基于3D EXPERIENCE 平臺的機務車輛BIM 標準化模型庫研究

李騰飛

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

模型是組成BIM[1]項目的基礎單元，描述其幾何信息、專業屬性及狀態信息，是傳遞信息的基本載體。一根螺栓、一臺電機、一套設備甚至一座檢查庫，這些單元都可以視為從狹義到廣義的某種層級的模型[2]，以滿足不同工程階段應用的需要。合格的模型需要具有復用性、獨立性、可參變性、可擴展性及可連接性五個特征。而只有按照統一規則制作、統一分類、統一存儲的模型集合，才能稱之為模型庫[3-4]。創建模型庫可以對庫進行結構性存儲、組織、展示、統計分析并供用戶調用模型。

機務、車輛專業是機輛段所（國鐵機務、車輛、動車段所及城軌車輛段）運用、整備、檢修系統的核心專業，涉及大量的工藝設備及工藝管道。雖然在多年開展的BIM 項目中，機務、車輛專業積累了大量的模型，但之前由于缺乏標準化規則，創建的模型沒有統一規矩，僅可滿足當前項目的某些需求，并不一定按照IFC 標準創建模型，這就造成了盡管都是機務車輛專業人員繪制并交付的設計模型，但在模型分類、命名、表達精度、行為上卻各不相同。

基于IFC 標準[5]的模型信息表達不同于傳統二維圖方式表達，其不僅包含模型的點、線、面在內的所有幾何信息，而且能夠包含完整的項目信息，如材料信息、空間位置信息、相互關聯信息、生產信息、費用信息、維保信息等，構建一個可視化、信息化的全生命周期三維模型。考慮到機務、車輛專業在工程量統計和全生命周期BIM 模型屬性信息應用需求，機務、車輛專業已在前期對專業涉及的工藝設備和工藝管道進行了分析和分類，并完成了機務車輛IFC 標準擴展及3D EXPERIENCE 平臺部署應用。

因此，針對機務車輛專業模型眾多、數據龐大的特點，本文創建機務車輛專業標準化模型庫，將所有按照IFC 標準制作的BIM 輕量化[6]模型后的模型統一存儲、統一管理，解決重復創建、無序存儲、質量參差等問題，將有助于知識成果通過復用發揮最大價值，實現機務、車輛BIM 設計高效化、標準化以及BIM 模型屬性信息全生命周期標準化傳遞和共享，滿足工程建設和運維管理應用需求，避免重復勞動，提高BIM 的設計效率和設計質量，降低BIM 的實施成本。

1 IFC 標準化模型庫創建流程

1.1 標準化模型庫創建

3D EXPERIENCE 平臺（以下簡稱3DE 平臺）分為標準空間和項目空間，項目空間之間的數據不互通，項目A 中的模型不可直接復制到項目B 中使用，標準空間是一種用于存放標準件（如螺釘、螺母）的特殊空間，標準空間中的模型可引用或復制至項目中使用?；跇藴士臻g的特性，為方便模型庫使用，將模型庫建立在標準空間。

機務、車輛專業模型庫的創建按照模型IFC 標準分類進行，在StandardPart_Vehicle 標準空間中創建一個Catalog 用于存放所有的模型，在此Catalog 下按照層級建立一系列的Chapter 用以表示各種工藝設備之間的從屬關系，例如，加工設備—車床—數控車床。按照3DE平臺部署的IFC 標準對專業工藝設備進行分類，建立的標準化模型庫如圖1 所示，這里展示三層分類。

圖1 機務、車輛專業標準化模型庫

機務、車輛專業模型庫可以涵蓋機輛段所運用、整備、檢修系統涉及的超4 000 項工藝設備及工藝管道，每一臺設備都有對應的IFC 標準類型，滿足設備分類統計的需要。

1.2 模型處理

在多年開展的BIM 項目中，機務、車輛專業積累了大量的模型文件，但是這些模型來源于不同的單位和廠家，其建模軟件、處理方法、加工方式均不同，造成模型格式混亂，再加之不同三維建模軟件之間數據傳遞時總存在信息丟失和模型破損的情況，導致項目中實際使用的模型在分類、命名、表達精度、行為上均存在差異。結合當前實際項目需求深度，結合3DE 平臺現實情況，總結模型標準如下：

