铁路线路中心线IFC标准编制与应用实践

苏林

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300143）

0 引言

通常各线路软件以专有格式存储线路中心线（Alignment）数据，满足企业自身应用，但造成跨软件平台共享数据困难。为解决铁路线路中心线信息传递和BIM模型线性定位问题，基于国际智慧建筑联盟（buildingSMART）IFC Alignment 1.0标准编制了铁路IFC Alignment 1.0标准，是“铁路工程信息模型数据存储标准”[1]的组成部分。经实践检验，该标准适用于铁路线路中心线信息传递，并已应用于多个铁路BIM生产项目。

1 buildingSMART IFC Alignment 1.0标准

线路中心线实体（IfcAlignment）主要是对IFC标准的几何拓展，派生自定位实体（IfcPositioningElement），位于IFC标准核心层。IfcAlignment包括线路平面（IfcAlignment2DHorizontal）、线路纵断面（IfcAlignment2DVertical）。线路平面由X/Y平面内1组有序、首尾相连的线路平面线段（IfcAlignment2 DHorizontalSegment）组成；线路纵断面为沿线路平面展开的高程曲线，由1组有序、首尾相连的线路纵断面线段（IfcAlignment2DVerticalSegment）组成。buildingSMART IFC Alignment 1.0标准结构见图1。

buildingSMART IFC Alignment 1.0标准不能完全满足铁路应用需求，主要原因如下：

（1）缓和曲线定义为特定的回旋线型（ClothoidalCurve），不支持正弦型（SinusoidalCurve）等常用缓和曲线类型，不具备普适性。

（2）不支持断链表达，无法描述里程不连续情况。

2 铁路IFC Alignment 1.0标准

铁路IFC Alignment 1.0标准编制应尽可能保持与buildingSMART已发布标准一致[1]，该标准在buildingSMART IFC Alignment 1.0标准的基础上，对铁路常用缓和曲线统一参数表达、里程系统和非几何属性等方面进行了修改。

图1 buildingSMARTIFCAlignment1.0标准结构

2.1 标准结构

线路中心线是定位实体的子实体，由线路平面、线路纵断面和里程系统（IfcChainageSystem）3部分组成。线路平面在X/Y平面内定义；线路纵断面为沿线路平面曲线Z方向的高程曲线；里程系统沿线路平面曲线定义，里程系统长度与线路平面曲线长度一致。线路平面可与多个线路纵断面耦合成不同的线路中心线。铁路IFC Alignment 1.0标准结构见图2。

线路平面由X/Y平面上1组有序、首尾相连的线路平面线段（Ifc Alignment2DHorizontalSegment）组成，每个线路平面线段拥有1个二维曲线段（IfcCurveSegment2D）对象，相邻线路平面线段间默认为切向连续或点连续（非切向连续）。二维曲线段对象分为二维直线段（IfcLineSegment2D）、二维圆弧段（IfcCircularArcSegment2D）、缓和曲线（IfcTransitionCurve2D）3种实体。

图2 铁路IFCAlignment1.0标准结构

线路纵断面为沿线路平面展开的高程曲线，由1组有序、首尾相连的线路纵断面线段（IfcAlignment2DVerticalSegment）组成。线路纵断面线段分为线路纵断面直线段（IfcAlignment2DVerSegLine）、线路纵断面圆曲线段（IfcAl ignment2DVerSegCircularArc）和线路纵断面抛物线段（IfcAl ignment2DVerSegParabolicArc）3种实体。

2.2 缓和曲线实体定义

铁路常用缓和曲线类型有回旋线型、正弦型、余弦型（CosinsoidalCurve）、S型（S Curve）、布劳氏型（BLOSS Curve）[2]和七次式型[3]等，各缓和曲线曲率计算式和曲率图分别见表1和图3。

通过记录缓和曲线起点半径（StartRaduis）、终点半径（EndRadius）、曲线长度（SegmentLength）及缓和曲线类型，唯一确定缓和曲线线型，并无数据冗余。再记录姿态的起点坐标（StartPoint）、起点方向矢量（StartDirect）、旋转方向（IsCCW）等参数就可完整表达1条缓和曲线。

表1 常用缓和曲线曲率计算式

图3 常用缓和曲线曲率图

对于完整缓和曲线，起点或终点半径为无穷大，以“NIL”表示，缓和曲线唯一确定；对于不完整缓和曲线，可根据起点和终点半径、缓和曲线长度以及缓和曲线类型4个参数计算出相应的完整缓和曲线长度，缓和曲线也唯一确定。

对于回旋线型不完整缓和曲线，由于曲率变化率为常数，通过公式ρ=l/（L×R）可直接计算得出相应的完整缓和曲线长度，式中ρ为缓和曲线上任意点处的曲率，l为缓和曲线上任意点至直缓点的距离，L为缓和曲线全长，R为缓和曲线直圆点处的半径。对于其他类型不完整缓和曲线，需通过数值算法计算缓和曲线全长。

对于特殊类型缓和曲线还可以在缓和曲线实体（IfcTransitionCurve2D）下派生特殊类型缓和曲线实体。线路平面实体类型具有清晰的继承关系和明确的物理含义（见图4）。

常用完整和不完整缓和曲线统一定义（见表2），每个缓和曲线采用7个参数进行描述。其中，起点坐标、起点方向、二维曲线段长度继承父实体（IfcCurveSegment2D）的定义；起点半径、终点半径、偏向和缓和曲线类型在缓和曲线实体中定义。对于不完整缓和曲线，其长度为计算值，由二维曲线段长度、起点半径、终点半径和缓和曲线类型确定。

