基于IFC标准和数据库技术的铁路站场自动化BIM建模方法.pdf

26 刘沛.基于 BIM 的铁路车辆站场场坪三维设计关键技术研究J.铁道标准设计,2021,65(7):188-193.LIU Pei.Research on Key Technology of Three-dimensional Design of Railway Vehicle Station Yard Based on BIMJ.Railway Standard Design,2021,65(7):188-193.27 刘沛,赵亮亮,董凤翔,等.铁路站场工程 BIM 模型信息审查系统研究J.铁道标准设计,2023,67(3):49-54.LIU Pei,ZHAO Liangliang,DONG Fengxiang,et al.Research on BIM Model Information Review System for Railway Station and Yard EngineeringJ.Railway Standard Design,2023,67(3):49-54.28 JUNG N,LEE G.Automated Classification of Building Information Modeling(BIM)Case Studies by BIM Use Based on Natural Language Processing(NIP)and Unsupervised LearningJ.Advanced Engi-neering Informatics,2019,41:100917.29 ZHANG J S,EL-GOHARY N M.Integrating Semantic NLP and Log-ic Reasoning into a Unified System for Fully-automated Code CheckingJ.Automation in Construction,2017,73:45-57.30 ZHANG J S,EL-GOHARY N M.Semantic NLP-based Information Extraction from Construction Regulatory Documents for Automated Compliance CheckingJ.Journal of Computing in Civil Engineering,2016,30(2):1-42.收稿日期:20230531;修回日期:20230606基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发重点课题(数字-研 2022-6)作者简介:杨文成(1989),男,高级工程师,2015 年毕业于中南大学交通运输工程专业,工程硕士,主要从事铁路站场设计和计算机辅助设计软件二次开发等研究工作,E-mail:376842421 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10007808基于 IFC 标准和数据库技术的铁路站场自动化BIM 建模方法杨文成,霍 磊,郑 玢,赵 鹏,乔俊飞,张小虎(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:随着 BIM+GIS 相关技术的快速发展,对勘察设计成果多维化表达的需求持续增强,如何解决铁路站场专业设计流程复杂、接口专业繁多等问题造成的三维建模效率低下的现状,以及由此导致的二维勘察设计工具平稳过渡到三维设计平台是铁路站场工程亟待研究的热门问题。国内外市场公开发行的三维建模产品形式多种多样、效率参差不齐,针对不同的工程应用场景适应性差异巨大,并且现有产品多为封闭的图形数据库存储格式,不同平台之间难以实现准确、高效的协同化作业。国际 buildingSMART 组织提出的 IFC 技术和相关标准为数据从底层逻辑实现跨平台流通提供了出色的技术路线和发展理念,以及高度可扩展性。结合 MDB/SQL 等成熟的数据库技术将AutoCAD 图形数据与 IFC 编码信息梳理成一套完整的映射和存储关系,并开发了配套软件系统,可以将图形信息经数据库模块等中间件生成为 IFC 文件,进一步基于 OpenRail Designers 平台参考 L-SYSTEM 理论和 NURBS 建模等方法开发了一套将 IFC 文件读入并自动创建 BIM 模型,由于是配合铁路站场专业需求的二次开发,将二维勘察设计成果转化到三维勘察设计成果的过程中也能够将很多原自定义实体专业内容过渡至 BIM 模型非几何信息表达中。该建模技术不仅适用于铁路站场工程数字化,对铁路工程其他专业数字化发展也具有一定参考性和启发作用。关键词:铁路站场;AutoCAD;数据库技术;IFC 标准;OpenRail Designers;BIM 模型中图分类号:U291.1 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202305310017Research on the BIM Modeling Method of Railway Station Automation Based on IFC Standard and Database TechnologyYANG Wencheng,HUO Lei,ZHENG Bin,ZHAO Peng,QIAO Junfei,ZHANG Xiaohu(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:Two-dimensional design tools have a variety of mature technical solutions in the railway station industry.With the rapid development of BIM+GIS related technologies in recent years and the