基于IFC标准扩展的铁路轨道结构BIM模型构建研究

建筑信息模型(BIM)技术对提高铁路行业的工程设计水平具有重要的推进作用。如何在轨道工程设计阶段充分利用BIM技术的信息化建模能力，实现设计信息的数字化传递是BIM技术在轨道设计阶段应用的一个难点。利用工业基础类(IFC)标准将轨道结构工程信息集成在BIM模型中，是克服这一问题的有效途径。针对IFC标准架构领域层实体信息缺失的不足，采用实体扩展和自定义属性集的方式对轨道领域进行扩展和定义，进而构建轨道结构基础数据框架体系，其中实体扩展包括空间结构单元、组合件、构件和零件扩展，自定义属性集则对身份信息、位置信息与技术信息进行拓展。通过扩展关系实体，结合IFC标准表达机制，构建新增轨道实体与属性集表达体系。在此基础上，进一步提出面向轨道结构BIM模型的建模方法。最后，通过一个无砟轨道案例，验证该IFC扩展与建模方法的实用性，对于提高设计阶段轨道结构BIM模型信息的完备性与可传递性具有实际的工程意义。

IFC标准数据架构与扩展机制

IFC标准数据架构

IFC标准架构共定义4个概念层，从上至下依次分为领域层(Domain Layer)、共享层(Interop Layer)、核心层(Core Layer)、资源层(Resource Layer)。

每个层次均包含一些信息描述模块，其中最高层的领域层负责定义特定专业领域内的产品、流程及资源专业化，这些定义只在本域内进行交换与信息共享。共享层定义了不同专业领域间通用的产品、流程及资源专业化，这些定义可在域间进行交换与信息共享。核心层则承担定义最通用的实体及核心扩展架构，该层及以上的实体都包括全局唯一 ID 和所有者历史信息。最后，位于最底层的资源层负责定义实体基本资源，如日期、材料、成本、数量、外观等，但不包括全局唯一 ID ，且不得独立使用。

IFC 标准扩展机制

常用的IFC标准扩展方式有3种，分别为基于IfcProxy的实体扩展、基于新增实体定义、基于属性集定义的扩展。基于IfcProxy的实体扩展方法是现有IFC标准版本中用于描述未被当前版本定义的实体，虽然操作简单，但以此法定义的实体名称均相同，不利于开发者阅读。基于新增实体定义的方法是在现有IFC标准版本基础上通过继承与关联关系来增加自定义实体扩展的一种方式，常用于版本的更新迭代，尽管其存在扩展困难的情况，但生成的文件可读性强，运行效率高，不受版本限制。基于属性集定义的扩展则是通过扩展IfcPropertySet实体来自定义属性集中的属性内容，其扩展容易，运行效率高，符合用户需求。

中国铁路BIM联盟针对铁路领域的线路、桥梁等6个专业领域进行相应的IFC标准扩展工作，但该扩展模式仍存在诸多不足之处：

（1）仅对领域中最基础的组成构件进行实体定义，缺少对辅助构件的定义，不满足运维阶段的监管需求，例如轨道领域缺少伸缩缝、紧固件等构件的定义。

（2）扩展的属性集信息主要用于描述构件的号、图号与技术条件等通用属性，未将不同构件所具有的信息差异性体现出来，例如缺少构件的尺寸、位置等信息描述。

（3）缺少表达新增构件实体之间关联关系的连接实体，例如钢轨与轨枕之间通过扣件的扣压力实现连接的方式不能利用现有IFC标准中的连接实体进行表达。

基于上述缺陷，为进一步体现轨道结构的层次性与属性信息的完备性，本文通过新增实体定义与性集定义扩展的方法在IFC4.3架构中对轨道结构BIM模型进行扩展研究。

基于IFC标准的新增实体定义的轨道实体扩展与表达

铁路工程信息模型的扩展方式分为静态扩展和动态扩展，静态扩展通过对铁路工程各领域的实体进行层级化表达，即空间结构单元、组合件、构件和零件4个层级，并将扩展的数据架构通过EXPRESS语言予以描述，BIM软件通过识别EXPRESS文件来判断铁路IFC实体。

