基于IFC4的铁路管线系统数据存储标准研究

■ 杨绪坤 毛宁

基于IFC4的铁路管线系统数据存储标准研究

■ 杨绪坤 毛宁

系统分析现有IFC4标准共享层、领域层关于管线输送系统的相关概念定义及其结构关系，参考建筑行业BIM应用中关于三维管线的设计理念，对铁路工程中管线系统数据存储标准的定义方法进行研究，提出铁路工程管线系统IFC扩展方案及部分定义，为下一步铁路BIM软件设计打下良好基础。关键词：IFC；铁路工程；管线；存储标准

1 概述

随着BIM概念在不同设计行业中的推广，各个设计单位都在尝试将BIM应用于项目设计中，其中在建筑BIM软件中，三维管线综合设计功能已经成为了标准配置。IFC4标准中，关于管线系统的定义已经较为完善成熟；但是主要针对建筑内部的各类管网系统进行设计和定义，从目前看并不能完全适应铁路工程管线系统特点。为实现铁路专业间及BIM不同阶段的协同应用，有必要建立铁路工程管线系统的BIM数据存储标准。下面主要介绍IFC4中关于管线系统相关对象的定义方式、方法及其结构，结合铁路工程管线系统的特点，提出基于IFC4的铁路工程管线系统扩展方案。

2 IFC4管线系统模式

IFC4中关于管线系统的对象定义分别位于共享层和领域层中。共享层中的内容位于Ifc Shared Bldg Service Elements schema中。此schema中定义包括管线输送系统的基本概念，还包含关于流体流动特性、电气性能、空间热性能的各种属性。IFC标准中认为无论是输送各类物体的管路、电力管线、空调通风、防火及信息监控系统，其本质都是一样的，即该类系统均是由各类管线设备、控制设备，通过各类接口连接组成的网状输送系统。根据其输送的媒介不同可以在对应的领域层中再派生定义不同的子类对象。例如Ifc Hvac Domain中定义关于空调暖通系统类对象，在Ifc Plumbing Fire Protection Domain中定义防火系统类对象，在Ifc Electrical Domain中定义电力系统类对象，在Ifc Building Controls Domain中定义建筑监控系统类对象等。

3 IFC4管线对象定义

IFC4中管线输送系统包含三类对象：第一类为管线实体构件（Ifc Distribution Element）对象，用来定义各类具有真实物理形状的实体；第二类为接口对象（Ifc Distribution Port），用来连接定义各类实体之间的关系；第三类为管线系统对象（Ifc Distribution System），用来表达定义整体的管线空间结构关系。

3.1 管线实体构件对象

管线实体构件对象有以下9种类型：

Distribution Chamber：管线上的节点装备，如检修手孔、坑等。

Energy Conversion Device：能量转换设施，如冷却设施等。

Flow Controller：管线控制设施，如阀门、电闸等。

Flow Fitting：管线连接设施，如三通、接线盒等。

Flow Moving Device：流体动力设施，如泵、风扇、压缩机等。

Flow Segment：管线段，如管道、线缆等。

Flow Storage Device：储存设施，如罐、电池等。

Flow Terminal：管线终端设施，如水池、灯具等。

Flow Treatment Device：流体处理设施，如过滤装置等。

它们之间的继承关系见图1。

从图1可以看出，Ifc Distribution Element是管线输送系统中所有管线构件对象的父类。它有两种子类Ifc Distribution Flow Element和Ifc Distribution Control Element。Ifc Distribution Flow Element用于表达管线系统内部的对象（包含在管线网中），Ifc Distribution Control Element用于表达独立于管线系统外的，用于控制或监控系统的对象。上述9种类型的实体就派生自Ifc Distribution Flow Element类对象。其中与铁路管线设备相关度较高的构件有如下几类：

（1）Ifc Distribution Chamber Element：定义各种管线上的检查检修类设备构件。其预定义类型枚举Ifc Distribution Chamber Element Type Enum从功能角度定义了检修设备的类型。

枚举项定义如下：

FORMEDDUCT：观察井。

INSPECTIONPIT：检修井。

MANHOLE：人孔，手孔。

METERCHAMBER：装计量设施的井、室，水表井等。

SUMP： 集水坑，集水井。

TRENCH：槽，长度明显超过宽度的开挖空间。

VALVECHAMBER：阀室，阀门井。

（2）Ifc Flow Controller：定义用以调节管线系统中管线流动状态的设备，如阀门、开关等。包含Ifc Air Terminal Box，Ifc Damper，Ifc Electric Distribution Board，Ifc Electric Time Control，Ifc Flow Meter，Ifc Protective Device，Ifc Switching Device，Ifc Valve这些分布在不同领域层的子类。

