动车段所BIM全生命周期数据传递关键技术
2022-01-21孟炜
孟炜
（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308）
0 引言
随着BIM技术的发展和普及，多阶段、集成化应用已经成为目前研究和发展方向。动车段所是铁路机车车辆运营、整备、检修区域，建筑体量大、涉及专业多、专业间接口复杂且运营期工艺流程复杂，因此开展基于BIM技术的动车段所全生命周期管理是有必要的。全生命周期管理通常包含规划、设计、施工和运维4个阶段：规划、设计阶段通常采用Dassault平台、Autodesk平台和Bentley平台进行设计［1-2］；施工阶段通常采用Navisworks、3D Max、Fuzor［3］等软件进行施工交底、施工仿真或效果制作；运维阶段通常以前期成果作为基础数据，进行自主平台的研发。
为保证数据的完整性，一方面可自主开发统一数据格式平台，但这种方式通常费时费力，兼容性差，且很难满足多种文件的交换需求；另一方面可以采用数据转换的方式，但通常面临着模型几何信息与非几何信息丢失的问题［4-5］。如何在目前统一数据平台开展全生命周期研究难以实现的情况下，选择最佳数据传递方案及轻量化技术路线，是研究的重点。以主流BIM软件3D EXPERIENCE（CATIA V6，简称3DE）作为主要设计源头，研究不同设计阶段数据传递的优选协同格式及轻量化路线。
1 数据传递方式研究
1.1 规划、设计阶段
动车段所涉及到的专业众多，包含测绘、站场、轨道、桥梁、牵引变、接触网、电力、通信、信息、信号、建筑、结构、暖通、给排水、机务、车辆等专业，其中建筑、结构专业通常采用Revit软件进行模型建立，利用IFC文件将设计成果传递到3DE平台中；机务、车辆等专业属于工艺设备专业，设备模型通常由厂家提供，涉及种类及类型繁多，如：SolidWorks、Catia、Inventor等。
由于不同软件建模、表达及数据存储存在较大差异，且很多机械软件对IFC类型文件支持不够好，故常用的数据传递格式有STEP、IGS等，STEP格式相较于IGS格式，不仅可以保存更多的文件信息，同时对大文件的支撑效果也较好。所以对动车所设备模型的数据传递，通常采用STEP格式导入到Dassault平台中，规划设计阶段优选协同技术路线见图1。
图1 规划设计阶段优选协同技术路线
1.2 施工阶段
目前施工阶段比较成熟的应用主要有：施工组织模拟、工艺工法模拟、工程算量、施工进度控制、安全管理等［6］。在其中BIM数据交互IFC格式是最好的解决方案，但是由于Dassault平台本身对导出IFC文件功能不够完善，部分数据存在配色丢失、模型变形等问题。所以对于这部分模型以3DXML格式导出，以数据转换的方式导入到施工平台中，有时为了更好地保存模型的配色及属性信息，还会将部分模型以IFC、STEP等格式文件导出（见图2）。
图2 施工阶段优选协同技术路线
1.3 运维阶段
目前运维平台的研究通常根据需求有针对性的进行开发。由于动车所的模型体量较大，以超图的平台为例，Supermap10版本以后通常可以直接打开Dassault平台的3DXML数据，但当模型体量较大时，通常会存在模型打开失败的情况。通过自主研发格式转换插件，将3DXML文件转换为UDB文件，进一步导入到GIS平台中进行处理，目前已成功将BIM模型转入到中国铁路设计集团有限公司自主开发的RIM平台和超图的GIS平台，运维平台在超图平台基础上利用C#进行进一步开发（见图3）。
图3 运维阶段优选协同技术路线
1.4 不同设计阶段数据传递的优选协同格式
结合上述研究，总结出不同设计阶段数据传递的优选协同格式（见图4），选择合适的数据传递方式能够很好的保存模型的几何与非几何信息，为现阶段BIM数据应用创造良好的条件。当然，未来统一协同设计环境，各软件厂商完善IFC相关功能，才是解决数据传递问题的根本途径。
图4 全生命周期数据传递优选协同技术路线
2 轻量化方式研究
动车段所BIM模型体量巨大，相关BIM数据对平台的承载能力要求非常高，故数据在传递过程中需要进行轻量化处理。数据传递的核心是模型的几何信息和模型信息的保留。由于使用场景和需求存在差异，不同设计阶段对模型精度及信息的要求并不相同，施工阶段对模型几何信息的要求较高，而运维交付更看重模型的非几何信息，在保留模型几何与非几何信息基础上，轻量化是其中研究的重点。模型轻量化主要有2种方式：
一是对几何本身处理方式，减少模型的体量（如结构简化、减少模型的多边形数量等方式）。结构简化通常是指针对特定的需求，对模型中体积较大部分进行简化和修改，如3层作业平台踏板密集的网格，安全连锁音柱设备密集的网格等；减少模型多边形数量是指采用技术手段降低模型的精细程度，这类方式可以从根本上减少模型的体量，达到真正意义上的轻量化，但过多的处理会降低模型原有的设计精度，且人工操作费时费力。
