在铁路站设施的建筑信息模型中整合行业基础类扩展与超图技术

《COMPUTERS IN INDUSTRY》：Integrating an Industry Foundation Class extension and a hypergraph in Building Information Modeling for railway station facilities

　　魏力|杨然|郝璞|保罗·肖恩菲尔德|范小萌|万欣杰|王鹏|何安生|王佳中国长沙410075，中南大学土木工程学院摘要在铁路站整体BIM应用中，各类铁路站设施的建筑信息模型构建至关重要。然而现有的BIM方法与行业标准主要侧重于表达站内设施的几何信息，而忽视了这些设施之间的内在关联。因此，当前的BIM模型缺乏关键的语义信息，这限制了其在车站整个生命周期内的应用效果。为解决这一问题，本研究提出了一种基于超图的关系模型以及相应的Industry Foundation Class（IFC）扩展格式，用以全面描述铁路站设施的几何与语义信息。基于该模型及IFC扩展，研究人员开发出了原型系统，并通过实际案例进行了验证。实验结果表明，通过高效检索设施间的关联关系，该方法能够实现模型的自动更新以及基于BIM模型的各类相关专业计算。

引言铁路站在铁路系统中起着核心节点的作用，承担着客货运输、列车通行、调车、解体以及车辆维护等重要功能（Xu等人，2021）。为有效履行这些复杂的运营功能，铁路站通常会根据不同功能划分为多个场段。例如，枢纽站会包含多个场段：用于乘客上下车的到发场、用于调度协调的调车场，以及用于货物装卸和存储的货运场。各个场段虽独立运作，但通过轨道、道岔和信号设备与其他场段保持紧密联系。在一个场段内，多种设施需协同工作以完成各项任务（中国铁道部，2017；Qi等人，2016；Lin等人，2019）。以列车正常到发为例，列车首先从正线引导至多条道岔，最终抵达到发线。列车到达后需停靠在足够长的到发线上，其有效长度必须超过列车总长度以确保安全，这一长度受道岔、信号机等设施的影响。此外，为保障乘客上下车及货物装卸的便捷性，站台与到发线之间的水平和垂直距离也需符合特定标准（Yi、He，2009）。图1展示了铁路站的布局结构。铁路站设施还可进一步细分为多个子组件，这使得站内各部分的关联关系更为复杂。例如，一条轨道由钢轨、枕木、扣件和轨床等组成，这些子组件必须严格遵循由轨道的横向和纵向轮廓所确定的精确空间关系，哪怕几毫米的偏差都可能影响列车运行安全（Resendiz等人，2013）。因此，铁路站设施的组织结构可视为“场段→设施→子组件”的层级结构，其构建需严格遵循多项技术标准，以确保铁路站的正常运转。在这一过程中会产生诸多语义关联关系，而这些关系对于铁路站的全生命周期管理至关重要（Pu等人，2023）。不过，传统的二维和三维设计方法往往忽视了对这些重要关联关系的记录与整理。若缺乏明确描述铁路站设施间关联关系的记录，将极大影响整个项目生命周期内的实施效率。在设计阶段，若未能清晰表达这些关联关系，修改某一设施的设计信息就可能引发一系列繁琐的重新设计工作，比如调整轨道的位置时，与之相连的道岔以及对应站台都需要同步修改，而道岔位置的变动又可能需要调整相关的道岔防护装置和信号机，这种连锁反应会导致大量设施需要更新，大大增加整体设计工作的难度。此外，这些关联关系对于开展各类与车站相关的专业计算也极为重要。例如，前述的到发线有效长度就需要根据道岔及信号机的位置来确定。在建设与运营阶段，列车调度和运营规划等计算任务都依赖于对信号设施、站台、道岔和轨道之间关联关系的精准描述，而列车冲突检测则需分析多条轨道之间的关联关系。在维护阶段，确保某一设施被修改时相关设施能同步更新同样十分重要。