轨道实体继承关系

《铁路工程信息模型分类和编码标准》（ International Framework for Dictionaries ，以下简称 IFD 标准）对铁路领域的每个概念和术语进行了唯一的类型编码定义，具有层级清晰、信息对等和精确可靠的优点，将轨道工程构件按功能、形式、工项和产品分为 5 个层级。

本文依据 IFD 标准的轨道构件层级，结合实际生产活动，基于静态扩展的方法对铁路轨道领域进行相关实体扩展，所有层级中的零构件实体均采用相同的方式进行定义，并通过层级间高低关系相互嵌套实现轨道构件单元的组成。

在实际的轨道运维与监管过程中，通常是将一条完整的轨道分割成若干个轨道段进行管理的，此外轨道结构的设计与管理均以轨排为对象，在轨排的监管过程中，是先对组成轨排的钢轨、轨枕与扣件构件状态进行检查，若性能完好，则对连接钢轨的钢轨接头等维持构件连接状态的零件的性能进行检查。为确保设计阶段的模型信息传递到运维阶段时仍符合管理需求，按空间结构单元、组合件、构件、零件 4 个层次逐一进行扩展。扩展后各个层级的继承关系如图 1 所示。

轨道工程实体均由产品（ IfcProduct）实体的子类派生而来，其中用于组织轨道领域所有空间结构要素的铁路空间结构单元（IfcRailwayStructureElement）派生自空间结构单元（ IfcSpatialStructureElement），在此基础上派生出轨道（ IfcTrack）与轨道段（ IfcTrackPart）两类，分别用于描述一条拥有完整结构和功能的轨道及一段具有一定结构和功能的轨道段。轨道（IfcTrack）实体与轨道段（IfcTrackPart）实体是整体与部分的关系，通过 IfcRelAggregates 关系实体关联。

图1 轨道工程信息模型IFC扩展EXPRESS-G图

轨道组合件由部分构件组成，在轨道结构中发挥一定功能。主要包含轨排(IfcTrackPanel)和有砟道床(IfcBallastBed)，均派生自单元(IfcElement)实体的子类土木单元(IfcCivilElement)实体下扩展的铁路组合件单元(IfcRailwayElementAssembly)实体。

轨道构件是组成轨道结构的物理实体。IFC4.3标准已包含轨道构件单元(IfcTrackElement)，但其缺少具体轨道构件的描述，故在此基础上扩展相应的构件：钢轨(IfcTrackRail)、扣件(IfcTrackFastening)、轨枕(IfcTrackSleeper)、道岔(IfcTrackTurnout)、道砟层(IfcTrackBallastLayer)等。

轨道零件是组成轨道结构的底层实体，常用于构件间的连接与加固。在单元(IfcElement)实体的子类零件单元(IfcElementComponent)下派生出土木零件单元(IfcCivilElementComponent)存放土木各专业领域的零件子类，再派生出铁路零件单元(IfcRailwayElementComponent)与几何零件单元(IfcGeoElementComponent)，前者用于存放铁路领域的零件，在该铁路零件单元下派生出轨道零件单元 (IfcTrackElementComponent) 与接地端(IfcEarthingTerminal)，前者用于存放钢轨接头(IfcTrackRailJoint)等轨道零件实体。根据IFD标准分类内容，为满足轨道工程运维阶段的监管与养护维修需求，该层级轨道零件的每一项可扩展出具体的构件，见表1。

表1 轨道零件扩展表

针对钢轨、轨枕等类型多样化的构件，需定义预定义类型属性 (PredefinedType)，例如IfcTrackRailTypeEnum，枚举值为43 kg/m、50 kg/m、60 kg/m和75kg/m。针对扣件等结构层次分明的构件，还可定义结构类型属性(StructureType)——IfcTrackFansteningStructureTypeEnum，枚举值为分开式、混合式等。针对轨道段等功能特性存在明显不同的实体，可定义功能形式属性(FunctionType)——IfcTrackPartFunctionTypeEnum，枚举值为道岔段、非道岔段等。