（1）有標準的命名和配色，采用英文命名，能做到見名知意，配色盡量貼近實際。

（2）有標準的分類，每一個模型有其對應的IFC 類型，模型結構中不出現3DE 平臺原生物理產品和物理模型。

（3）有標準的屬性信息，模型增加代理屬性集以保證跨平臺傳遞，有各階段所需的信息。

（4）有標準的分類與編碼，通過分析編碼，也可得到模型的信息。

針對收集的專業BIM 模型，首先對其格式進行處理，最優的情況是將其轉化為基于實體的.step 格式，然后將其導入3DE 平臺，然后經過圖2 所示流程可以將其處理為一個標準化的模型。

圖2 標準化模型處理流程

（a）對模型進行輕量化處理。有些設備模型體量巨大，含有許多當前設計階段不需要表達的細節內容，不僅導致項目瀏覽查看不順暢，也制約了向運維方向的深化應用，所以模型進入3DE 平臺的第一個步驟就是輕量化處理。目前的主要手段有部件刪減、部件減面和產品過濾。部件刪減是指刪除模型中不涉及與周圍環境的接口關系，也不影響設備的空間占位的精細部件，例如大量的螺釘、螺母、墊片等；部件減面是指刪除一些內部表面和一些碎面片，例如倒角、孔洞等；產品過濾是使用3DE 平臺Engineering IP Control 輕量化模塊，將模型中帶有的原生格式統一為一個3D shape，抹去原生格式對模型的影響。圖3（a）是收集的一個數控車床原始模型，圖3（b）是輕量化后的設備模型，結構樹簡化，去掉了模型的設計過程，僅保留設計結果。

圖3 數控車床的輕量化處理

（b）添加IFC 類型。為了便于對機輛段所中設備數量進行統計，對每一臺套設備添加其對應的IFC 類型，統計類型的實例化個數就可得到其設備數量，可快速得到設備數量表和工程概算金額，例如我們有3 臺普通車床和1 臺不落輪鏇床，我們便可得知這4 臺設備的概算，這便是為所有的設備增添IFC 類型的意義所在。機輛專業已經完成了在3DE 平臺中IFC 類型的布置，因此此步驟具體為新建一個具有IFC 類型的實體，并將已輕量化的模型復制過來，為其增加IFC 類型。同時，在此步驟對設備命名和配色，采用英文命名，能做到見名知意，不使用特殊字符，配色貼近設備實際顏色。圖4 為數控車床添加IFC 類型并重新標準化命名和配色后的模型。

圖4 數控車床添加IFC 類型和標準化命名

（c）添加一個用于定位模型的軸系，并將此軸系發布。為了便于處理后的模型在項目中使用時定位，此次建設標準化模型庫時要為其增加一個用于裝配的軸系，本文總結了一些推薦的軸系位置：若設備與股道相關，則將軸系添加在股道中心線，標高為軌面；若設備為放置在地面上的設備，則將軸系添加在地面的角點上，軸系的z 軸豎直向上；若設備裝配形式多樣，則將軸系添加在表面上。最后將這個軸系發布，這樣在項目使用時，不僅可以直接對模型裝配，也可以使用批量布置插件對設備按規律批量布置，提高設計效率。圖5 為數控車床添加的軸系，原點在設備底角，z 軸豎直向上，x、y 軸平行設備底邊。

圖5 添加定位軸系并發布

（d）給模型添加屬性集（包括編碼）。對每一個模型都可添加其對應的屬性集，屬性集的內容相對靈活，既可以添加設備通用的信息，例如生產、制造、資產、運維等全生命周期的屬性，也可以添加其專用的屬性信息，比如設備具體的加工精度、進給速度、主軸轉速等。在這次標準化模型庫建設時，將可添加的屬性全部添加，將來按照設計階段和模型粒度賦予設備相應的信息深度，即保留相應的屬性集。圖6 為數控車床的所有屬性集，不僅包括設備基本參數信息，也具備生產、制造、資產、運維信息。

