CN111339586A - 一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法，涉及城市轨道交通设计的模型表达技术领域。(1)建立城市轨道交通工程由专业、构件、三维几何、成本、时间周期等七维组成的抽象数据模型；(2)对整个城市轨道交通工程的组成进行二段式规范编码，并形成编码结构树；(3)将七维数据模型映射到编码结构树，形成规范组织的数据序列；(4)基于内置编码逻辑和基于IFC实体+关系数据表达属性的方式，建立基于编码IFC对象+可向全生命周期扩展属性数据的计算机存取表达。通过将复杂的城市轨道交通系统工程体分解成最小粒度的表达，并采用可编码的结构树进行组合，在计算机中映射为面向对象和关系数据表达的综合数据模型。

Description

一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通设计的模型表达技术领域，尤其是BIM领域的模型表达和共享技术。

背景技术

城市轨道交通系统是一个多专业、多角色作用在多约束、长周期、大投入下的复杂工程体，一直以来，人们希望找到一种适合轨道交通模型表达的数字化模型来解决多专业、多角色协同设计，多专业协同建造以及长寿命周期的运维等问题，使得整个工程体能够在专业上协同、全生命周期协同及数据一致性，实现高效、低成本的工程管理。

目前在涉及建筑的工程体数字化模型的表达主要采用BIM技术，即采用建筑信息化模型来表达出工程体的模型，最早的BIM主要是三维几何，逐渐到考虑时间和三维几何的4D BIM，再到考虑成本、时间和三维几何的5D BIM，该模型主要规定了当前建筑工程领域的主要专业，包括建筑、结构、机电、暖通、电气等。城市轨道交通工程是建筑工程在轨道交通领域的应用，其专业分类至少40个，其中与模型相关的专业有近30个，同时全生命周期又分为工可、初设、施工设计、招标、施工、运维、破除等多个阶段，每个专业、每个阶段有大量的技术、管理人员开展工作，且对模型的需求不一样，急需要一种多粒度、多层次结构的数字化表达模型。目前国际上BIM通用的表达方式采用工业信息类(Industry FoundationClass，IFC)结构来对BIM进行表达，主要用于建筑工程领域，且表达复杂，需要扩展大量的专业才能表达出复杂的城市轨道交通工程，工作量巨大；同时，该模型对成本维、时间维难以支持，需要外加属性才能表达出完整的模型。总之，BIM只是一种思想和概念，IFC不能完全表达出城市轨道交通BIM。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法，它能有效地解决城市轨道交通系统整个工程体能够在所涉专业的全生命周期协同及其数据一致性的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法，首先将城市轨道交通所涉的各个专业以及专业组成、时间、成本、三维几何参数进行综合，建立七维BIM；再将城市轨道交通组成结构分解成二段编码，映射到模型树形结构上，并与七维BIM结合，形成基于树形结构表达的模型；然后采用IFC+对象和属性表的结构进行计算机表达和存储，形成粒度化、层次化的BIM表达模型，为城市轨道交通工程全生命周期模型数据共享提供支持；

(1)七维BIM构建

依据城市轨道交通工程的特点，建立七维BIM的结构如下：

七维BIM＝Set{S,D,T,C,X,Y,Z}

其中：

S代表城市轨道交通工程中涉及到的所有与BIM相关的专业；

D代表专业组成，细化到每个专业包含的子系统、以及可描述的最小单元；

C代表成本，按照全生命周期各阶段分为设计成本、施工成本、运维成本，各种成本由成本模型来表达；

T代表时间，指专业组成的全生命周期阶段，包括设计阶段、施工阶段、运维阶段，每个阶段再进一步细分多个子阶段；

X、Y、Z为三维几何模型，包括该专业形成的三维几何模型；

(2)建筑体七维BIM骨架建立

每个城市轨道交通工程的物理模型由成千上万的构件组成，这些构件分布在不同的专业、不同的位置，且有全生命周期的时间属性。七维BIM给出了该物理模型的各种要素的组成，要表达出一个复杂的建筑模型以及其逻辑结构，需要建立起相应的骨架；

由于一项轨道交通工程的物理组成具有众多的节点，为了找到其中相关位置的信息，需要对节点进行编码，形成编码结构树；

将建筑体各种要素的逻辑组成以及七维BIM内容映射成二段式编码结构树，该结构树中，按照“城市-线路-对象-专业-子系统-构件”六级编码进行分步；在构件下增加构件几何、构件属性，构件属性又分为设计、施工、运维时间阶段的属性，以及这几个阶段的成本模型，这样就能够完整表达七维BIM以及城市轨道交通工程的物理结构；