扩展的实体均需通过EXPRESS语言对产品进行描述，以便能够被计算机识别。根据上述扩展的轨道工程信息模型EXPRESS-G图，在IFC4.3标准架构中添加轨道实体。以轨枕(IfcTrackSleeper)实体为例，先进行类型定义(TYPE)，其中通过IfcTrackSleeperTypeEnum描述轨枕类型；再进行实体定义(ENTITY)，并给出领域规则(Domain Rule)，用于给出属性可能有的约束，通过“WHERE”关键字定义。其中轨枕实体的类型与实体定义见表2和表3。

表2 轨枕类型EXPRESS表达

表3 轨枕实体EXPRESS表达

轨道构件连接关系表达

根据轨道工程特点，在共享层扩展了2个关系实体，用于描述不同轨道零构件之间的连接关系（见图2）。钢轨与轨枕间的连接是通过扣件的扣压力大小实现的，部分无砟轨道的轨枕与轨道板之间也是通过扣件的扣压力连接的，故定义扣压联结实体(IfcRelBucklingConnectsElement)用于描述通过扣件扣压力连接各个零构件的关系实体。轨道板与底座之间通过调整层连接成一个整体，调整层通常是由CA砂浆填充形成的，故定义填充关系实体(IfcRelGelFillsElement)用于描述轨道构件间通过填充弹性材料实现自适应整平与连接的关系实体。其中扣压联结实体(IfcRelBucklingConnectsElement)的EXPRESS描述见表4。

图2 扣压联结实体EXPRESS表达

表4 扣压联结实体EXPRESS表达

通过上述关系实体中的ConnectionGeometry属性定义钢轨对象与扣件对象、轨道板对象与底座对象等对象间的几何连接信息，该几何信息通过由位于资源层的几何连接实体(IfcConnectionGeometry)表达，通过准确指定在相关对象处发生对象连接的位置来给出几何连接信息。几何连接实体又分为点连接、线连接、面连接和体连接，其中扣压连接实体属于点连接(IfcConnectionPointGeometry)，填充关系实体属于面连接(IfcConnectionSurfaceGeometry)。

基于建模方法，分析钢轨与轨枕实体表达过程，如图3所示。以“公制常规模型”为样板，分别建立钢轨与轨枕模型，并将族名称重命名为钢轨与轨枕，再将族类型对应的IFC实体导出配置文件中“常规模型”类对应的“IfcBuildingElementProxy”IFC实体类改为IfcTrackRail与IfcTrackSleeper，导出IFC文件，得到#151261和#151306语句，语句实体名称为IfcTrackRail与IfcTrackSleeper，具有与IfcBuildingElementProxy完全一致的属性名称与数量，但其PredefinedType属性为NOTDEFINED；基于VS2019编程工具，将二者的PredefinedType属性重新定义为60KG/M与CONCRETESLEEPER，再定义表达二者关联关系的扣压联结实体#151340(IfcRelBucklingConnectsElement)，该实体具有同级连接实体的相同属性，所关联的父元素为钢轨，定义两个几何点连接实体#151341与#151344，并确定点连接实体的父元素与子元素连接点的位置坐标。将修改后的IFC文件导入到Solibri软件中，得到图3中的钢轨与轨枕模型，图中模型正常显示，且清晰程度不变，表明通过修改导出配置文件中族类型对应的IFC实体名称的方式可将构件族按自定义的名称导出，且与原导出设置中的IFC实体具有相同的属性，通过编程工具对该实体进行属性添加与修改不影响实体的表达；新增连接实体的静态属性集与其同级连接实体相同即可表达实体之间的关联关系，无需添加新的属性。

图3 钢轨与轨枕构件关联示例

基于IFC标准的轨道实体属性集扩展与表达

实体的静态属性集信息不满足轨道构件在全生命周期中的计算分析、运维及养护维修等方面的需求，故对上述轨道构件进行详细的存储模型和信息定义，供轨道专业设计者进行对象的创建、定义与储存。

