基于IFC4的電氣化鐵路接觸網(wǎng)BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)研究

金 光

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2.軌道交通工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

BIM理念從最初的提出，到標(biāo)準(zhǔn)的制定、軟件的開(kāi)發(fā)、工程項(xiàng)目的試點(diǎn)應(yīng)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)鐵路行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

鐵路工程項(xiàng)目涉及專業(yè)眾多、數(shù)據(jù)體量大，在開(kāi)展BIM技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信息模型的數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)及共享顯得十分重要。傳統(tǒng)的基于文件的數(shù)據(jù)管理方式在對(duì)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用方面面臨著巨大挑戰(zhàn)[1]。

目前，各BIM平臺(tái)廠商提供了眾多的BIM建模及應(yīng)用軟件，但是由于鐵路工程具有專業(yè)多、信息量大、關(guān)系復(fù)雜、長(zhǎng)大帶狀等特點(diǎn)，無(wú)法通過(guò)一款BIM軟件或BIM平臺(tái)同時(shí)滿足鐵路工程全專業(yè)的BIM應(yīng)用需求，必須以信息模型數(shù)據(jù)交換與共享為依托，采用多軟件、多平臺(tái)的協(xié)同與管理模式，才有可能實(shí)現(xiàn)鐵路工程開(kāi)展全專業(yè)全生命周期BIM應(yīng)用的目的。

2 技術(shù)思路

IFC標(biāo)準(zhǔn)(Industry Foundation Class，簡(jiǎn)稱IFC)作為一種公開(kāi)的、結(jié)構(gòu)化的、面向?qū)ο蟮男畔⒔粨Q格式，技術(shù)架構(gòu)成熟，提供了一種不依賴于具體系統(tǒng)的、適合于描述貫穿整個(gè)建筑項(xiàng)目生命周期內(nèi)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的中性機(jī)制[2]，且可擴(kuò)展及兼容性較強(qiáng)，能夠描述并表達(dá)各專業(yè)、各系統(tǒng)在工程項(xiàng)目全生命周期的設(shè)計(jì)成果，保證了信息模型存儲(chǔ)的正確性和完整性，可有效支持系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和項(xiàng)目全生命周期的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)信息模型數(shù)據(jù)的共享，是解決信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換與共享這一核心問(wèn)題的基礎(chǔ)[3]。

2.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)框架

IFC標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際通用的開(kāi)放性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)參考STEP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)并逐步完善，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，buildingSMART分別于2013年、2015年推出了IFC4及IFC4×1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基本技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基本技術(shù)框架

其中：領(lǐng)域?qū)?Domain layer)定義特定專業(yè)領(lǐng)域所需的實(shí)體對(duì)象；共享層(Interop layer)提供通用性的對(duì)象與關(guān)系，可用于領(lǐng)域?qū)硬煌I(lǐng)域間的共享；核心層(Core layer)定義IFC模型的基本結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)關(guān)系和公共概念；資源層(Resource layer)提供廣泛的基本信息實(shí)體，通過(guò)被其他層引用的方式出現(xiàn)。

2.2 IFC傳輸/配送系統(tǒng)

IFC標(biāo)準(zhǔn)以抽象性、兼容性的思維方式，將水、氣、電等各類傳輸系統(tǒng)從本質(zhì)上統(tǒng)籌考慮為是由各類管線設(shè)備、控制設(shè)備，通過(guò)各類接口連接組成的網(wǎng)狀傳輸/配送系統(tǒng)[4-12]。

在IFC標(biāo)準(zhǔn)基本框架中，將傳輸/配送系統(tǒng)的對(duì)象定義分別位于共享層和領(lǐng)域?qū)又小９蚕韺拥膬?nèi)容位于IfcSharedBldgService Elements schema中，此schema中定義包括配送系統(tǒng)的基本概念及關(guān)于流體流動(dòng)特性、電氣性能、空間熱性能等各種屬性；領(lǐng)域?qū)拥膬?nèi)容根據(jù)其輸送的媒介不同在領(lǐng)域?qū)酉鄳?yīng)派生定義不同的子類對(duì)象，包括：IfcHvacDomain(空調(diào)暖通系統(tǒng)類對(duì)象)、IfcElectricalDomain(電力系統(tǒng)類對(duì)象)、IfcPlumbingFireProtectionDomain(防火系統(tǒng)類對(duì)象)以及IfcBuildingControlsDomain(建筑監(jiān)控系統(tǒng))等內(nèi)容[13-16]。

IFC傳輸/配送系統(tǒng)分別采用三類對(duì)象進(jìn)行定義[4]。

(1)傳輸/配送實(shí)體構(gòu)件對(duì)象(IfcDistribution Element)，用于定義各類具有真實(shí)物理性狀的實(shí)體；

(2)傳輸/配送接口對(duì)象(IfcDistributionPort)，用于定義各種連接各類實(shí)體構(gòu)件的連接關(guān)系；

(3)傳輸/配送系統(tǒng)對(duì)象(IfcDistributionSystem)，用于定義整個(gè)傳輸/配送系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系。

其中，在IFC現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，傳輸/配送系統(tǒng)所定義的實(shí)體構(gòu)件對(duì)象及其繼承關(guān)系如圖2所示。

