基于3D EXPERIENCE平台的铁路设备BIM模型轻量化技术研究

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　　摘  要：考虑铁路工程具有专业多、线路长、地形地质结构复杂的特点，导致铁路BIM项目模型包含大量的几何和属性信息，部件数量和模型体量巨大，造成项目模型不仅开启耗时长，浏览查看也不流畅，严重影响项目模型的汇报展示效果以及向施工、运维方向的深化应用。而铁路设备模型作为铁路BIM项目模型的重要组成部分，其部件数量和模型体量均占比很高。因此，文章基于主流BIM软件达索3D EXPERIENCE平台，在满足模型交付精度标准的前提下，提出了铁路设备模型的六种轻量化处理技术手段，并从部件数量和模型体量两个方面对其轻量化效果进行了综合对比分析。研究成果可大幅提升BIM项目模型的瀏览流畅度，丰富模型交付手段，并成功应用到了盐通铁路南通动车所BIM项目中，取得了良好效果，对促进铁路行业BIM技术的快速发展具有重要意义。
　　关键词：铁路工程;BIM技术;3D EXPERIENCE平台;设备模型;轻量化
　　中图分类号：U279      文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2020）05-0019-04
　　Abstract： Considering the characteristics of railway engineering with many specialties， long lines and complicated topographic and geological structure， as a result， the railway BIM project model contains a large amount of geometric and attribute information， and the number and the size of the project model are huge， resulting in the project model not only takes a long time to open， but also can not be browsed smoothly， which seriously affects the display effect and its further application to construction， operation and maintenance. Howerver， as an important part of the railway BIM project model， the number and the size of the railway equipment model account for a high proportion. Therefore， in this study， based on the mainstream BIM software of Dassault 3D EXPERIENCE platform， under the premise of meeting the model delivery accuracy standard， six lightweight techniques for the railway equipment model are put forward， and the lightweight effects are comprehensively compared and analyzed in light of two aspects of the number and the size of the model. Research results can greatly improve the browsing fluency of the BIM project model， and can enrich the means of the model delivery， while they are applied to the BIM project of Nantong EMU Deport of Yantong Railway successfully， and good results have been achieved. It is of great significance to promote the rapid development of BIM technology in railway industry.
　　Keywords： railway engineering; BIM technology; 3D EXPERIENCE platform; equipment model; lightweight
　　引言
