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铁路机务车辆BIM数据存储标准研究及应用

铁路BIM联盟 铁路BIM联盟 2022年12月23日 08:00
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BIM数据存储标准是BIM技术标准的重要组成部分,而IFC标准是唯一支持数据完整性以及数据交换性的公共标准,铁路大部分专业已完成了IFC标准扩展及部署应用,但铁路机务车辆IFC标准尚为空白,有必要开展铁路机务车辆IFC标准研究。在IFC4标准基础上,系统梳理铁路IFC标准框架及研究进展,提出铁路机务车辆IFC标准扩展原则,结合全路机务车辆设备分类趋势和专业设计习惯,开展铁路机务车辆IFC标准实体类及属性集扩展,其中实体类扩展包括空间结构单元扩展、系统扩展和构件扩展,属性集扩展包括部件属性集扩展和构件属性集扩展;完成了扩展成果在达索平台的部署及应用,并依据铁路机务车辆IFC实体分类原则建立了铁路机务车辆BIM标准化模型数据库。研究成果充实完善了中国铁路BIM标准体系,实现了铁路机车车辆BIM设计高效化、标准化以及BIM模型几何和非几何信息的标准化传递及共享,为建设管理和运维交付及拓展应用提供标准化BIM基础数据支撑。

概述


BIM数据存储标准是BIM技术标准的重要组成部分,为BIM数据的创建、存储和交换提供指导方法和实施规则。BuildingSMART国际组织发布的IFC(Industry Foundation Classes,工业基础类)标准是为促成建筑业中不同专业,以及同一专业中的不同软件可以共享同一数据源,从而达到数据的共享及交互,已经成为AEC/FM领域中的数据统一标准。IFC标准于2005年被接受为ISO标准,目前公开发布的最新版本是IFC4.1。IFC标准是唯一支持数据完整性以及数据交换性的公共标准,同时也获得了众多软件的支持。


中国铁路BIM标准研究自2013年5月启动,2014年1月完成铁路BIM标准体系框架研究。2015年12月,铁路BIM联盟发布了《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0 版)》,涵盖了线路、轨道、站场、路基、桥梁、隧道6个专业。2016年8月,铁路BIM联盟发布了《铁路四电工程信息模型数据存储标准(1.0版)》,涵盖了牵引变、电力、接触网、通信、信息、信号专业。2017年,BuildingSMART成立了由中国铁路BIM联盟牵头的IFC铁路项目工作组,研究提出了铁路IFC国际标准框架,其中线路、轨道、桥梁、路基、信号等专业均开展了相关研究工作。2019年,在IFC1.0基础上,中国铁路设计集团有限公司依托课题对IFC1.0进行了补充完善,形成了《铁路工程信息模型数据存储标准》(2.0版),增加了地质专业IFC标准内容。目前,铁路大部分专业完成了IFC标准软件部署及应用验证,基本实现了BIM设计信息数据的标准化传递。但目前铁路IFC标准未能涵盖铁路全专业,且铁路IFC标准属性信息定义主要集中在设计阶段,未充分考虑全生命周期BIM模型属性信息交付的完整性和适用性需求,导致在建设和运维阶段往往需要重构BIM模型分类和信息定义。


铁路机务、车辆专业是机辆段(所)(国铁机务、车辆、动车段(所)及城轨市域车辆段)运用、整备、检修系统的核心专业,涉及超4000项工艺设备及工艺管道。因此,开展铁路机务车辆IFC标准研究,充分考虑全生命周期BIM模型属性信息应用需求,完成机务车辆IFC标准扩展及软件部署应用,对充实完善铁路BIM标准体系,填补铁路机务车辆IFC标准空白具有重要意义。


IFC标准框架


IFC标准框架包含4个层次,从下至上依次为资源层、核心层、共享层和领域层,如图1所示。
(1)资源层(Resource layer):包含了一些独立于具体对象的通用信息实体,如材料、计量单位、尺寸、时间、价格等。这些实体可与其上层(核心层、共享层和领域层)的实体连接,用于定义上层实体的特性。