第一段编码包含一、二、三级编码，分别规定城市、线路、对象，来自对整个工程文档的管理路径，根据模型文档的存储路径实现“城市-线路-对象”的自动编码；第二段编码包含四、五、六级编码，分别规定专业、子系统、构件，根据标准规范中城市轨道交通所包含的“专业-子系统-构件”实现自动编码。

(3)基于内置编码逻辑的七维BIM计算机表达

采用IFC+编码+属性的开放式结构方式表达7维BIM：

首先，在利用设计软件设计时，对四、五、六级编码进行映射，形成内置于设计环境的结构树，并将该编码写入构件的属性定义中，生成的IFC文件中包含该构件的编码；

在生成IFC文件的过程中，只扩展轨道交通工程各专业实体构件，忽略存储于IFC文件中的其他多余信息；

根据构件的属性定义属性表，用于存储构件的全生命周期阶段属性，属性表与IFC中的构件编码和全局ID唯一对应，以方便顺利查询到相应的构件属性；

采用解析工具解析IFC文件，并表达成二段式编码结构树，将整个结构树按照IFC+属性表+编码的方式有序存储于计算机中，完全表达出整个七维BIM；

当需要提取或者拆分BIM时，采用解析器再现出七维BIM存储模型，并将其IFC的复杂实体之间的逻辑关系表达成图形，采用图形化操作对BIM的各构件进行标识，进行提取，从而达到共享和重用。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

本发明所描述的BIM表达规范、拓展性强、易于工程应用，有如下特点：

1、从模型产生的设计阶段对模型进行规范，更易于工程应用；

2、将模型扩展到七维，便于适应不同的专业；

3、采用二段式编码，通过编码结构树对复杂的模型内容进行有序组织；

4、基于IFC实体和外扩属性表达的开放式表示，使得信息可以扩展到全生命周期；

5、模型信息内容最小单元化，可以实现多粒度、多层次BIM表达，使得模型信息提取更精细。

附图说明

图1为本发明七维BIM的结构示意图

图2为本发明七维BIM表达为结构树的骨架示意图

图3为本发明七维BIM骨架的编码结构示意图

图4为本发明七维BIM第一段编码结构示意图

图5为本发明七维BIM第二段编码结构示意图

图6为本发明设计环境中对BIM第二段编码的内置示意图

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更清楚地理解本发明中的技术方案，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步的说明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法，具体通过以下技术方案来实现的：

S1：将城市轨道交通所涉的各个专业以及专业组成、时间、成本、三维几何参数进行综合，建立七维BIM；

S2：将城市轨道交通组成结构分解成二段编码，映射到树形结构上，并与七维BIM结合，形成基于树形结构表达的模型，对整个复杂的工程进行骨架表达；

S3：采用IFC+对象和属性表的结构进行计算机表达和存储，形成粒度化、层次化的BIM表达模型，为城市轨道交通工程全生命周期模型数据共享提供支持；

更进一步的，依据城市轨道交通工程的特点，对于上述的S1步骤构建的七维BIM如图1所示，建立七维BIM模型的结构如下：

七维BIM＝Set{S,D,T,C,X,Y,Z}

其中：

S代表城市轨道交通工程中涉及到的所有与BIM相关的专业，例如车站建筑，车站结构，隧道，桥梁，轨道，疏散平台，车辆，通信，信号，供电，接触网，变电所，低压配电与照明以及其他相关专业；

D代表专业组成，细化到每个专业包含的子系统、以及可描述的最小单元，例如车站建筑包含：主体建筑，出入口、风亭、冷却塔，装饰装修三个子系统；主体建筑子系统中包含：门、窗、墙、楼梯、穿中板的预留孔、变形缝、导向标识系统等构件；