而且随着车站规模的扩大，设施数量及其关联关系的复杂性也会呈指数级上升。因此，妥善记录、整理并运用这些复杂的设施关联关系，对于确保铁路站的有效设计、施工和管理具有重要意义。近年来，建筑信息模型技术已广泛应用于建筑、工程和施工领域（Gu和London，2010；Boje等人，2020；Wang等人，2015；Heaton等人，2019）。它为表达各组件之间的关联关系，以及模拟铁路站整个生命周期内的各类设施建设与管理提供了有效手段。为解决各类土木工程领域中的数据共享与互操作性问题，国际BuildingSMART联盟通过1994年首次提出的Industry Foundation Class（IFC）标准推动行业标准化发展（BuildingSmart，2025）。IFC提供了一种标准化的数据结构，能够以对象、属性和关联关系的形式表达并建立实体间的关联，从而实现基础设施整个生命周期内不同软件和利益相关方之间的无缝、语义一致的数据交换（Bellon等人，2025）。此外，利用IFC表示关联关系有两种常见方法：一种是为研究领域定制新的IFC实体，另一种则是最大限度地利用现有的IFC实体（Pu等人，2022；Dai等人，2024）。定制新实体的方法能够直接解决领域特定问题，但需要与现有标准进行谨慎整合，以避免过度扩展而影响互操作性并降低标准的实用性，同时还需考虑扩展IFC实体的复杂性。相比之下，通过合理组合现有IFC实体虽能避免这些问题，但也需要对研究问题与合适的实体组合之间建立合理的映射关系。近年来，越来越多的研究者将BIM技术应用于设计、施工、运营和管理等各个阶段（Yang等人，2021；Porwal和Hewage，2013；Yilmaz等人，2023；Wong和Kuan，2014；Lin等人，2013）。在交通基础设施领域，基于IFC的BIM研究也越来越普遍（Omrany等人，2023；Wan等人，2019；Zhou等人，2017；Theiler和Smarsly，2018）。例如，在桥梁建设中，人们通过IFC扩展格式来记录桥梁的损伤信息（Isailovic等人，2020），从而丰富桥梁BIM模型的语义内容，便于损伤检测与管理（Girardet和Boton，2021）。在隧道工程中，IFC也被扩展用于记录隧道段的组装过程，补充现有隧道BIM模型中的标准工作流程信息，简化建模工作（Zhou等人，2018；Ninic等人，2020）。在道路工程中，研究人员通过整合IFC4.1版本、BIM技术和遥感技术，开发出一种用于表示交通标志和护栏的建模方法，能够精准呈现相关组件（Justo等人，2021）。在铁路建设领域，Biancardo等人（2024）对这一领域的BIM应用进行了系统的对比分析，为相关研究提供了宝贵的参考与指导。此外，人们还开发出了专为大型铁路项目设计的高效BIM软件系统，用以提升数据处理、协作和安全性（Gao等人，2025）。在铁路站领域，BIM和IFC的应用主要集中在站房和路基方面。对于站房而言，现有的建筑类IFC规范已被广泛采用，通过标准化模型组件和属性，为设施的运维提供支持（Carnevali等人，2019）。在此基础上，Kaewunruen和Xu（2018）通过整合施工进度、成本估算和碳排放数据，进一步完善了站房BIM模型，从而提升了项目管理的效率。不过，由于铁路站路基的几何结构和连接规则较为复杂，对其建模则面临更大挑战。为解决这一问题，有研究提出了基于广义六面体的BIM方法（Xu等人，2021），有效解决了几何表示和材料赋值的问题。此外，为在路基BIM模型中清晰体现复杂的连接规则，还有研究者开发了语义模型，在该模型中，IFC实体被扩展用于描述铁路站多组分路基的组件、填充段、填充层以及它们之间的连接规则（Pu等人，2022）。后续研究还探索了其他铁路站设施的BIM和IFC建模方法。