體的管線空間結構關系。

3.1 管線實體構件對象

管線實體構件對象有以下9種類型：

Distribution Chamber：管線上的節點裝備，如檢修手孔、坑等。

Energy Conversion Device：能量轉換設施，如冷卻設施等。

Flow Controller：管線控制設施，如閥門、電閘等。

Flow Fitting：管線連接設施，如三通、接線盒等。

Flow Moving Device：流體動力設施，如泵、風扇、壓縮機等。

Flow Segment：管線段，如管道、線纜等。

Flow Storage Device：儲存設施，如罐、電池等。

Flow Terminal：管線終端設施，如水池、燈具等。

Flow Treatment Device：流體處理設施，如過濾裝置等。

它們之間的繼承關系見圖1。

從圖1可以看出，Ifc Distribution Element是管線輸送系統中所有管線構件對象的父類。它有兩種子類Ifc Distribution Flow Element和Ifc Distribution Control Element。Ifc Distribution Flow Element用于表達管線系統內部的對象（包含在管線網中），Ifc Distribution Control Element用于表達獨立于管線系統外的，用于控制或監控系統的對象。上述9種類型的實體就派生自Ifc Distribution Flow Element類對象。其中與鐵路管線設備相關度較高的構件有如下幾類：

（1）Ifc Distribution Chamber Element：定義各種管線上的檢查檢修類設備構件。其預定義類型枚舉Ifc Distribution Chamber Element Type Enum從功能角度定義了檢修設備的類型。

枚舉項定義如下：

FORMEDDUCT：觀察井。

INSPECTIONPIT：檢修井。

MANHOLE：人孔，手孔。

METERCHAMBER：裝計量設施的井、室，水表井等。

SUMP： 集水坑，集水井。

TRENCH：槽，長度明顯超過寬度的開挖空間。

VALVECHAMBER：閥室，閥門井。

（2）Ifc Flow Controller：定義用以調節管線系統中管線流動狀態的設備，如閥門、開關等。包含Ifc Air Terminal Box，Ifc Damper，Ifc Electric Distribution Board，Ifc Electric Time Control，Ifc Flow Meter，Ifc Protective Device，Ifc Switching Device，Ifc Valve這些分布在不同領域層的子類。

（3）Ifc Flow Fitting：定義表達管線中連接過渡部分的構件設備屬性，例如彎頭、球座等。包含Ifc Cable Carrier Fitting，Ifc Cable Fitting，Ifc Duct Fitting，Ifc Junction Box，Ifc Pipe Fitting這些分布在不同領域層的子類。

（4）Ifc Flow Terminal：定義管線終端設備。包含Ifc Air Terminal，Ifc Audio Visual Appliance，Ifc Communications Appliance，Ifc Electric Appliance，Ifc Fire Suppression Terminal，Ifc Lamp，Ifc Light Fixture， Ifc Medical Device，Ifc Outlet，Ifc Sanitary Terminal，Ifc Space Heater，Ifc Stack Terminal，Ifc Waste Terminal這些分布在不同領域層的子類。

（5）Ifc Flow Segment：描述管線系統中某一段管線，此類在Ifc 4中注明下一階段將會成為不可直接實例化的虛類。包含Ifc Cable Carrier Segment，Ifc Cable Segment，Ifc Duct Segment，Ifc Pipe Segment四種子類。其中與鐵路專業相關度較大的有 Ifc Pipe Segment和Ifc Cable Carrier Segment。Ifc Pipe Segment類有以下幾種預定義枚舉項：

CULVERT：公路鐵路下的大型排水管道、涵。

RIGIDSEGMENT：不能變形的剛性管道。

FLEXIBLESEGMENT：可伸縮變形的可改變流向的管道。

GUTTER：明渠（流水面與空氣接觸，重力流）。

SPOOL：較短小的用于提供連接功能的剛性段。

Ifc Cable Carrier Segment類有以下幾種預定義枚舉項：

CABLELADDERSEGMENT：用于放置電纜的開口的梯狀結構管線段。

CABLETRAYSEGMENT：用于放置電纜的開口的管線段。

CABLETRUNKINGSEGMENT：用于放置一條或多條電纜的封閉管線段。

CONDUITSEGMENT：封閉的用于抽拉線纜的管道。

3.2 管線接口對象

管線接口對象Ifc Distribution Port用于定義管線設備上的接口，如熱水器上的上水口和出水口，它通過嵌套關系對象（Ifc Rel Nests）關聯到不同的實體對象。管線接口對象一般沒有具體的幾何表達，但可能會有定位信息來描述它在具體構件上的位置。

管線接口對象的EXPRESS代碼如下：

ENTITY Ifc Distribution Port

SUBTYPE OF Ifc Port；

Flow Direction：OPTIONAL Ifc Flow Direction Enum；

Predefined Type：OPTIONAL Ifc Distribution Port Type Enum；

System Type：OPTIONAL Ifc Distribution System Enum；

END_ENTITY；

其中屬性Flow Direction表示接口流向，其枚舉項有：

SOURCE：入口。

SINK：出口。

SOURCEANDSINK：出入口。

屬性Predefined Type表示接口的功能類別，其枚舉項有：

CABLE：連接電氣管線的接口。

CABLECARRIER：連接封閉電纜槽的接口。

DUCT：連接空氣類通風管道的接口。

PIPE：連接各種輸送固體、液體、油氣的管線的接口。

IFC管線接口與實體關系見圖2。Ifc Distribution Port接口對象通過Ifc Rel Nests關系對象附加在各種管線構件對象上。接口之間通過Ifc Rel Connects Ports關系型對象互相連接，從而描述出整個管線系統中所有構件對象及接口之間的拓撲關系。