demand for multi-dimensional expression of survey and design results,how to solve the current situation of low 3D modeling efficiency caused by complex professional design process and multiple interface majors of railway stations,and the resulting smooth transition of 2D survey and design tools to 3D design platform is a hot issue that needs to be studied urgently in railway station engineering.The 3D modeling products publicly issued in the domestic and foreign markets have a variety of forms,uneven efficiency,and different applicability for different engineering application scenarios.Many large and medium-sized manufacturers often create a set of closed graph database storage formats,and it is difficult to achieve accurate and efficient collaborative operations between different platforms.The IFC technology and related standards proposed by the international buildingSMART organization provide excellent technical routes and development concepts for cross-platform circulation of data from the underlying logic with high scalability.Combined with mature database technologies such as MDB/SQL,AutoCAD graphic data and IFC encoding information are sorted out into a complete set of mapping and storage relationships,and a supporting software system is developed,which can generate graphic information into IFC files through middleware such as database modules.Moreover,a set of models that can read IFC files and automatically create BIM are developed based on the OpenRail Designers platform with reference to L-SYSTEM theory and NURBS modeling method.Since it is a secondary development to meet the professional needs of railway stations,in the process of transforming the two-dimensional survey and design results into three-dimensional survey and design results,many of the original custom entity professional contents can also be transitioned to the non-geometric information expression of the BIM model.This modeling technology is not only applicable to the digitalization of railway station engineering,but also bears reference and enlightenment for the digital development of other professions of railway engineering.Key words:railway station;AutoCAD;database technology;IFC standard;OpenRail Designers;BIM modeling1 概述计算机三维建模技术发展迄今已有半个多世纪,主要从线框理论演变而来,并且随着计算机技术发展,建模方法和自动化水平日新月异1-3,其中影响较大的研究成果有:基于 FRACTAL 建模理论4提出了对土地信息总结成高度多维分形统计的非线性结构形态描述方法;Aristid Lindenmayer 提出的 L-SYSTEM 理论5对复杂分支结构提出了新的数学描述方法,该理论和数学模型后来被大量用于创建迭代函数系统,在计算机仿真领域发展出很多新的衍生理论系统6;NURBS 建模方法用于对离散数据点进行高效曲线拟合,法国雪铁龙汽车工业设计师 Pierre Bzier 等曾将 NURBS 建模方法大范围应用于手工图纸绘制工作中并为计算机 CAD 绘图技术7-8的发展积累了宝贵经验。