（3）Ifc Flow Fitting：定义表达管线中连接过渡部分的构件设备属性，例如弯头、球座等。包含Ifc Cable Carrier Fitting，Ifc Cable Fitting，Ifc Duct Fitting，Ifc Junction Box，Ifc Pipe Fitting这些分布在不同领域层的子类。

（4）Ifc Flow Terminal：定义管线终端设备。包含Ifc Air Terminal，Ifc Audio Visual Appliance，Ifc Communications Appliance，Ifc Electric Appliance，Ifc Fire Suppression Terminal，Ifc Lamp，Ifc Light Fixture， Ifc Medical Device，Ifc Outlet，Ifc Sanitary Terminal，Ifc Space Heater，Ifc Stack Terminal，Ifc Waste Terminal这些分布在不同领域层的子类。

（5）Ifc Flow Segment：描述管线系统中某一段管线，此类在Ifc 4中注明下一阶段将会成为不可直接实例化的虚类。包含Ifc Cable Carrier Segment，Ifc Cable Segment，Ifc Duct Segment，Ifc Pipe Segment四种子类。其中与铁路专业相关度较大的有 Ifc Pipe Segment和Ifc Cable Carrier Segment。Ifc Pipe Segment类有以下几种预定义枚举项：

CULVERT：公路铁路下的大型排水管道、涵。

RIGIDSEGMENT：不能变形的刚性管道。

FLEXIBLESEGMENT：可伸缩变形的可改变流向的管道。

GUTTER：明渠（流水面与空气接触，重力流）。

SPOOL：较短小的用于提供连接功能的刚性段。

Ifc Cable Carrier Segment类有以下几种预定义枚举项：

CABLELADDERSEGMENT：用于放置电缆的开口的梯状结构管线段。

CABLETRAYSEGMENT：用于放置电缆的开口的管线段。

CABLETRUNKINGSEGMENT：用于放置一条或多条电缆的封闭管线段。

CONDUITSEGMENT：封闭的用于抽拉线缆的管道。

3.2 管线接口对象

管线接口对象Ifc Distribution Port用于定义管线设备上的接口，如热水器上的上水口和出水口，它通过嵌套关系对象（Ifc Rel Nests）关联到不同的实体对象。管线接口对象一般没有具体的几何表达，但可能会有定位信息来描述它在具体构件上的位置。

管线接口对象的EXPRESS代码如下：

ENTITY Ifc Distribution Port

SUBTYPE OF Ifc Port；

Flow Direction：OPTIONAL Ifc Flow Direction Enum；

Predefined Type：OPTIONAL Ifc Distribution Port Type Enum；

System Type：OPTIONAL Ifc Distribution System Enum；

END_ENTITY；

其中属性Flow Direction表示接口流向，其枚举项有：

SOURCE：入口。

SINK：出口。

SOURCEANDSINK：出入口。

属性Predefined Type表示接口的功能类别，其枚举项有：

CABLE：连接电气管线的接口。

CABLECARRIER：连接封闭电缆槽的接口。

DUCT：连接空气类通风管道的接口。

PIPE：连接各种输送固体、液体、油气的管线的接口。

IFC管线接口与实体关系见图2。Ifc Distribution Port接口对象通过Ifc Rel Nests关系对象附加在各种管线构件对象上。接口之间通过Ifc Rel Connects Ports关系型对象互相连接，从而描述出整个管线系统中所有构件对象及接口之间的拓扑关系。

3.3 管线系统对象

管网系统对象Ifc Distribution System是用来描述接纳、存储、运输、分配、控制各种媒介流动的网络。根据输送媒介的不同，其预定义的管线系统类型见表1。

I F C管线系统对象聚合关系见图3，可以看出Ifc Distribution System的组成方式，即通过Ifc Rel Assigns To Group关联对象将数个Ifc Distribution Element构件对象打包成组与之相联，每个Ifc Distribution Element又通过Ifc Rel Nests关联对象将数个Ifc Distribution Port接口对象与之相联。接口之间通过Ifc Rel Connects Ports关联对象互相引用关联。Ifc Distribution System对象之间通过Ifc Rel Aggregates关联对象进行聚合。从而实现将不同管线相联成一个统一的系统。