　　铁路工程具有专业多、线路长、体量大、地形地质结构复杂的特点。铁路工程大体量的三维几何模型加上海量的属性信息使得BIM模型数据量十分庞大，对计算机图形处理能力提出了严峻考验。不仅导致项目浏览查看不流畅，也制约了向施工和运维方向的深化应用。现阶段处理这种情况的通用做法是借助第三方轻量化平台对模型进行轻量化处理[1-4]，进而实现模型的流畅查看。但其主要侧重于土建行业某几个专业，应用的工程项目往往也是工点级，现阶段还没有提出针对铁路行业全专业、多标段的BIM轻量化技术平台，尤其是机电设备专业，其数据源格式繁多，借助既有软件和插件工具处理，模型会出现不同程度的几何失真、配色丢失及信息损失。另一方面，目前的轻量化技术对轻量化后的BIM模型的再处理技术没有深入涉及，例如模型显示优化设置、管线间距精确测量、构筑物精确标高查看、再次贴图渲染等。因此，现阶段开展BIM模型本身的轻量化处理技术研究十分必要。本文基于主流BIM软件达索3D EXPERIENCE平台，在满足铁路工程信息模型交付精度标准（1.0版）[5]前提下，针对铁路设备模型，提出了六种轻量化技术手段，以期实现大体量BIM模型的流畅浏览，降低其对计算机软硬件的性能要求，节约BIM技术的应用成本。 　　1 BIM模型轻量化处理技术
　　1.1 部件删减
　　大型铁路设备模型往往结构复杂，零部件数量十分庞大，导致项目模型浏览查看不流畅。而这些结构复杂的大型设备中的大量精细部件往往不涉及该设备与周围环境的接口关系，也不影响设备的空间占位，只是用于表达设备自身部件间的装配制造关系。显然，这些不必要的精细部件属于轻量化的范畴。
　　例如完整的室外洗车机模型，包含4224个部件，模型体量为129.495MB，如图1所示。可以看到其包括大量的螺栓、螺母、刷毛等精细部件，如前所述，这些精细部件属于轻量化范畴。删减处理后，其部件数量减少为1652个，模型体量减小为79.856MB，轻量化效果显著。
　　显然，设备模型结构越复杂，零部件数量越多，轻量化效果也越明显。
　　1.2 部件合并
　　有些铁路设备模型可能模型体量不大但个别部件的实例化数量庞大，同样导致项目模型浏览查看不流畅。针对这种情况可采用部件合并方式来减少实例化部件数量，从而实现设备模型的轻量化。
　　例如动车所检查库内的三层作业平台模型，包含扶手栏杆9m单体模型（如图2所示）288处，每个扶手栏杆9m单体模型又包括15个横向杆，整个模型横向杆的实例化数量达到4320个，数量十分庞大。采用部件合并轻量化技术手段将扶手栏杆9m单体模型中的15个横向杆合并为1个，总部件数量也由21个减为7个，模型体量也由302KB减小为247KB。虽然模型体量减小并不显著，但整个三层作业平台模型部件数量减少了4032个。
　　1.3 部件减面
　　某些铁路设备模型虽然部件数量不多，但结构复杂，包含大量曲面、倒角、孔洞等，导致设备模型体量大，而这些复杂异形面多用于描述设备部件本身的精细结构，不涉及设备与设备以及设备与周围环境之间的接口关系（即空间布局）。因此，针对这类设备可采用部件减面的手段进行轻量化处理。
　　例如动车所检查库内的综合支吊架模型，其完整的9m单体模型包括梁夹、双拼槽钢、吊架、牛腿等复杂异形面连接件，其中吊架又包括槽钢、连接件等11个复杂异形构件，部件总数量为106个，如图3所示。采用部件减面的轻量化技术手段，将双拼槽钢、吊架等复杂结构简化为规则矩形体结构，去除梁夹及多种复杂连接件，将各部件直接拼接，而牛腿涉及综合支吊架与立柱的接口连接，不予简化。此外，在此基础上融合部件合并轻量化技术手段，将106个部件合并为1个部件，并进行参数化驱动以方便尺寸调整，轻量化后的模型体量由4.037MB减小为905KB，如图4所示。
　　1.4 Engineering IP Control轻量化模块
　　对于结构尺寸相对固定，在BIM设计过程中无需进行设备尺寸调整的铁路设备模型，可利用软件中的Engineering IP Control模塊对模型进行轻量化处理。包括产品过滤、产品过滤和合并以及产品简化和合并三个命令。
　　例如动车所临修库内的双轴不落轮镟车床模型，其初始模型体量为246.806MB，部件数量为1072个，如图5所示。
　　图5 轻量化前的双轴不落轮镟车床
　　产品过滤命令可将产品过滤为新产品，执行此命令后的双轴不落轮镟车床模型如图6所示，模型体量为157.188MB。通过图5和图6可以看出，该轻量化命令可将原始模型结构树下不同部件的实体、面体、线体几何特征均保留，并保持原结构树结构和部件数量均不变。
　　产品过滤和合并命令可将产品过滤为包含一个展示的产品。执行此命令后的双轴不落轮镟车床模型如图7所示，模型体量为160.519MB。通过图5和图7可以看出，该轻量化命令可将原始模型结构树下不同部件的实体几何特征轻量化一个实体，而面体和线体几何特征被直接被过滤掉。此外，还可以看出部件数量没有变化。
　　产品简化和合并命令可以自动简化产品。该命令功能选项中的选择精确度用于定义轻量化后的模型精确度。执行此命令后的双轴不落轮镟车床模型如图8所示，对应低、中等、高和非常高精确度的模型体量差别不大，分别为14.093MB、14.096MB、14.096MB和14.096MB，且外形尺寸基本保持一致。因此，精确度等级对模型体量和模型精确度影响很小，一般选择中等或高精确度即可。此外，通过图5和图8可以看出，原始模型结构树下的所有几何图形被轻量化为一个可视化外壳，并保留了配色属性。
