動車段所BIM全生命周期數據傳遞關鍵技術

孟煒

（中國鐵路設計集團有限公司 機械動力與環境工程設計研究院，天津 300308）

0 引言

隨著BIM技術的發展和普及，多階段、集成化應用已經成為目前研究和發展方向。動車段所是鐵路機車車輛運營、整備、檢修區域，建筑體量大、涉及專業多、專業間接口復雜且運營期工藝流程復雜，因此開展基于BIM技術的動車段所全生命周期管理是有必要的。全生命周期管理通常包含規劃、設計、施工和運維4個階段：規劃、設計階段通常采用Dassault平臺、Autodesk平臺和Bentley平臺進行設計［1-2］；施工階段通常采用Navisworks、3D Max、Fuzor［3］等軟件進行施工交底、施工仿真或效果制作；運維階段通常以前期成果作為基礎數據，進行自主平臺的研發。

為保證數據的完整性，一方面可自主開發統一數據格式平臺，但這種方式通常費時費力，兼容性差，且很難滿足多種文件的交換需求；另一方面可以采用數據轉換的方式，但通常面臨著模型幾何信息與非幾何信息丟失的問題［4-5］。如何在目前統一數據平臺開展全生命周期研究難以實現的情況下，選擇最佳數據傳遞方案及輕量化技術路線，是研究的重點。以主流BIM軟件3D EXPERIENCE（CATIA V6，簡稱3DE）作為主要設計源頭，研究不同設計階段數據傳遞的優選協同格式及輕量化路線。

1 數據傳遞方式研究

1.1 規劃、設計階段

動車段所涉及到的專業眾多，包含測繪、站場、軌道、橋梁、牽引變、接觸網、電力、通信、信息、信號、建筑、結構、暖通、給排水、機務、車輛等專業，其中建筑、結構專業通常采用Revit軟件進行模型建立，利用IFC文件將設計成果傳遞到3DE平臺中；機務、車輛等專業屬于工藝設備專業，設備模型通常由廠家提供，涉及種類及類型繁多，如：SolidWorks、Catia、Inventor等。

由于不同軟件建模、表達及數據存儲存在較大差異，且很多機械軟件對IFC類型文件支持不夠好，故常用的數據傳遞格式有STEP、IGS等，STEP格式相較于IGS格式，不僅可以保存更多的文件信息，同時對大文件的支撐效果也較好。所以對動車所設備模型的數據傳遞，通常采用STEP格式導入到Dassault平臺中，規劃設計階段優選協同技術路線見圖1。

圖1 規劃設計階段優選協同技術路線

1.2 施工階段

目前施工階段比較成熟的應用主要有：施工組織模擬、工藝工法模擬、工程算量、施工進度控制、安全管理等［6］。在其中BIM數據交互IFC格式是最好的解決方案，但是由于Dassault平臺本身對導出IFC文件功能不夠完善，部分數據存在配色丟失、模型變形等問題。所以對于這部分模型以3DXML格式導出，以數據轉換的方式導入到施工平臺中，有時為了更好地保存模型的配色及屬性信息，還會將部分模型以IFC、STEP等格式文件導出（見圖2）。

圖2 施工階段優選協同技術路線

1.3 運維階段

目前運維平臺的研究通常根據需求有針對性的進行開發。由于動車所的模型體量較大，以超圖的平臺為例，Supermap10版本以后通常可以直接打開Dassault平臺的3DXML數據，但當模型體量較大時，通常會存在模型打開失敗的情況。通過自主研發格式轉換插件，將3DXML文件轉換為UDB文件，進一步導入到GIS平臺中進行處理，目前已成功將BIM模型轉入到中國鐵路設計集團有限公司自主開發的RIM平臺和超圖的GIS平臺，運維平臺在超圖平臺基礎上利用C#進行進一步開發（見圖3）。

圖3 運維階段優選協同技術路線

1.4 不同設計階段數據傳遞的優選協同格式

結合上述研究，總結出不同設計階段數據傳遞的優選協同格式（見圖4），選擇合適的數據傳遞方式能夠很好的保存模型的幾何與非幾何信息，為現階段BIM數據應用創造良好的條件。當然，未來統一協同設計環境，各軟件廠商完善IFC相關功能，才是解決數據傳遞問題的根本途徑。

圖4 全生命周期數據傳遞優選協同技術路線

2 輕量化方式研究

動車段所BIM模型體量巨大，相關BIM數據對平臺的承載能力要求非常高，故數據在傳遞過程中需要進行輕量化處理。數據傳遞的核心是模型的幾何信息和模型信息的保留。由于使用場景和需求存在差異，不同設計階段對模型精度及信息的要求并不相同，施工階段對模型幾何信息的要求較高，而運維交付更看重模型的非幾何信息，在保留模型幾何與非幾何信息基礎上，輕量化是其中研究的重點。模型輕量化主要有2種方式：

一是對幾何本身處理方式，減少模型的體量（如結構簡化、減少模型的多邊形數量等方式）。結構簡化通常是指針對特定的需求，對模型中體積較大部分進行簡化和修改，如3層作業平臺踏板密集的網格，安全連鎖音柱設備密集的網格等；減少模型多邊形數量是指采用技術手段降低模型的精細程度，這類方式可以從根本上減少模型的體量，達到真正意義上的輕量化，但過多的處理會降低模型原有的設計精度，且人工操作費時費力。