C代表成本，按照全生命周期各阶段分为设计成本、施工成本、运维成本，由成本模型来表达；

例如建筑墙的成本包括：

设计成本：设计师的工时*工时费+资源分摊费；

施工成本：材料费+人工费+材料运输分摊费；

维护成本：在使用年限周期内，维护次数*单次维护费用；

T代表时间，指专业组成的全生命周期阶段，包括设计阶段、施工阶段、运维阶段，每个阶段再进一步细分多个子阶段，例如设计阶段可细分为：总体设计、初步设计、施工图设计；

X、Y、Z为三维几何模型，包括该专业形成的三维几何模型，例如墙体是由点、线、面在三维空间内组合成的三维几何模型；

更进一步的，对于上述S2步骤，根据城市轨道交通的物理模型，创建树形结构的模型表达骨架，如图2所示。

树形结构包括8个层级，分别是：城市，线路，对象，专业，子系统，构件，几何信息、成本信息、构件属性，其中构件属性又分为设计属性、施工属性和运维属性。

由于轨道交通工程的物理组成具有众多的节点，为了找到其中相关位置的信息，需要对节点进行编码，形成编码结构树，编码规则如图3所示：

(1)一级编码：为城市编码，表示地铁线路所在的城市，采用两位数字编码，从01到99，例如北京编码为“01”，广州编码为“02”，上海编码为“03”；

(2)二级编码：为线路编码，表示设备设施所在的线路，采用两位数字编码，从01到99，例如地铁一号线编码为“01”，地铁二号线编码为“02”，地铁三号线编码为“03”；

(3)三级编码：建模对象编码(公共位置编码)，表示建模对象，采用三位编码：1位字母+两位数字，如表1所示，例如：某地铁线路的第一个车站编码为“Z01”；

表1城市轨道交通建模对象编码

(4)四级编码：专业编码。表示设备设施所属的专业，采用两位数字编码，从01到99，例如线路专业编码为“02”，建筑专业编码为“04”，轨道专业编码为“06”；

(5)五级编码：子系统编码。表示设备设施所属的子系统，采用两位数字编码，从01到99。子系统与专业相关，同专业下的子系统单独编码，例如：建筑专业的主体建筑子系统编码为“02”，出入口、风亭、冷却塔子系统编码为“04”；

(6)六级编码：构件编码。表示设备设施的构件类型，采用两位数字编码，从01到99。构件与子系统相关，同子系统下的构件单独编码，例如：主体建筑子系统的门编码为“02”，窗编码为“04”，墙编码为“06”；

(7)七级编码：流水号编码。表示同专业同子系统下的同类构件的顺序编码，采用4位数字编码，从“0001”到“9999“；

综上，编码模型中编码为0201Z010202060001表示：广州地铁一号线**车站建筑专业主体建筑中流水号为0001的墙。

每个构件都关联全生命周期的所有属性信息。根据城市轨道交通的实际情况，可将全生命周期划分为工可与总体设计、初步设计、招标设计、施工图设计、施工、运维六个阶段，每个阶段构件的精度等级(Level of Development,LOD)不同，各阶段所包含的属性信息如表2所示：

表2城市轨道交通全生命周期属性信息

以编码为0201Z010202060001的墙为例，其全生命周期的属性如表3所示：

表3墙的全生命周期属性信息

第一段编码包含一、二、三级编码，分别规定城市、线路、对象，根据模型文档的存储路径实现“城市-线路-对象”的自动编码。采用树形结构的方式管理城市轨道交通全生命周期海量文档资料，每一个模型及IFC文件都存储到树形结构对应的位置，如图4所示。根据模型文件的存储路径，自动生成第一段编码。

第二段编码包含四、五、六级编码，根据城市轨道交通领域所包含的“专业-子系统-构件”创建。在城市轨道交通的标准规范中，规定了城市轨道交通所包含的专业，各专业包含的子系统，以及各子系统包含的构件，如图5所示。对各专业、子系统和构件进行编码，则可以形成第二段编码。

更进一步的，对于上述S3步骤，基于内置编码逻辑的七维BIM模型计算机表达，采用IFC+编码+属性的开放式结构方式表达七维BIM，具体包括以下步骤：

城市轨道交通利用Revit软件进行三维设计时，都是通过载入族文件的方式。对四、五、六级编码进行映射，形成内置于设计环境的结构树，如图5所示。设计人员将该结构树中的族文件载入到本地设计环境完成设计。当生成IFC模型时，将该编码写入IFC构件的属性定义中，通过对BIM包含的构件的全局ID和编码标识，可以方便找到BIM的结构树骨架的位置；

IFC表达的构件主演是面向不同建筑，难以表达城市轨道交通所包含的构件，需要根据其表达规则进行扩展。在生成IFC文件的过程中，只扩展轨道交通工程各专业实体构件，忽略存储于IFC文件中的其他多余信息；对于IFC文件中的构件定义，只需要找到这个构件在整个IFC文件中的拓扑关系，并恢复成类似EXPRESS-G表达的图例即可；

根据构件的属性定义属性表，用于存储构件的全生命周期阶段属性。该属性表分为设计阶段、施工阶段与运维阶段的属性，每个阶段的属性根据各专业的具体要求进行定制，属性表中的参数写入公式、枚举类型、各种物理量及单位；属性表与IFC中的构件编码和全局ID唯一对应，以方便顺利查询到相应的构件属性；根据城市轨道交通构件属性的特点，构件属性表应包含以下字段：属性id、属性名称、属性编码、属性值、量纲、最大取值、最小取值、默认值、取值类型、所属精度等。