其中缓和曲线类型枚举定义为：回旋线型、正弦型、余弦型、布劳氏型、三次抛物线型（CubicParabolas）和用户自定义（USERDEFINE）。

2.3 里程系统实体定义

铁路、公路等线性工程上常有些点设计里程不连续，称为断链。线性工程设计资料通常以里程定位和标识，在工程设计和实施过程中难以避免线路中心线的优化调整，通过合理设置断链可保证各种资料的一致性。线性工程设置断链不可避免，因此线路中心线标准需支持断链设置。

图4 线路平面实体继承关系

表2 缓和曲线定义

铁路里程通常根据线路平面计算，因此，里程系统被线路平面（IfcAlignment2DHorizontal）聚合。里程系统由1组首尾相接的多个里程（IfcChainageSystemSegment）段组成，其定义结构见图5。

里程系统实体（见表3）由1组首尾相接的里程段（IfcChainageSystemSegment）组成。

里程段实体定义（见表4）里程系统中1段连续的里程段落，里程段范围内里程连续，2段衔接处里程值在2个段内可以不同。

图5 里程系统定义结构

2.4 非几何属性信息定义

从线路几何特征方面定义线路中心线属性集Pset_Alignment（见表5），包括线路中心线的位置、采用设计规范、线路中心线名称、线路长度、最小曲线半径、曲线个数、曲线长度、坡段个数、前进方向拔起高度、后退方向拔起高度等信息。

3 铁路IFC Alignment 1.0标准应用实践

3.1 试验验证

选择雅万高铁项目先开段验证铁路线路中心线标准的适用性。雅万高铁先开段设计速度为350 km/h[4]，里程范围为GDK95+000—GDK100+000，线路长5 km，土建工程包括3座隧道、3座桥梁、1 km路基、1座车站和4座涵洞。

3.1.1 验证目标

采用铁路IFC Alignment 1.0标准，选择“铁路线路设计系统（RDS）”、GIS和3DExperience软件，验证标准是否可完整传递线路中心线（包括平面、纵断面），数据传递精确度是否满足工程应用。

3.1.2 验证路线

验证工作分4步进行，具体步骤及内容见图6。

表3 里程系统实体

表4 里程段实体定义

表5 线路中心线属性集Pset_Alignment

图6 验证工作具体步骤及内容

3.1.3 验证结果

（1）线路中心线传递的完整性。对比RDS软件和3DExperience软件，平面实体5个，分别为2个平面直线段、2个缓和曲线和1个平面圆曲线；纵断面实体9个，分别为4个纵断面圆曲线、5个纵断面直线。经实际测量，各实体参数一致（见图7和图8）。用于数据交换的IFC Alignment文件中各对象数量及等效参数与2个软件中相应元素完全一致。

（2）在地理场景中浏览线路数据。在GIS软件中读入IFC Alignment文件，生成线路中心线对象，并加载到地理场景中（见图9）。线路中心线位置和各几何元素传递正确。

图7 RDS软件中的线路中心线

图8 3DExperience软件中的线路中心线

图9 线路数据在地理环境中的显示

（3）RDS软件和3DExperience软件输出逐桩坐标精度分析。对比2个软件导出逐桩坐标值，验证二者等效性。2个软件利用IFCAlignment传递信息后，最大误差为0.016 mm，位于DK99+840圆缓点左右，主要原因是不同软件对缓和曲线计算方法存在差异，其他地段误差值在0.001 mm左右，满足铁路工程设计精度要求。CATIA和RDS软件中的线路空间曲线的等效性，说明通过铁路IFC Alignment 1.0标准文件将线路中心线数据从RDS软件有效传递到了3DExperience软件中。

（4）应用线路中心线模型设计铁路BIM模型。应用从铁路IFC Alignment 1.0文件导入生成的线路中心线模型，顺利完成雅万高铁先开段路、桥、隧、站、轨等5个领域的BIM设计，专业模型位置、姿态均正确（见图10）。

3.1.4 验证结论

铁路IFC Alignment 1.0标准对线路中心线几何支持完整，描述准确，适用于线路中心线信息存储与交换。

3.2 标准工程应用

为简化各生产软件中铁路IFC Alignment接口的开发，统一开发了IFC AlignmentAPI接口。在RDS、GIS和3DExperience软件中通过二次开发调用该接口，实现对铁路IFC Alignment 1.0标准的支持。其中，在3DExperience软件开发了Alignment自定义特征，支持各专业工程实体基于里程的定位和布置。

图10 雅万高铁先开段BIM模型

在京沈客专等试点项目以及京雄高铁（见图11）、牡佳客专、雅万高铁等多个工程项目中全面应用了铁路IFC Alignment 1.0标准，并实现了标准化成果交付。

图11 京雄高铁全面应用铁路IFCAlignment1.0标准

4 结束语

铁路IFC Alignment 1.0标准支持铁路线路中心线的完整表达。工程实践证明，应用该标准可有效支持铁路线路中心线信息跨软件平台、跨参与方传递。基于该标准研究成果，向buildingSMART提出的缓和曲线修订建议已被采用，纳入buildingSMARTIFC4x1标准[5]。关于铁路断链的定义，正与buildingSMARTIFC Alignment标准编制组进一步沟通。