　　1.5 导出用于复核的3DXML
　　模型经过调整优化形成稳定方案后，可借助导出用于复核的3DXML方式进行整个或部分项目模型的轻量化处理。模型体量方面，其轻量化效果上与1.4节提到的产品简化和合并命令基本相同，部件数量方面，轻量化前后的部件数量保持不变。
　　以动车所检查库内动车专业BIM设计成果为例，其原始模型体量为263.063MB，部件数量为76439个，如图9所示。采用导出用于复核的3DXML轻量化技术手段得到的轻量后的模型体量为35.401MB，部件数量仍为76439。可见模型体量大幅减小，而部件数量没有变化。
　　1.6 分区域分专业建模
　　铁路行业BIM项目往往包括多个标段，每个标段又包括多个工点，模型体量很大，这也是与建筑行业BIM项目的最大不同之处。铁路BIM设计过程中，如果将所有模型建于一个节点下，查看任一标段或工点的BIM设计成果，均需打开整个项目模型，这不仅导致项目开启耗时长，而且浏览查看也不流畅。针对这种情况，可采用分区域分专业建模的轻量化策略。
　　以南通动车所BIM项目为例，将其拆分为室内和室外两个部分，室内部分按照生产生活房屋（如检查库、临修镟修库、动态检测棚等）再进行拆分，然后在拆分的各子部分下挂载相关专业节点，室外部分直接挂载相关专业节点，各专业在相应节点下开展BIM设计工作。
　　按照此方式建模，在项目完成后，便可根据需求单独打开不同区域、不同专业的模型。此外，在项目模型交付阶段，也可实现分区域、分专业模型交付，丰富模型交付手段。 　　2 轻量化效果分析
　　采用轻量化后的模型体量和轻量化前的模型体量的比值（减量比）以及轻量化后的部件数量和轻量化前的部件数量的比值（减数比）来综合描述部件删减、部件合并、部件减面、Engineering IP Control轻量化模块和导出用于复核的3DXML五种轻量化技术手段的轻量化效果。
　　图10给出了轻量化效果（减量比和减数比）与轻量化技术手段之间的关系。从图中可以看出，（1）部件删减和部件减面轻量化技术手段的减量比和减数均比较小，说明其轻量化效果均比较显著，但应注意到其很大程度上取决于设备结构复杂程度，一般设备结构越复杂，轻量化效果越明显;（2）部件合并轻量化技术手段减量比最高（0.818），而其减数比较小（0.333），说明该技术手段在轻量化效果上对模型体量影响较小，而对部件数量影响较大;（3）Engineering IP Control模块下产品过滤命令的减量比与产品过滤和合并命令的减量比基本相同（约为0.65），且其减数比均为1，因此两者轻量化效果基本一致;（4）不论是减量比还是减数比，Engineering IP Control模块下产品简化和合并命令相较于其它轻量化技术手段均为最小（减量比为0.057，减数比为0.001），轻量化效果最为显著，且精确度等级对减量比和减数比均几乎没有影响，但其一般仅适用于轻量化处理结构尺寸相对固定的铁路设备模型;（5）导出用于复核的3DXML轻量化技术手段减量比为0.1346略高于Engineering IP Control模块下的产品简化和合并命令，是因为部分模型（三层作业平台、综合支吊架、移动式轮辋轮辐探伤设备等）在BIM设计过程中已经采用了上述部分轻量化技术手段，其减数比为1，说明部件数量没有减少。
　　注意到，本节没有针对分区域分专业建模的轻量化技术手段进行轻量化效果量化分析，是因为该轻量化技术手段属于对整个项目统筹管理的轻量化策略。
　　3 结束语
　　本文主要针对铁路设备模型，在满足交付精度标准要求前提下，基于3D EXPERIENCE平台开展了BIM模型轻量化技术研究，提出了六种轻量化技术手段，并对其轻量化效果进行了综合分析，在南通动车所BIM项目中得到了应用实践，取得了良好效果。得到了如下主要结论：
　　（1）部件删减、部件合并和部件减面三种轻量化技术手段可有效减小设备模型体量，减少设备模型部件数量和构件面数，有助于提升项目模型的浏览流畅度，但需在交付精度标准要求和轻量化效果之间做权衡，一般要清晰表达设备与设备以及设备与周围环境之间的接口关系，保证各专业间的协同设计准确度和精度。
　　（2）Engineering IP Control轻量化模块主要针对结构尺寸相对固定，在BIM设计过程中无需进行尺寸调整的设备模型进行轻量化处理，尤以Engineering IP Control轻量化模块下的产品简化和合并命令的轻量化效果最为显著。
　　（3）导出用于复核的3DXML轻量化技术手段主要针对经过调整优化后的整个或部分项目模型进行轻量化处理，轻量化效果显著。
　　（4）分区域分专业建模的轻量化技术手段基于对整个铁路BIM项目的统筹管理，可现实不同区域、不同专业模型的快速浏览查看以及在项目模型交付阶段的分区域、分专业模型交付，且项目模型体量越大、部件数量越多，轻量化效果越显著。
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