二是通過技術處理來實現的方式，如實例化技術和LOD技術。實例化技術是指模型在渲染的時候，對于同一類型的模型（如檢查庫內多個LU、檢查庫內多個安全門）僅對其中的一個模型進行處理，對于其他相同實例采用坐標矩陣的記錄方式，根據矩陣關系進行映射展示；LOD技術是指對模型根據距離進行處理，在距離模型較遠的時候，模型的細節層次顯示的比較少，相應加載的模型多邊形數量也較少，當距離模型較近的時候，模型的細節層次才會被加載出來，從而提高模型的加載速度。結構簡化、減少模型的多邊形數、實例化處理和LOD技術，多種技術方式結合使用往往會達到很好的輕量化效果［7-8］。

2.1 結構簡化

BIM模型在施工和運維階段交付的過程中，部分模型所包含的細節層次很多，而這些細節在施工運維階段關注度不高，因此這些特征可以進行刪除簡化，結構簡化的本質是減少模型的多邊形個數。以3層作業平臺、LU設備、綜合支吊架、不落輪旋床、軌道橋、安全連鎖音柱設備、檢查庫壓縮空氣管線、立體倉庫等模型為例進行結構簡化處理，研究其結構簡化前后體量變化的情況（見圖5）。

圖5 結構簡化前后模型文件體量變化情況

可以看出，通過結構簡化處理，模型的體量均有了顯著的降低，其中3層作業平臺體量大，屬于重復度較高的結構，通過對其進行結構的簡化和修改，模型體量得到了較好的降低；LU和不落輪旋床屬于工藝設備，通常設備廠家提供的是較為完整的模型，所以在施工和運維階段，對模型內部結構進行簡化會大幅減小模型體量；音柱雖然屬于小設備，但也由于初期建模過分追求細節，導致模型在轉為其他格式包含大量的冗余信息。通過對這種結構的簡化，便很有效的將模型的體量降下來，而模型的外觀基本上不會發生變化（見圖6）。對于管線等非設備相關模型，一般不需要對模型的結構進行處理。

圖6 結構簡化前（左）、簡化后（右）模型外輪廓

2.2 實例化處理

實例化處理是指對相同或者相似的幾何零件進行檢測，并將重復的模型轉化為實例。動車段所內有大量的重復設備，通過實例化處理可以極大減小模型體量，實例化技術僅改變了儲存數據的方式，并未改變模型本身。達索系統儲存文件格式為3DXML，所以達索系統在儲存文件的過程中就采用了實例化的技術。但由于建模過程中存在建模方式不規范、模型反復修改的問題，所以會導致一部分的實例關系發生丟失和破壞，且不同軟件的實例化算法略有不同，所以可通過其他軟件對其實例關系進行修復和重建。

利用實例化技術對3層作業平臺、LU設備、綜合支吊架、不落輪旋床、軌道橋、安全連鎖音柱設備、檢查庫壓縮空氣管線、立體倉庫等模型進行實例化處理，得到結果見圖7。可以看出，通過實例化處理，對于3DXML、UDB和緩存文件，其減小的比例較大，原因是由于模型在建立和修改的時候破壞了原有的實例化關系，導致再次實例化會降低模型的數據量。而對于3DS、NWD等文件，其大小基本不會發生變化，這是由于3DS和NWD文件自有的壓縮或儲存算法導致的。

圖7 實例化前后模型文件體量變化情況

2.3 多邊形簡化處理

模型多邊形的數量是影響渲染速度的重要因素，通過減少模型中多邊形的數量，可以減小數據的大小，提高模型的加載速度。但過度減少多邊形數量會降低模型的精度和質量，特別是視覺效果。通過多邊形簡化對3層作業平臺、LU設備、綜合支吊架、不落輪旋床、軌道橋、安全連鎖音柱設備、檢查庫壓縮空氣管線、立體倉庫等模型進行多邊形簡化處理，得到結果見圖8。

圖8 多邊形處理前后模型文件體量變化情況

可以看出，通過多邊形簡化處理，模型的體量發生了較大變化，這是減少模型體量和提高渲染速度最根本的方式。

2.4 結果對比

通過對模型進行輕量化處理，模型的體量均有了很大的變化。從文件體量來看，對于設備模型，如LU設備、3層作業平臺設備，通過R1～R3（R1為結構簡化；R2為實例化；R3為多邊形簡化）處理之后，其模型體量平均降幅在70%以上，對于非設備模型（如管線等），其平均模型體量降低幅度在50%左右；從多邊形數量上，對于設備模型（如LU設備、3層作業平臺設備），通過R1～R3方式處理之后，其多邊形平均降幅在80%以上，對于非設備模型，如管線等，其平均模型體量降低幅度在60%左右（見圖9）。

圖9 多種方式處理前后模型體量變化情況

3 結論

動車所BIM模型數據量大，存在難以直接開展可視化及應用的問題，采用合適的數據傳遞路線及模型輕量化技術可將包含冗余信息的BIM模型轉換成輕量化模型，實現模型數據量顯著縮減和模型復雜度顯著降低。研究從動車所實際設備設施出發，通過結構簡化、實例化處理和多邊形處理手段，以實例的方式進行研究，結合測試結果，設備模型體量通常降幅在70%以上，非設備模型降幅在50%左右。以正在開發的運維管理平臺為例，整個平臺的體量從原來的3.41 GB降低至0.62 GB，整體降幅為82%，輕量化效果十分顯著，為后續運維管理平臺的開發提供數據基礎。