轨道实体属性集扩展

本文扩展的轨道实体属性集主要用于集成设计与建造阶段体现其空间结构和功能特性的信息，分为身份信息、位置信息与技术信息三类。

所有的轨道工程构件均包含名称、编码、编号等可以表征构件身份信息的属性，为避免重复定义，抽取所有可表征身份的属性信息形成公用属性集，命名为Pest_RailElementIdentificationCommon，其所包含的属性见表5。

表5 轨道工程构件身份信息属性集

位置信息属性集主要用于描述构件所处位置，其中钢轨、轨道板和底座等构件是一段沿路线铺设的有限长的物体，具有起点和终点两种属性；轨枕、扣件等构件是基于一个中心点与钢轨进行连接，故根据定位方式的不同分为连续里程定位信息属性集(Pest_RailElementContinousMileageLocation)和中心里程定位信息属性集(Pest_RailElementCenterMileageLocation)，分别对应于钢轨(表6)和轨枕(表7)。

表6 轨道工程构件连续里程定位信息属性集

表7 轨道工程构件中心里程定位信息属性集

轨道构件技术信息属性集主要用于描述构件专有的一些性能参数和基本信息，需要根据轨道专业设计人员需求进行对象的创建、定义与储存。以轨枕实体为例，其储存设计阶段信息的技术信息属性集(Pest_TrackSleeperCommom)见表8 。

表8 轨枕实体技术信息属性集

轨道构件属性集信息表达

IFC标准中，对自定义属性集的表达是通过IfcPropertySetDefinition定义属性集的方式表达。首先，利用属性集内属性类型对应的实体进行定义，例如轨枕技术信息属性集(Pest_TrackSleeperCommom)属性集内的Type属性利用IfcPropertySingleValue实体进行定义；再利用IfcPropertySet实体集成同一属性集内属性实体并命名属性集；然后通过IfcRelDefinesByProperties关系实体将属性集关联到对应的构件实体中，例如Pest_TrackSleeperCommom属性集与 IfcTrackSleeper实体关联、Pest_TrackRailCommom属性集与IfcTrackRail实体关联；最后将关联属性集后的构件实体通过IfcRelContainedIn-SpatialStructure实体(空间结构包含关系)关联到轨道空间结构单元中。对部分存在父类组合件实体的构件，需先将构件实体通过IfcRelAggregates(聚合关系)实体关联到组合件实体中，再与轨道空间结构单元进行关联，例如钢轨、轨枕与扣件实体需关联到轨排(IfcTrackPanel)实体中，再关联到空间结构单元轨道段(IfcTrackPart)实体中。图4中展示了轨道构件自定义属性集表达的过程，其中Relating…指向的实体为父元素，Related…指向的实体为子元素。

图4 轨道构件自定义属性集表达

标准应用

轨道信息模型建模流程

实体的静态属性集信基于本研究扩展形成的轨道工程IFC标准提出轨道信息模型建模流程如图5所示，具体如下：

（1）修改EXPRESS文件。以IFC4x3_RC4.exp文件为基础，根据扩展后的EXPRESS-G图在该文件中添加轨道构件实体与连接关系实体EXPRESS描述。

（2）创建轨道几何模型。利用Revit软件的族文件创建轨道构件实体，再通过修改Revit中族类别与IFC标准中实体以及类型之间对应关系的配置文件来手动自定义添加对应的轨道构件IFC类型。

（3）利用IFC for Revit Version工具来增强Revit软件的IFC导出能力，得到具有新增轨道零构件实体的IFC实例文件。

（4）利用Visual Studio2019开发工具编辑IFC文件，将零构件实体聚合到对应的组合件或空间结构单元中，再添加身份、位置公用属性集信息与自定义技术属性集信息。

（5）导入第三方IFC文件解析工具(SolibriModel Viewer)，检查IFC文件信息的完备性。

图5 基于IFC 扩展的轨道结构BIM建模流程

案例验证

根据《铁路轨道设计规范 TB10082-2017》规范，以Revit2023为基础建模平台，建立标准CRTS I型双块式无砟轨道结构模型。该模型构件层主要由钢轨、轨枕、扣件、轨道板、底座构成，零件层主要由紧固件、预埋套管、轨下垫板等构成。