圖3 IFC傳輸/配送系統(tǒng)接口與實(shí)體連接關(guān)系

圖2 IFC傳輸/配送系統(tǒng)實(shí)體構(gòu)件繼承關(guān)系

實(shí)體構(gòu)件對(duì)象與接口間的連接表達(dá)關(guān)系如圖3所示。

通過(guò)上述表達(dá)方式對(duì)傳輸/配送系統(tǒng)所需的實(shí)體構(gòu)件及其連接關(guān)系進(jìn)行定義，能夠具體描述各類媒介(能量、流體、氣體等)傳輸、存儲(chǔ)、控制、分配的循環(huán)過(guò)程與流通網(wǎng)絡(luò)。

3 接觸網(wǎng)專業(yè)IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展方案

接觸網(wǎng)作為電氣化鐵路所特有的結(jié)構(gòu)實(shí)體，其本質(zhì)為一種電能的傳輸載體，是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，從本質(zhì)上而言，應(yīng)將其納入傳輸/配送系統(tǒng)的表達(dá)范疇。

3.1 擴(kuò)展原則

IFC4標(biāo)準(zhǔn)中定義的IfcElectricalDomain，其范圍主要包括電力、數(shù)據(jù)、通信信號(hào)及其他以線纜作為承載介質(zhì)的各類系統(tǒng)；其組成主要包括組成該類系統(tǒng)所需的各類線纜、設(shè)備、控制裝置以及連接接頭等構(gòu)件；其范圍主要包括建筑電氣室內(nèi)低壓配電方面，對(duì)于室外中高壓電力系統(tǒng)及電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)方面目前還未進(jìn)行具體定義與表達(dá)。

因此，可充分利用IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的可擴(kuò)展特性，在遵循IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基本框架基礎(chǔ)上，結(jié)合接觸網(wǎng)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，提出接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)注擴(kuò)展原則如下。

(1)主要在IFC架構(gòu)領(lǐng)域?qū)舆M(jìn)行擴(kuò)展，不另外增加新的領(lǐng)域。

(2)在既有實(shí)體的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加屬性或預(yù)定義類型的方式擴(kuò)展實(shí)體。

(3)當(dāng)既有實(shí)體無(wú)法滿足需要時(shí)，新增實(shí)體及相應(yīng)的通用屬性類。

3.2 模式表達(dá)

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成。牽引變電所將電力系統(tǒng)通過(guò)高壓輸電線送來(lái)的電能加以降壓和變流后輸送給接觸網(wǎng)，以供給沿線路行駛的電力機(jī)車。其中，接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路。

按照IFC傳輸/配送系統(tǒng)的定義模式，牽引供電系統(tǒng)能量傳輸及配送關(guān)系的表達(dá)如圖4所示。

圖4 牽引供電系統(tǒng)能量傳輸及配送關(guān)系示意

3.3 實(shí)體擴(kuò)展

接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)及支柱、腕臂支持裝置、定位裝置、接觸懸掛(接觸導(dǎo)線、承力索、吊弦、中心錨結(jié)、下錨裝置等)及設(shè)備(分段絕緣器、避雷器、隔離開(kāi)關(guān))等組成。

按照制定的擴(kuò)展原則，構(gòu)成接觸網(wǎng)系統(tǒng)的主要實(shí)體構(gòu)件以既有IFC4標(biāo)準(zhǔn)中已定義類型或預(yù)定義類型進(jìn)行表達(dá)，既有標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法表達(dá)的構(gòu)件采用新增類型或預(yù)定義類型的方式進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展方案主要如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)體擴(kuò)展方案

接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成關(guān)系如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意

3.4 實(shí)體類型及屬性集定義

(1)實(shí)體類型定義

按照IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的類型定義規(guī)則，以新增的IfcCableAuxiliary(線纜附屬構(gòu)件)為例，其實(shí)體類型繼承關(guān)系如圖6所示。

圖6 IfcCableAuxiliary實(shí)體類型繼承關(guān)系

IfcCableAuxiliaryTypeEnum是線纜附屬構(gòu)件的類型枚舉，從功能的角度定義線纜附屬構(gòu)件的類型。

新增枚舉項(xiàng)定義如下：

ANCHORCOMPENSITON: 下錨補(bǔ)償裝置；

DROPPER: 吊弦；

ELECTRICCONNECTION: 電連接；

MIDPOINTANCHOR: 中心錨結(jié)；

USERDEFINED: 用戶自定義；

NOTDEFINED: 未定義。

(2)屬性集定義

按照IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的類型定義規(guī)則，以新增的下錨補(bǔ)償裝置(IfcCableAuxiliary/ANCHORCOMPOS ATION)為例，其屬性集Pset_CableAuxiliaryTypeAnchor-Compensation定義如表2所示。

表2 Pset_CableAuxiliaryTypeAnchorCompensation屬性

其余新增實(shí)體構(gòu)件及利用既有實(shí)體構(gòu)件增加枚舉項(xiàng)的擴(kuò)展方法與其類似，均可參照?qǐng)?zhí)行。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)IFC4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，結(jié)合電氣化鐵路接觸網(wǎng)的自身特點(diǎn)及工程實(shí)際應(yīng)用需求，提出了基于IFC4標(biāo)準(zhǔn)的電氣化鐵路接觸網(wǎng)BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展原則及具體方案，為下一步鐵路工程BIM技術(shù)的深化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

目前，基于IFC4的電氣化鐵路接觸網(wǎng)BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，已作為《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)》的組成部分于2016年7月對(duì)外正式發(fā)布、實(shí)施。下階段，將以鐵路工程項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)開(kāi)展IFC標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證工作，進(jìn)一步提升BIM軟件對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，為全面實(shí)現(xiàn)鐵路工程項(xiàng)目全專業(yè)、跨平臺(tái)BIM協(xié)同與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。