二是通过技术处理来实现的方式，如实例化技术和LOD技术。实例化技术是指模型在渲染的时候，对于同一类型的模型（如检查库内多个LU、检查库内多个安全门）仅对其中的一个模型进行处理，对于其他相同实例采用坐标矩阵的记录方式，根据矩阵关系进行映射展示；LOD技术是指对模型根据距离进行处理，在距离模型较远的时候，模型的细节层次显示的比较少，相应加载的模型多边形数量也较少，当距离模型较近的时候，模型的细节层次才会被加载出来，从而提高模型的加载速度。结构简化、减少模型的多边形数、实例化处理和LOD技术，多种技术方式结合使用往往会达到很好的轻量化效果［7-8］。
2.1 结构简化
BIM模型在施工和运维阶段交付的过程中，部分模型所包含的细节层次很多，而这些细节在施工运维阶段关注度不高，因此这些特征可以进行删除简化，结构简化的本质是减少模型的多边形个数。以3层作业平台、LU设备、综合支吊架、不落轮旋床、轨道桥、安全连锁音柱设备、检查库压缩空气管线、立体仓库等模型为例进行结构简化处理，研究其结构简化前后体量变化的情况（见图5）。
图5 结构简化前后模型文件体量变化情况
可以看出，通过结构简化处理，模型的体量均有了显著的降低，其中3层作业平台体量大，属于重复度较高的结构，通过对其进行结构的简化和修改，模型体量得到了较好的降低；LU和不落轮旋床属于工艺设备，通常设备厂家提供的是较为完整的模型，所以在施工和运维阶段，对模型内部结构进行简化会大幅减小模型体量；音柱虽然属于小设备，但也由于初期建模过分追求细节，导致模型在转为其他格式包含大量的冗余信息。通过对这种结构的简化，便很有效的将模型的体量降下来，而模型的外观基本上不会发生变化（见图6）。对于管线等非设备相关模型，一般不需要对模型的结构进行处理。
图6 结构简化前（左）、简化后（右）模型外轮廓
2.2 实例化处理
实例化处理是指对相同或者相似的几何零件进行检测，并将重复的模型转化为实例。动车段所内有大量的重复设备，通过实例化处理可以极大减小模型体量，实例化技术仅改变了储存数据的方式，并未改变模型本身。达索系统储存文件格式为3DXML，所以达索系统在储存文件的过程中就采用了实例化的技术。但由于建模过程中存在建模方式不规范、模型反复修改的问题，所以会导致一部分的实例关系发生丢失和破坏，且不同软件的实例化算法略有不同，所以可通过其他软件对其实例关系进行修复和重建。
利用实例化技术对3层作业平台、LU设备、综合支吊架、不落轮旋床、轨道桥、安全连锁音柱设备、检查库压缩空气管线、立体仓库等模型进行实例化处理，得到结果见图7。可以看出，通过实例化处理，对于3DXML、UDB和缓存文件，其减小的比例较大，原因是由于模型在建立和修改的时候破坏了原有的实例化关系，导致再次实例化会降低模型的数据量。而对于3DS、NWD等文件，其大小基本不会发生变化，这是由于3DS和NWD文件自有的压缩或储存算法导致的。
图7 实例化前后模型文件体量变化情况
2.3 多边形简化处理
模型多边形的数量是影响渲染速度的重要因素，通过减少模型中多边形的数量，可以减小数据的大小，提高模型的加载速度。但过度减少多边形数量会降低模型的精度和质量，特别是视觉效果。通过多边形简化对3层作业平台、LU设备、综合支吊架、不落轮旋床、轨道桥、安全连锁音柱设备、检查库压缩空气管线、立体仓库等模型进行多边形简化处理，得到结果见图8。
图8 多边形处理前后模型文件体量变化情况
可以看出，通过多边形简化处理，模型的体量发生了较大变化，这是减少模型体量和提高渲染速度最根本的方式。
2.4 结果对比
通过对模型进行轻量化处理，模型的体量均有了很大的变化。从文件体量来看，对于设备模型，如LU设备、3层作业平台设备，通过R1～R3（R1为结构简化；R2为实例化；R3为多边形简化）处理之后，其模型体量平均降幅在70%以上，对于非设备模型（如管线等），其平均模型体量降低幅度在50%左右；从多边形数量上，对于设备模型（如LU设备、3层作业平台设备），通过R1～R3方式处理之后，其多边形平均降幅在80%以上，对于非设备模型，如管线等，其平均模型体量降低幅度在60%左右（见图9）。
图9 多种方式处理前后模型体量变化情况
3 结论
动车所BIM模型数据量大，存在难以直接开展可视化及应用的问题，采用合适的数据传递路线及模型轻量化技术可将包含冗余信息的BIM模型转换成轻量化模型，实现模型数据量显著缩减和模型复杂度显著降低。研究从动车所实际设备设施出发，通过结构简化、实例化处理和多边形处理手段，以实例的方式进行研究，结合测试结果，设备模型体量通常降幅在70%以上，非设备模型降幅在50%左右。以正在开发的运维管理平台为例，整个平台的体量从原来的3.41 GB降低至0.62 GB，整体降幅为82%，轻量化效果十分显著，为后续运维管理平台的开发提供数据基础。