基于Revit2023族文件构建CRTS I型双块式无砟轨道构件库并指定IFC实体类型。完成基础建筑模型设计后，以IFC Engine工具包作为文件解析器，采用动态链接库IFC Engine.dll与修改后的符号导出文件IFC4x3_RC4.exp对IFC文件进行读取、解析和数据文件的输出。首先检查导出文件轨道零构件实体是否按扩展名称定义，并进行属性集扩展，然后在IFC标准体系中新增轨道实体、轨道段实体、轨排实体与扣压联结实体，基于2.2节方法对构件连接关系进行表达，将钢轨、轨枕和扣件通过3.2节方法先聚合到轨排实体，再与其它构件一起关联到轨道段实体，最后将该轨道段聚合到轨道实体中实现空间结构表达，并输出扩展后的IFC文件。

最后，以Solibri Model Viewer V9.8为验证平台，对IFC文件实体与属性集信息的完备性进行检验。如图6所示，为Solibri Anywhere打开的CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构模型与轨枕技术信息的展示。研究结果显示，轨道结构的实体语义均能正确表达，表明基于修改EXPRESS文件新增实体定义的方式可在IFC文件修改与添加新增轨道实体；轨枕实体具有自定义的身份、定位与技术三种属性集，其中Pest_RailElementIdentificationCommon属性集名称及内容与定义的轨枕身份信息相符，表明通过IfcRelDefinesByProperties实体将定义的轨枕属性集派生到轨枕构件上的方式可扩展属性集，故轨道结构模型具有更加完备的信息与良好的可传递性。

图6 基于IFC扩展的轨道结构信息模型

标准应用

基于本研究扩展形成的轨道IFC标准，提出轨道BIM模型在不同软件平台间的数据共享、集成与交互技术路线如图7所示，具体如下：

（1）BIM 软件之间数据共享。Revit、Civil 3D、Catia等铁路领域常用BIM软件具有导入与导出IFC类的配置文件，用户可根据需求在配置文件中自定义修改或添加IFC实体。此外，BIM软件均具有二次开发功能，用户可将IFC实体与软件API的类一一对应，从而更精确地表达轨道实体信息。

（2）异构源数据集成。首先，基于EXPRESS语言将扩展后的IFC文件转化为OWL文件，再根据轨道零构件实体名称建立轨道领域本体的类，依据扩展的连接实体构建本体类之间的关系，基于扩展的属性集信息构造类的实例。最后，将来自数据库与日常监管记录的不同格式养护维修文件通过映射规则转换成OWL格式，并作为实例添加到轨道领域本体中。

（3）用户与BIM模型数据进行交互。基于轨道领域本体制定推理规则，确定病害位置，再利用Unity进行渲染与着色将异常点可视化，在此基础上建立基于BIM的轨道运维平台，进一步实现用户基于BIM模型进行信息检索、病害诊断、智能评估与维护方案制定的各项业务应用。

图7 基于IFC标准的轨道BIM应用方式

结论

为促进轨道结构 BIM 模型设计阶段信息转换与数据共享，提高轨道工程数字化建造水平，本文以 IFC 标准为基础，从实体扩展与自定义属性集两个方面扩展和定义了轨道结构的语义模型，形成基于 IFC 标准的轨道工程基础数据体系。主要结论如下：

(1) 以 EXPRESS-G 图为参照，在 IFC 标准的 EXPRESS 语言架构中扩展和定义了轨道工程结构实体与关联实体，实现了新实体在继承关系中的语义表达。

(2) 基于 Revit 族文件，构建了自定义 IFC 类型的轨道构件库。

(3) 基于 Visual Studio 平台，完善了构件实体表达的关联机制，扩展了面向设计阶段的属性集信息，由此构建具有完备信息的 BIM 模型。验证结果表明，该方法可行有效。

由于时间等因素限制，扩展的属性集均为静态数据，仅包含设计阶段信息，计划下一步对施工与运维阶段的数据信息进行研究，将动态信息数据融入到轨道工程数字化建造过程中，为有效提高轨道施工和监测效率提供技术支持。