采用解析工具解析IFC文件，提取模型中所包含的构件及属性信息，并关联相应的属性表、将属性值写入属性表中。根据模型文件的存储路径获取第一段编码，将IFC文件中构件的第二段编码对接上第一段编码，根据构件的编码生成模型结构树，最后将整个结构树按照IFC+属性表+编码的方式有序存储于计算机中，形成能够查询、统计、分析的多层次、多粒度的存储模型，完全表达出整个七维BIM模型；

当需要提取或者拆分BIM模型时，采用解析器再现出七维BIM存储模型，并将其IFC的复杂实体之间的逻辑关系表达成图形，采用图形化操作对BIM模型的各构件进行标识，进行提取，从而达到共享和重用。

Claims (1)

1.一种城市轨道交通组成结构的多粒度、多层次表达方法，首先将城市轨道交通所涉的各个专业以及专业组成、时间、成本、三维几何参数进行综合，建立七维BIM；再将城市轨道交通组成结构分解成二段编码，映射到模型树形结构上，并与七维BIM结合，形成基于树形结构表达的模型；然后采用IFC+对象和属性表的结构进行计算机表达和存储，形成粒度化、层次化的BIM表达模型，为城市轨道交通工程全生命周期模型数据共享提供支持；

(1)七维BIM的构建

依据城市轨道交通工程的特点，建立七维BIM的结构如下：

七维BIM＝Set{S,D,T,C,X,Y,Z}

其中：

S代表城市轨道交通工程中涉及到的所有与BIM相关的专业；

D代表专业组成，细化到每个专业包含的子系统、以及可描述的最小单元；

C代表成本，按照全生命周期各阶段分为设计成本、施工成本、运维成本，各种成本由成本模型来表达；

T代表时间，指专业组成的全生命周期阶段，包括设计阶段、施工阶段、运维阶段，每个阶段再进一步细分多个子阶段；

X、Y、Z为三维几何模型，包括该专业形成的三维几何模型；

(2)建筑体七维BIM骨架建立

每个城市轨道交通工程的物理模型由成千上万的构件组成，这些构件分布在不同的专业、不同的位置，且有全生命周期的时间属性。七维BIM给出了该物理模型的各种要素的组成，要表达出一个复杂的建筑模型以及其逻辑结构，需要建立起相应的骨架；

由于一项轨道交通工程的物理组成具有众多的节点，为了找到其中相关位置的信息，需要对节点进行编码，形成编码结构树；

将建筑体各种要素的逻辑组成以及七维BIM内容映射成二段式编码结构树，该结构树中，按照“城市-线路-对象-专业-子系统-构件”六级编码进行分步；在构件下增加构件几何、构件属性，构件属性又分为设计、施工、运维时间阶段的属性，以及这几个阶段的成本模型，这样就能够完整表达七维BIM以及城市轨道交通工程的物理结构；

第一段编码包含一、二、三级编码，分别规定城市、线路、对象，来自对整个工程文档的管理路径，根据模型文档的存储路径实现“城市-线路-对象”的自动编码；第二段编码包含四、五、六级编码，分别规定专业、子系统、构件的自动编码；根据标准规范中城市轨道交通所包含的“专业-子系统-构件”实现自动编码；

(3)基于内置编码逻辑的七维BIM计算机表达

采用IFC+编码+属性的开放式结构方式表达七维BIM：

首先，在利用设计软件设计时，对四、五、六级编码进行映射，形成内置于设计环境的结构树，并将该编码写入构件的属性定义中，生成的IFC文件中包含该构件的编码；

在生成IFC文件的过程中，只扩展轨道交通工程各专业实体构件，忽略存储于IFC文件中的其他多余信息；

根据构件的属性定义属性表，用于存储构件的全生命周期阶段属性，属性表与IFC中的构件编码和全局ID唯一对应，以方便顺利查询到相应的构件属性；

采用解析工具解析IFC文件，并表达成二段式编码结构树，将整个结构树按照IFC+属性表+编码的方式有序存储于计算机中，完全表达出整个七维BIM；

当需要提取或者拆分BIM时，采用解析器再现出七维BIM存储模型，并将其IFC的复杂实体之间的逻辑关系表达成图形，采用图形化操作对BIM的各构件进行标识，进行提取，从而达到共享和重用。

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