4 铁路专业管线对象IFC扩展方案

4.1 铁路专业管线对象特点

铁路系统的管线主要有排水系统（雨水）、综合电缆槽、站房建筑的暖通空调系统、室内给排水、电力系统、通信信息系统、信号控制系统、接触网系统等类型的管线。其中站后专业的给排水、暖通、电气、信号、信息等系统的管线布置可以参照采用现有IFC4中水暖、电气、空调等相关领域层的对象来进行表达。

站前专业主要涉及室外排水系统管线及综合电缆槽管线，分为管、沟、槽3种形式。其特点是矩形或梯形截面的明沟或带盖板的沟槽，每隔一段距离或拐角处设检查井或手孔等检修观察设备。

4.2 IFC管线系统定义对铁路工程管线系统的适应性分析

依据以上分析，现有IFC共享层的内容分类基本可以满足铁路排水管线及综合电缆槽管线的设计需求，可能涉及的类对象为Ifc Distribution Port、Ifc Flow Segment、Ifc Flow Terminal、Ifc Distribution Chamber Element、Ifc Distribution System等。

4.3 排水系统扩展方案

铁路管线模式中定义的管线包括站前专业各类排水管线设施及站内综合管线设施。其中排水设施指排水沟、侧沟、天沟、截水沟、急流槽、检查井、集水坑、消能设施、路基面纵向排水槽、路基面横向排水槽（管）、公路排水槽（管）、立交桥下排水沟（管）、隧道内中心沟、隧道洞口排水沟、隧道仰坡截水沟、隧道环向盲管、纵向盲管、横向排水管、竖向排水管等用于排除地表水的设施及其附属检修设备。站内综合管线设施指的是站内综合电缆槽及其附属各类检修设备。

4.3.1 排水沟对象

使用Ifc Distribution System表达一条排水沟。使用Ifc Distribution System表达各种类型的排水沟，并同时要求Ifc Distribution System的预定义类型属性取值为“STORMWATER”。

为Ifc Distribution System新定义名称为“Pset_DS_Drainage Ditch Common”的属性集（见表2）。

4.3.2 排水沟段构件对象

使用Ifc Pipe Segment表达整条排水沟中的一段排水沟、槽、管，并同时要求Ifc Pipe Segment的预定义类型属性取值为“GUTTER”。为Ifc Pipe Segment新定义名称为“Pset_PS_ Ditch Segment Common”的属性集（见表3），用于进一步标识排水沟段的类型。

4.4 综合电缆槽扩展方案

（1）综合电缆槽对象：使用Ifc Distribution System表达综合电缆槽对象；使用Ifc Distribution System表达各种综合电缆槽，并可以将Ifc Distribution System的预定义类型属性取值为“CONVEYING”或“USERDIFINED”。

（2）综合电缆槽段：使用Ifc Cable Carrier Segment表达一段电缆槽，并同时要求Ifc Cable Carrier Segment的预定义类型属性取值为“CABLETRUNKINGSEGMENT”。

（3）管线设备：使用Ifc Distribution Chamber Element表达排水沟或电缆槽上的检查井，并同时要求Ifc Distribution Chamber Element的预定义类型属性取值为“M A N H O L E”；使用Ifc Distribution Chamber Element表达排水沟上的集水坑，并同时要求Ifc Distribution Chamber Element的预定义类型属性取值为“SUMP”。

5 结束语

IFC4标准中关于管线输送系统的对象架构设计已经相当完善，各类对象的结构层次比较清晰明确，为不同行业的标准扩展工作提供了便利。以上介绍的扩展方案提炼了不同专业各类管线的共同特性，充分利用了IFC标准的扩展机制，能够满足铁路建设各专业管线对象的表达需求。并与现有IFC4标准及开发中的building SMART IFC铁路Schema保持良好兼容。

[1] 李华良，杨绪坤，王长进，等． 中国铁路BIM标准体系框架研究[J]． 铁路技术创新：2014(2)：16-21．

[2] 李华良，杨绪坤，沈东升，等． 铁路工程信息模型分类和编码标准研究[J]． 铁路技术创新：2015(3)：17-20．

[3] National Institute of Building Sciences．National BIM Standard-United States Version2[S]．

[4] Building SMART International Limited．IFC4Official Release[S]．

杨绪坤： 铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，天津，300251

毛 宁： 铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，天津，300251

责任编辑 卢敏

TU279；TP39

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