(2)核心层(Core layer):提炼定义了一些抽象概念,如actor,group,product,control等。例如,一个工程项目的场地、建筑物、建筑构件等都属于product实体的子实体。


(3)共享层(Interop layer):分类定义了一些适用于各领域的通用概念,包括共享建筑构件、共享结构构件等。例如,在共享建筑构件中定义了梁、柱、门、墙等构件。目前,针对铁路领域已扩展出共享铁路构件。


(4)领域层:定义了不同领域(如建筑、结构、暖通、电气等领域)特有的概念和信息实体。例如,结构领域中的桩、基础、支座等。目前,针对铁路领域已扩展出轨道、路基、站场、桥梁、隧道、线路专业领域,本次研究扩展铁路机务车辆专业领域。


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图1 IFC标准框架

铁路机务车辆IFC标准扩展原则


参照铁路IFC标准扩展的基本原则,结合IFC1.0在阳大、青连、牡佳等具体铁路BIM项目的应用经验,开展机辆IFC标准扩展。经过前期充分调查研究,提出以下扩展原则

(1)兼容性原则。与已发布的国际IFC标准最大限度的兼容、尽量减少新增IFC类。

(2)抽象性原则。合理确定铁路机务车辆IFC分类原则,避免机务车辆IFC构件重复定义,保证IFC标准固定模型最小化。

(3)易用性原则。参照铁路机务、车辆专业相关标准规范,尤其是工艺设备分类习惯,开展IFC标准扩展,方便标准的推广应用。

(4)可扩展性原则。为铁路机务、车辆专业远期实体、属性扩展及修订预留条件。

(5)信息完整性原则。基于设备技术条件,充分考虑铁路机务车辆全生命周期信息需求的基础上,开展属性信息的完整定义。

(6)前瞻性原则。预留远期基于IFC标准开展工程量计算及概(预)算编制的需求。

铁路机务车辆IFC标准实体类扩展


铁路机务车辆IFC标准实体类扩展主要包括空间结构单元(IfcSpatialStructureElement)扩展、系统(IfcSystem)扩展和构件(IfcElement)扩展


空间结构单元扩展

空间结构单元(lfcSpatialStructureElement)是一个抽象概念,表示空间概念上的分解,一般以整体包含多个局部的方式出现。据此,铁路机务车辆空间结构单元分为铁路机务段(所)(IfcRailwayLocomotiveDepot)、铁路车辆段(所)(IfcRailwayVehicleDepot)、铁路动车段(所)(IfcRailwayEMUDepot)和铁路城轨市域车辆段(所)(IfcUrbanVehicleDepot)4类,4类空间结构单位均继承自铁路工程结构单元(IfcRailwayStructureElement),如图2所示

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图2 铁路机务车辆空间结构单元继承关系


铁路机务段(所)(IfcRailwayLocomotiveDepot)通过预定义类型属性(PreDefinedType)枚举为机务段、机车检修段、机务折返段、机务折返所、机务换乘所和调机整备所


铁路车辆段(所)(IfcRailwayVehicleDepot)通过预定义类型属性(PreDefinedType)枚举为货车车辆段、货物列车检修作业场、站修作业场、洗灌所、车轮厂、客车车辆段、客车技术整备所和旅客列车检修所


铁路动车段(所)(IfcRailwayEMUDepot)通过预定义类型属性(PreDefinedType)枚举为动车段、动车运用所和动车存车场


铁路城轨市域车辆段(所)(IfcUrbanVehicleDepot )通过预定义类型属性(PreDefinedType)枚举为车辆基地、车辆段和停车场


系统扩展
系统(IfcSystem)是为完成某一功能或目的,有序组织起来的产品集合。据此,铁路车辆运行安全监控系统定义为系统,用IfcRailwayOperationSafetyMonitoringSystem实体类表示,继承自系统(IfcSystem),如图3所示

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图3 铁路车辆运行安全监控系统继承关系

铁路车辆运行安全监控系统(IfcRailwayOperationSafetyMonitoringSystem)通过预定义类型属性(PreDefinedType)枚举为车辆轴温智能探测系统、货车故障轨旁图像检测系统、铁道车辆运行品质轨旁动态监测系统、铁道车辆滚动轴承故障轨旁声学诊断系统、客车运行安全监控系统、铁路客车故障轨旁图像检测系统、动车组运行故障图像检测系统、货车轮对诊断系统和铁路车号自动识别系统。