圖3-圖6 以一個數控車床為例，在這四個步驟之后可以得到一個具有標準命名、標準IFC 類型、具備全部屬性的標準化模型（包括設備編碼）。這樣的模型可以滿足現階段BIM 項目的需要，無論是利用BIM+GIS平臺進行可視化展示，還是利用數字孿生對機輛段所進行運維管理。

1.3 模型入庫

對于少量的模型確實可以在標準化之后直接在項目中使用，但是3DE 平臺項目空間數據不可互通，導致同一模型經常需要導出導入操作才可在新項目中使用；同時，隨著項目的增多，模型數量也在增加，經常丟失之前標準化的模型，導致返工、低效；此外，往往搜索同一個關鍵字會存在不同項目空間中的多個模型，管理起來造成混亂。因此，標準化的模型需要入庫統一管理。

標準化模型庫的創建借助于3DE 平臺中的Catalog（目錄），與實體書類似，目錄下分不同的章節（Chapter），章節下又可有不同的小節，用一個小節表示一種IFC 類型（例如車床），就可按照IFC 類型分類存放標準化的模型。

在模型標準化處理之后，打開模型庫的Catalog，找到其IFC 類型對應的Chapter，選擇“在Chapter 中插入存在的模型”命令，選擇標準化的模型，便可將模型存入模型庫中。這樣一來，不僅可以利用模型的信息檢索標準化模型，也可通過在Catalog 中分級查找，找到設備模型；此外，同類模型在同一Chapter 中，幾種參數不同的設備一起存放，可以做到一目了然，方便使用和管理模型。圖7 為現階段部分標準化模型庫。

圖7 機務車輛標準化模型庫（部分）

2 模型庫應用

3DE 平臺項目空間中的模型不互通，在項目A 中使用的模型不可以直接復制到其他項目中，標準空間的模型可以在項目空間中直接使用。部署在標準空間的標準化模型庫，庫中的模型可在項目中直接引用。在項目空間中插入標準化模型庫中的模型，將其發布的軸系裝配到對應位置的軸系上，就可完成模型的裝配和安裝，這就是標準化模型庫最直接的應用，例如不落輪鏇床的裝配、動車組的裝配。

除此之外，機務車輛專業往往需要批量裝配有規律的一系列模型，例如綜合支吊架布置、軌道橋的布置、洗車機的布置等，此時借助開發的設備設施批量布置工具包，利用一個第三方服務器，將標準空間中的模型先傳入第三方服務器，再導入項目空間，就可用工具包批量布置模型，圖8 是根據洗刷車型不同，利用批量布置工具包布置的兩種不同參數的60 m 洗車機。通過一個批量布置工具包，同樣溝通了標準空間和項目空間，使得標準空間中模型庫中的模型在具體的項目空間中使用。這樣一來，我們可以進入標準空間增加、刪減模型，維護標準化模型庫，而在具體項目時僅是調用模型庫中的數據，一個或批量地安裝在項目空間中，通過對標準空間中一個模型的維護，可以在多個項目中多次調用和使用，提高設計效率。

圖8 配置不同的兩種60 m 洗車機

3 結束語

本文基于3DE 平臺創建了機務車輛專業標準化模型庫。機務車輛專業涉及的工藝設備和工藝管道數目眾多、分類復雜，因此有必要建立一個模型庫來統一分類和管理這些模型。本文總結了適應現階段BIM 應用的模型標準化處理流程，具體包括模型輕量化、添加IFC 類型和發布軸系、添加屬性信息，可以得到符合IFC 標準的模型。本文簡單介紹了標準化模型的入庫管理和具體應用。創建標準化模型庫不僅方便存儲和管理機務車輛專業積累的模型和屬性信息數據，同時在生產項目中可直接調用模型庫中的模型和數據，提高設計效率，降低設計門檻。