随着计算机软件和硬件技术发展,为计算机三维建模工作提供了更多可能性9,各软件平台对自动化建模手段也进行了诸多探索,例如用空间关系和约束条件将传统数据信息进行有效链接,实现三维设计系统环境中的由点定线、由线定面、由面成体的自动化建模。铁路设计领域中自动化三维建模技术也是当下数字化技术发展热点之一10-12,但铁路专业复杂,各专业的惯用三维建模平台特点和交互习惯千差万别,其中内循环性强的专业更加注重标准构件的积累和复用,接口复杂的内外循环性强的专业则更关注带状拓扑信息的有效组合。铁路站场专业由于上下序接口和决策环境等多重因素复杂叠加,需要将建模标准化和拓扑化综合考虑,实现二三维多平台、多层次空间约束条件下的自动建模。2 自动化建模理论本文提出的多层次空间约束下铁路站场自动建模理论是从铁路站场三维建模需求和现行设计规范出发,首先在传统 CAD 软件中进行二维设计,并通过ADO 技术将图形数据库存储为标准数据库,该数据库技术需要支持对数据高效查询、检索和更新;在 BIM三维设计平台中准备基础构件库,然后将数据库和三维设计平台通过二次开发手段形成逻辑约束框架,使单元构件库、断面模板库与数据库信息建立起约束条件,并且能够实现二者互相描述与有效存储;考虑到铁路规划和设计中需要考虑各类设备的时态关系,还有必要将数据和模型信息按多层次空间加以划分,如既97第 10 期杨文成,霍 磊,郑 玢,等基于 IFC 标准和数据库技术的铁路站场自动化 BIM 建模方法有、拆除、新建、预留等,各层次间不应被割裂开来,因为全生命周期的数字化设计流程应能满足特定层次空间之间无缝衔接与平稳过渡;最后,为保证新的数字化手段与数据库技术、传统 CAD 平台实现互操作性和可扩展性,对数据存储、传递接口等格式标准提出了诸多要求。经过十多年的理论研究和项目验证,目前 IFC标准和 IFC 文件比较符合专业需求13-15。基于 IFC标准和数据库的技术路线见图 1。图 1 自动化建模技术路线Fig.1 Automated Modeling Technology Roadmap2.1 数据库系统传统二维 CAD 设计平台在铁路站场设计行业中仍处于主导地位,但 AutoCAD 在面对长大带状工程三维设计和建模工作时的运行效率不尽如人意,因此,Bentley、CATIA 等公司的计算机辅助设计软件近年来在三维设计和建模领域有明显扩张趋势16-18。为充分利用传统 CAD 设计成果并高效建立三维可视化成果,采用数据库载体和配套 ADO 接口,开发并封装了一套通用数据库访问类库,便于实现模块化的对 Ac-cess 或 SQL 等数据库实施读写功能19-22,以基线模块为例,其主要属性和变量设置见表 1。以基线信息为核心,诸多设备与基线具有投影关系,然后通过计算机编程开发实现数据库和 CAD图形信息的关联通信,实现传统 DWG 图纸信息以基本数据表的形式高效保存至数据库文件,为后续三维 BIM 模型信息从基础数据层面跨平台无损传递提供条件。表 1 数据库系统基线模块Table 1 Database System Baseline Module属性基础属性交点属性图元信息控制范围断链表变量变量类型变量说明internal_chNumberACHAR基线内部编号interface_chNumberACHAR基线外部编号milepost_chNumberACHAR基线里程冠号intersection_chNumberACHAR基线交点冠号internal_milepost_dStartdouble基线起始里程internal_milepost_dEnddouble基线终止里程count_Mileageint统计数量属性intersection_nQuantityInt16基线交点个数intersection_dArraydouble array,基线交点数组intersection_strArraystring array,基线各交点标line_arrnQuantityInt16基线图元个数line_arrdLengthdouble array,基线图元参数baseline_dLengthdouble基线实际长度baseline_dExtendLengthdouble基线虚拟延长virtual_line_nQuantityint虚拟图元个数virtual_line_arrdQuantitydouble array,基线虚拟图元数组virtual_line_arrdLengthdouble基线虚拟延长长度baseline_control_vecBoundaryvector基线控制边界线baseline_control_vecRangevector基线控制基准面baseline_control_nDisplayint基线可视开关short_chain_nQuantityint长短链个数short_chain_arrTablearray长短链表数组virtual_short_chain_arrTablearray虚拟长短链计算设备投影2.2 建立单元构件库单元构件库(cel 文件)是 OpenRail Designers 平台下的一种类似 Revit 族库的模板文件23,可以将单个体量不大但在场景中反复出现的设备封装在单元构件库中以供建模过程高效调用。在铁路站场范围内存在大量同类型设施、设备,可以通过标准化构件及共享单元的方式提高建模和运行效率,例如轨道、指示牌、围挡和盖板等几何信息高度雷同的对象都可以作为标准化单元构件加入至单元构件库,部分实例见图 2。铁路设计和实施周期较长,不同的设计阶段其模型表达精度差异巨大,因此面对不同阶段的项目需求,对单元构件库中模型细节表达要求差异巨大,因此,建08铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 2 站场单元构件模型Fig.2 Station unit component model议针对不同阶段或项目要求配置不同精度等级的单元构件库,防止因精度与阶段不匹配造成单元构件模型信息表达有误。