3.3 管線系統對象

管網系統對象Ifc Distribution System是用來描述接納、存儲、運輸、分配、控制各種媒介流動的網絡。根據輸送媒介的不同，其預定義的管線系統類型見表1。

I F C管線系統對象聚合關系見圖3，可以看出Ifc Distribution System的組成方式，即通過Ifc Rel Assigns To Group關聯對象將數個Ifc Distribution Element構件對象打包成組與之相聯，每個Ifc Distribution Element又通過Ifc Rel Nests關聯對象將數個Ifc Distribution Port接口對象與之相聯。接口之間通過Ifc Rel Connects Ports關聯對象互相引用關聯。Ifc Distribution System對象之間通過Ifc Rel Aggregates關聯對象進行聚合。從而實現將不同管線相聯成一個統一的系統。

4 鐵路專業管線對象IFC擴展方案

4.1 鐵路專業管線對象特點

鐵路系統的管線主要有排水系統（雨水）、綜合電纜槽、站房建筑的暖通空調系統、室內給排水、電力系統、通信信息系統、信號控制系統、接觸網系統等類型的管線。其中站后專業的給排水、暖通、電氣、信號、信息等系統的管線布置可以參照采用現有IFC4中水暖、電氣、空調等相關領域層的對象來進行表達。

站前專業主要涉及室外排水系統管線及綜合電纜槽管線，分為管、溝、槽3種形式。其特點是矩形或梯形截面的明溝或帶蓋板的溝槽，每隔一段距離或拐角處設檢查井或手孔等檢修觀察設備。

4.2 IFC管線系統定義對鐵路工程管線系統的適應性分析

依據以上分析，現有IFC共享層的內容分類基本可以滿足鐵路排水管線及綜合電纜槽管線的設計需求，可能涉及的類對象為Ifc Distribution Port、Ifc Flow Segment、Ifc Flow Terminal、Ifc Distribution Chamber Element、Ifc Distribution System等。

4.3 排水系統擴展方案

鐵路管線模式中定義的管線包括站前專業各類排水管線設施及站內綜合管線設施。其中排水設施指排水溝、側溝、天溝、截水溝、急流槽、檢查井、集水坑、消能設施、路基面縱向排水槽、路基面橫向排水槽（管）、公路排水槽（管）、立交橋下排水溝（管）、隧道內中心溝、隧道洞口排水溝、隧道仰坡截水溝、隧道環向盲管、縱向盲管、橫向排水管、豎向排水管等用于排除地表水的設施及其附屬檢修設備。站內綜合管線設施指的是站內綜合電纜槽及其附屬各類檢修設備。

4.3.1 排水溝對象

使用Ifc Distribution System表達一條排水溝。使用Ifc Distribution System表達各種類型的排水溝，并同時要求Ifc Distribution System的預定義類型屬性取值為“STORMWATER”。

為Ifc Distribution System新定義名稱為“Pset_DS_Drainage Ditch Common”的屬性集（見表2）。

4.3.2 排水溝段構件對象

使用Ifc Pipe Segment表達整條排水溝中的一段排水溝、槽、管，并同時要求Ifc Pipe Segment的預定義類型屬性取值為“GUTTER”。為Ifc Pipe Segment新定義名稱為“Pset_PS_ Ditch Segment Common”的屬性集（見表3），用于進一步標識排水溝段的類型。

4.4 綜合電纜槽擴展方案

（1）綜合電纜槽對象：使用Ifc Distribution System表達綜合電纜槽對象；使用Ifc Distribution System表達各種綜合電纜槽，并可以將Ifc Distribution System的預定義類型屬性取值為“CONVEYING”或“USERDIFINED”。

（2）綜合電纜槽段：使用Ifc Cable Carrier Segment表達一段電纜槽，并同時要求Ifc Cable Carrier Segment的預定義類型屬性取值為“CABLETRUNKINGSEGMENT”。

（3）管線設備：使用Ifc Distribution Chamber Element表達排水溝或電纜槽上的檢查井，并同時要求Ifc Distribution Chamber Element的預定義類型屬性取值為“M A N H O L E”；使用Ifc Distribution Chamber Element表達排水溝上的集水坑，并同時要求Ifc Distribution Chamber Element的預定義類型屬性取值為“SUMP”。

5 結束語

IFC4標準中關于管線輸送系統的對象架構設計已經相當完善，各類對象的結構層次比較清晰明確，為不同行業的標準擴展工作提供了便利。以上介紹的擴展方案提煉了不同專業各類管線的共同特性，充分利用了IFC標準的擴展機制，能夠滿足鐵路建設各專業管線對象的表達需求。并與現有IFC4標準及開發中的building SMART IFC鐵路Schema保持良好兼容。

[1] 李華良，楊緒坤，王長進，等． 中國鐵路BIM標準體系框架研究[J]． 鐵路技術創新：2014(2)：16-21．

[2] 李華良，楊緒坤，沈東升，等． 鐵路工程信息模型分類和編碼標準研究[J]． 鐵路技術創新：2015(3)：17-20．

[3] National Institute of Building Sciences．National BIM Standard-United States Version2[S]．

[4] Building SMART International Limited．IFC4Official Release[S]．

楊緒坤： 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，天津，300251

毛 寧： 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，天津，300251

責任編輯 盧敏

TU279；TP39

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