构件扩展
构件(lfcElement)是重要的物理实际存在的实体,可以被包含在空间结构单元,构件的定义应具有一定的概括性,并综合考虑构件的功能、外观等因素进行适当粒度定义,确保标准简洁易用。据此,参考铁路工程预算定额,铁路机务车辆构件从属于铁路机务车辆机械工程构件(IfcRollingStockAndMechanicalElement),其继承自铁路构件(IfcRailwayElement)。将铁路机务车辆机械工程构件分为通用机械构件(IfcGeneralMechanicalElement )和机辆构件(IfcRollingStockElement)两大类。铁路机务车辆构件继承关系如图4所示

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图4 铁路机务车辆构件继承关系


通用机械构件(IfcGeneralMechanicalElement)参照铁路工程概预算定额分类原则分为加工设备、起重设备、装卸油品设备、泵类设备、风机设备、空压机设备、容器设备和金属结构设备8类构件。8类构件按照功能进一步派生出不同的子类,如起重设备细分为电动葫芦、单轨小车、梁式起重机、桥式起重机、门式起重机


机辆构件(IfcRollingStockElement)分为机辆通用构件、机务专用构件、车辆专用构件、动车组专用构件、车辆运行安全监控系统构件和城轨市域车辆专用构件6类构件。针对6类构件,根据铁路机辆系统使用习惯,按照工装设备构成系统的分类原则,其中,机辆通用构件进一步分为运输设备、转向设备、临修设备、仓储设备、电焊设备、电热设备、轨道桥设备、架车设备、保洁设备、探伤设备、除锈设备、喷漆设备、安全联锁监控设备、上砂设备、油水设备、工具设备、实验设备、计量设备、电源设备和蹬车设备;机务专用构件进一步分为机务运用设备、机务整备设备、机务检修设备、救援设备和培训设备;车辆专用构件进一步分为车辆运用整备设备和车辆检修设备;动车组专用构件进一步分为动车运用整备设备和动车检修设备;车辆运行安全监控系统构件进一步分为复式站设备、系统调试设备、监测站设备、探测站设备、动态检测设备、无线数据下载设备、CPS设备、监控中心设备;城轨市域车辆专用构件进一步分为城轨市域车辆运用整备设备、城轨市域车辆检修设备、城轨市域车辆培训设备和城轨市域车辆救援设备


上述运输设备、转向设备、仓储设备、保洁设备、运用整备设备、检修设备、培训设备、救援设备等构件根据功能又细化派生出不同的子类。如:转向设备系分为转盘设备、移车台设备、全向智能移动设备;救援设备分为复轨器设备、轨道起重机设备、救援车设备、液压起复机具设备、简易台车设备、救援演练设备、千斤顶设备。


铁路机务车辆构件通过预定义类型属性(PreDefinedType)进行详细枚举定义。如临修设备枚举为转向架更换设备、不落轮镟设备和落轮机设备;转盘设备枚举为机车转盘设备、转向架转盘设备和轮对转盘设备。

其他
针对铁路机务车辆工艺管道,既有IFC4标准中已定义相关实体类型,直接采用原有实体类型。


(1)管道采用原IFC标准中的IfcPipeSegment实体类型。
(2)阀门采用原IFC标准中的IfcValve实体类型。
(3)管道配件采用原IFC标准中的IfcPipeFitting 实体类型。

铁路机务车辆IFC标准属性集扩展


铁路机务车辆实体对象属性主要通过属性集(IfcPropertySet)定义,属性集信息共包括3部分:属性集名称、属性集可应用的实例与类型和属性集中属性的定义。铁路机务车辆实体对象属性集主要包括部件属性集和构件属性集两类,其中,部件属性集为空间结构单元及系统的预定义类型枚举属性集,前述各空间结构单元和系统预定义类型属性(PreDefinedType)枚举项即为属性值;构件属性集包括机辆共用属性集、专用属性集和预定义类型枚举属性集,其中,机辆共用属性集包括基本描述信息、模型设计信息、电参数信息、技术条件信息、生产加工信息、制造商信息、费用信息、施工信息和运维信息。