2.3 建立路基断面模板库单元构件库针对点状结构的设备模型具有良好的实用性24,而带状路基或边坡设施等拓扑模型则要依靠 OpenRail Designers 软件的廊道机制或横断面设计标准与线位里程关系计算,得到形状不规则的广义六面体路基模型25。本文在吸取既有研究成果基础上,一方面将路基体通过大量规则或不规则的六面体累积形成路基模型,过程演示见图 3;另一方面将采取OpenRail Designers 软件固有的廊道机制,按廊道模板拉伸成体建立路基模型,操作示例见图 4。图 3 创建六面体路基模型Fig.3 Creating a hexahedral subgrade model图 4 创建廊道 mesh 路基模型Fig.4 Create corridor mesh subgrade model 经过对多个不同规模车站的案例测试,两方面的技术手段目前都有各自较明显的优、劣势,六面体路基模型对于站场咽喉区等复杂段落路基体难以形成较完整的三维模型,但直线段落路基体可以通过六面体方法精准建模;廊道机制创建的路基体可以较好地支持曲线段落路基填挖方模型,但相邻廊道重叠部分的剪切布尔运算仍存在不稳定性。文中站场路基的自动化建模综合上述两种方法,工区场坪、直线段路基采用六面体路基建模能够更加精准地保证场坪高程和特定断面形式要求,用廊道机制创建曲线段路基以保证模型的完整和平顺过渡,该方法在站场建模的典型案例见图 5。2.4 建立多层次空间约束标准站场范围内站前、站后接口专业或工艺要求复杂,导致地面上、下多层次空间和新建、既有、预留等多时图 5 复杂站场路基多方法建模Fig.5 Multi-method modeling of complex station subgrade态关系叠加,形成站场范围内约束关系异常复杂的立体型站前、站后设备网,这种复杂的网络关系不仅需要基于常规的铁路设计标准和施工工艺等规范要求进行标准化约束,还需要按照计算机逻辑将如此多层次空间的约束关系进行通用化表达,便于不同平台、不同环境下设计成果流通。站场路基多层次空间约束见图 6。因篇幅所限,本文以站场路基设计为例对各项约束进行标准化归纳。站场路基与区间路基有较大区别,其换填标准和各类设备(如沟槽、管线、杆柱等)都会影响站场路基及其附属设施形式。18第 10 期杨文成,霍 磊,郑 玢,等基于 IFC 标准和数据库技术的铁路站场自动化 BIM 建模方法图 6 站场路基多层次空间约束Fig.6 Multi-level space constraints of station subgrade3 基于 IFC 标准的信息传递建模理论前文提到的约束逻辑由专业性确定,表现形式如何统一往往受平台限制,因为各平台图形数据处理思路不尽相同,实现设计资料跨平台传递的热门技术路线之一是引入 IFC 技术作为中间件。得益于国际buildingSmart 团队对 IFC 标准的整体架构建设和推广,目前主流二、三维设计软件都对 IFC 文件有较好的支持,本文主要结合站场路基及附属设施的 IFC 标准进行自动建模技术路线介绍。3.1 铁路站场路基 IFC 标准组成铁路站场路基 IFC 标准应用归纳为四部分:通用基础容器、几何信息描述、专业特征定义和拓展属性表达。3.1.1 通用基础容器站场是综合性工点,因此需要先对铁路领域的IFC 标准规划一系列的通用基础容器,用于囊括整体工程建设过程中的各种相关信息,并按照该标准制定专业间的接口要求,同时也能派生出符合站场专业逻辑的各种 IFC 标准。从铁路工程引申出基线概念,然后通过基线拓展站场的专业空间约束要求,铁路基线的站场 IFC 基础容器见图 7。3.1.2 几何信息描述点状结构在 OpenRail Designers 中的建模可以通过 IFC 数据进行基础定位,然后按单元构件库共享单元模型插入,通过 IFC 标准中 Box Geometry 机制计算图 7 站场 IFC 基础容器Fig.7 IFC standard framework for stations出模型边框或延伸等空间方位角细节信息,形成准确且特征化的模型表达方式,站场路基上的接触网几何信息描述关系见图 8。图 8 Box Geometry 机制空间表达Fig.8 Spatial expression of box geometry mechanism由于带状结构相比点状结构具有相对复杂的逻辑关联性,在面对咽喉区或填料差异性过渡等非规则路基体建模时,参考了 L-SYSTEM 理论和 NURBS 建模方法并结合 IFC 标准,将带状站场的整体模型抽象为一系列树状数据结构,站场路基和附属设备模型的逻辑关系展示为树状结构,截取部分树状结构并以图形形式展示见图 9。图 9 铁路站场 IFC 根节点树状图Fig.9 IFC root node tree diagram of railway yard但铁路站场设备在国际 IFC 标准中的既有信息标准非常少,只有土木大类 IfcCIVilElement,因此,结合28铁 道 标 准 设 计第 67 卷国内铁路站场专业情况,用计算机编程技术对 IFC 内容开展了大量编码补充工作,实体 IFC 编码表达举例见图 10。图 10 IFC 计算机编码样例Fig.10 IFC computer coding sample将站场数据库信息和 IFC 标准互相映射形成特定数据结构,然后由一系列错综复杂的根节点引出各个Unit 和 Profile 枝叶子节点,最终基于 OpenRail Design-ers 平台进行程序开发,实现 IFC 标准和 DGN 图形数据库的转换,并一键自动创建带有站场专业的几何模型。3.1.3 专业特征定义和拓展属性表达为预留全生命周期 BIM 设计的发展需求,除将自动创建几何模型作为基本功能外,还需要分阶段补充大量专业内非几何特征定义信息内容和专业间的拓展属性,因此,在 IFC 标准框架制定时必须设计一套开放性的模型信息接口,为工程建设、运维、拆改等各类业务提供充足发展空间,站场属性拓展接口的基本框架见图 11。图 11 铁路站场 IFC 信息接口标准架构Fig.11IFC information interface standard architecture for railway stations3.2 自动建模软件中 IFC 信息传递流程本建模方法充分考虑了对 AutoCAD 自定义实体的非几何信息存储为 IFC 信息的功能支持,其技术路线见图 12。