如轨道桥设备(IfcTrackBridgeEquipment)属性集包括机辆共用属性集(Pset_RollingStockElementCommon)、轨道桥设备专用属性集(Pset_TrackBridgeEquipmentCommon)和预定义类型枚举属性集(Pset_IfcTrackBridgeEquipmentType)。

铁路机务车辆IFC标准部署及应用


铁路机务车辆IFC标准部署
达索平台已经集成了国际IFC标准内容,且铁路轨道、路基、站场、桥梁、隧道、线路及四电等专业已在该平台完成了实体类及属性集的部署,并开发了IFC标准自动部署工具。在铁路机务车辆IFC 标准实体类和属性集扩展成果基础上,借助中国铁设开发的IFC标准自动部署工具,实现了铁路机务车辆IFC标准扩展成果在达索平台的部署,包括实体类280项、枚举1198项、属性集312项、属性906项。部分铁路机务车辆IFC标准部署成果如图5所示。


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图5 铁路机务车辆IFC标准部署成果(非铁路标识部分)

铁路机务车辆IFC标准应用验证
根据部署的铁路机务车辆IFC标准成果,在具体工程项目中,首先,开展达索平台应用验证,检验机辆BIM模型的几何和非几何信息的完整性;然后,借助BIM Vision、Navisworks等第三方软件,对机辆BIM模型的几何与非几何信息传递完整性进行审查和验证,以验证机务车辆IFC标准的可行性和适用性。以洗车机设备为例,达索平台几何和非几何信息完整性验证如图6所示,BIM Vision第三方软件几何和非几何信息传递完整性验证如图7所示。


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图6 达索平台几何和非几何信息完整性验证


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图7 BIM Vision软件几何和非几何信息传递完整性验证

铁路机务车辆BIM标准化模型库建设
在铁路机务车辆IFC标准部署成果基础上,根据铁路机务车辆IFC实体分类原则,在达索平台建立了铁路机务车辆BIM标准化模型数据库,并将BIM设计人员划分为模型创建人员、模型校验人员和模型使用人员,基于达索平台的标准构件模型库创建流程如图8所示,铁路机务车辆BIM标准化模型库成果如图9所示。

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图8 铁路机务车辆标准构件模型库创建流程

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图9 铁路机务车辆BIM标准化模型




总结


基于IFC4国际标准,在《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0 版)》和《铁路四电工程信息模型数据存储标准(1.0 版)》基础上,全面梳理了铁路IFC标准框架及研究进展,提出了铁路机务车辆IFC标准扩展原则,结合全路机务车辆设备分类趋势和专业设计习惯,开展了空间结构单元、系统、构件IFC实体类扩展以及部件、构件IFC属性集扩展,并将扩展成果在达索平台进行了部署,包括实体类280项、枚举1198项、属性集312项、属性906项,充实完善了中国铁路BIM标准体系,填补了铁路机务车辆IFC标准空白。针对铁路机务车辆IFC标准部署成果,开展了达索平台应用验证以及BIM VisionNavisworks等第三方软件传递完整性验证,确保了部署标准的可用性。并在此基础上,依据铁路机务车辆IFC实体分类原则,在达索平台建立了铁路机务车辆BIM标准化模型数据库,BIM设计人员在具体工程项目中可重复调用BIM标准化模型数据成果,实现了铁路机务车辆BIM计高效化、标准化以及BIM模型几何和非几何信息全生命周期标准化传递和共享,有效满足了工程建设和运维管理应用需求。

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内容来源:

铁路BIM联盟成员单位——中国铁路设计集团有限公司

韩亮亮,孟炜,赵峰,侯黎明,李腾飞.

铁路机务车辆BIM数据存储标准研究及应用[J].铁道标准设计.

(铁路BIM联盟文章,转发请注明出处)



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修改于2022年12月29日

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