在 OpenRail Designers 软件中导入 IFC 几何信息图 12 铁路站场 IFC 信息传递流程Fig.12Flow chart of IFC information transfer in railway station的同时也可以将各类非几何信息按照约束条件自动挂接至对应模型,挂接非几何信息材质属性的模型实例见图 13。IFC 几何信息导入时会对既有模型的非几何信息进行比对,自动跳过相同的非几何信息,对差异性的非几何信息则通过交互式选择进行增删修改等操作。图 13 挂接材质贴图等非几何信息Fig.13 Attaching non-geometric information such as mate-rial maps4 自动建模技术开发及算例演示国内铁路站场设计行业仍以 AutoCAD 软件为一线生产工具,所以参照前文介绍的多层次空间约束下的自动建模技术研究思路和实现方法,开发了一套基38第 10 期杨文成,霍 磊,郑 玢,等基于 IFC 标准和数据库技术的铁路站场自动化 BIM 建模方法于 IFC 标准和贯通 AutoCAD、OpenRail Designers 平台的铁路站场自动建模软件,该软件自动建模精度已基本满足可行性研究阶段 BIM 技术要求。4.1 算例演示应用前文介绍的技术路线和软件系统,选取一个股道规模及设备布置较复杂的综合性车站 S,S 站工区和网区等,并且已在 AutoCAD 环境中完成了基本设计,在 OpenRail Designers 环境中准备好符合该铁路工程路基填筑标准的模板库,典型的模板库界面见图 14。图 14 路基模板库导入界面Fig.14 Subgrade template library import interface然后,通过简单的交互窗口制定好建模路径和规则即可在数分钟内根据 CAD 设计成果自动创建对应的铁路站场 BIM 模型,过程操作演示见图 15。图 15 由二维图纸生成三维模型Fig.15 Generating 3D models from 2D drawings4.2 潜在问题与对策自动化创建路基模型后,在站场咽喉区易产生不可预见的模型破碎或变形等情况,针对该问题的解决思路目前主要有两类:一类是在 AutoCAD 设计时加密大、小断面,断面密度越高,路基模型越完整;另一类是完善算法,通过开发更加完善的自定义三维实体建模技术来获取控制权限更自由的模型创建方法。后一种方法可以摆脱 OpenRail Designers 既有平纵绘图和断面模板的工作机制,但软件开发难度更大、周期更长。本次研究中将两种方法相结合进行了初步探索,对路基体模型进行了一定程度修正,图 16 中展示了修正前后的对比,虽然路基整体性得到了初步修正,若考虑沟槽引起的横坡变化则缺少细节表达。图 16 路基模型修正效果对比Fig.16 Comparison of roadbed model correction effects5 结论与展望(1)拓展了国际 IFC 标准在铁路站场专业领域中的编制办法,并按照企业和行业设计习惯补充了站场专业相关的几何编码与非几何编码计算机代码表达内容,为国际 IFC 标准在铁路站场专业的发展提供了参考。(2)探索了将 IFC 标准与数据库技术相结合的自动化建模技术路线,将 IFC 标准应用为四部分内容:通用基础容器、几何信息描述、专业特征定义和拓展属性表达,并将站场设计业务流程与各部分相匹配。(3)借助 IFC 中间件实现了跨平台的二、三维设计成果高效传递和信息流通,并为站场专业的内外接口拓展预留充足空间,可以实现完整的 BIM 模型创建与全生命周期表达。算例演示过程中也暴露出研究的 IFC 标准编制、数据结构和计算机算法仍有诸多不足,尤其是面对站场咽喉区复杂路基模型缺失或变形的问题,后续可以亟需完善建模算法、补充 IFC 标准的各项细节约束,将高精度自动化创建作为重要研究方向之一。参考文献:1 韩旻志.基于三层架构的铁路信号 BIM 设计技术路线研究J.铁道标准设计,2021,65(1):149-153.HAN Minzhi.Three-layer Architecture Methodology for BIM Imple-mentation in Railway Signalling DesignJ.Railway Standard De-sign,2021,65(1):149-153.2 朱庆,张利国,丁雨淋,等.从实景三维建模到数字孪生建模J.测绘学报,2022,51(6):1040-1049.ZHU Qing,ZHANG Liguo,DING Yulin,et al.From Real 3D Mod-eling to Digital Twin ModelingJ.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2022,51(6):1040-1049.3 刘沛.基于 BIM 的铁路车辆站场场坪三维设计关键技术研究J.铁道标准设计,2021,65(7):188-193.LIU Pei.Research on Key Technology of Three-dimensional Design of Railway Vehicle Station Yard Based on BIMJ.Railway Standard Design,2021,65(7):188-193.4 SONG X G,LIU W B,LIANG L,et al.Image Super-resolution with Multi-scale Fractal Residual Attention Network J.Computers&Graphics,2023,113:21-31.5 BERNARD J,MCQUILLAN I.Stochastic 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