例如，作为最关键的要素之一，轨道建模技术通过扩展IFC来定义轨道中心线的位置，从而实现了从3D点云数据中自动提取和绘制轨道的方法（Soilán等人，2021）。Neves等人（2019）在轨道建模中加入了结构属性，为直线段开发了简化的BIM模型。此外，Kwon等人（2020）通过整合切线、圆曲线和过渡曲线等几何细节，进一步丰富了轨道模型，使得轨道BIM模型更加精确，同时他们还通过扩展新的IFC实体来封装这些特征，以实现数据标准化。在全面的铁路站设施建模方面，Abbondati等人（2021）利用BIM技术和IFC标准以及Bentley平台，提升了铁路站设施与铁路基础设施之间的协同性，他们的研究凸显了BIM技术在现有资产逆向工程中的潜力。更具体地说，他们还探索了基于Revit中内置的通用IFC标准，针对站台轨道、列车缓冲装置和道岔等关键组件开发快速BIM方法（Noor等人，2017），这种方法能够通过整合设计数据库中的几何和材料信息，高效构建详细的BIM模型。在数据标准化方面，由中国铁路BIM联盟发布的《铁路工程信息模型数据存储标准》（1.0版，2025年）是目前铁路站设施领域应用最广泛的BIM标准。该标准在IFC标准的基础上进行了扩展，用于描述铁路站内的各类设施和结构，包括信号、安全、速度控制以及机械设施等。此外，该标准还明确了各类设施的几何和属性信息，比如道岔的辙叉角度、前后长度以及道岔所使用的型号，还有信号机的类型和机械数量等信息。综上所述，目前的铁路BIM技术和IFC标准主要侧重于表达铁路站设施的几何和属性信息，然而铁路站BIM模型中设施之间的关联关系对于保证模型的完整性和功能性也同样重要，而现有方法却无法为在BIM模型中描述和记录这些关联关系提供标准化的方法。如果没有对这些关联关系进行明确的建模，设计修改时就需要手动更新模型并重新进行相关计算，这不仅会降低工作效率，还会增加出现错误的风险。由于IFC是BIM的数据标准，将关联关系纳入其框架之中，能够确保数据在不同工具之间的兼容性与可访问性，进一步提升模型的适应性，使其在维护、运营和系统升级过程中具有更长的使用价值，因此，在BIM和IFC框架内对关联关系进行建模具有重要意义且价值极高。在建筑和桥梁工程等领域，也已有研究者对关联关系建模展开研究。在建筑领域，人们已经明确了施工过程中各类组件之间的关联关系，比如梁、柱和楼板之间的连接关系，从而能够在整个施工阶段实现语义建模，进而提高施工效率（Xu等人，2020；Jia等人，2023）。在桥梁工程领域，人们则利用几何关联关系，包括体素连接关系和共面特征，来有效组织分段的点云数据，进一步丰富语义信息，为结构分析和运营管理提供支持（Riveiro等人，2016；Hu等人，2021）。在关联关系建模方法方面，常用的表示关联关系的方法包括图形结构、本体和知识图谱（Shao和Li，2017；Liu等人，2017；Cao等人，2020）。这些方法通常以二元结构的形式来描述关联关系。例如，Pu等人（2024年）构建了一个用于铁路线路优化的知识图谱，该图谱将设计参数与专家知识相连接，从而为线路设计决策提供基于推理的支持。同样，有人开发了一种本体来描述火车站中路基横截面之间的相互依赖关系，提升了路基BIM模型的语义表达能力和适应性（Pu等人，2022年）。然而，这些方法在处理火车站中常见的复杂多对多关系时往往存在局限性。比如在之前提到的轨道中心线调整案例中，可能会同时涉及轨道、道岔、信号杆和站台等多种设施。这类方法可能难以清晰地表示此类场景，常常需要冗余地存储成对关系，且缺乏直观的表达能力。超图为表示实体之间的复杂关联提供了一种有前景的解决方案。与传统图中仅用边连接两个节点不同，超图使用超边可以同时连接多个相关节点（Gao等人，2022年）。这使得能够直接高效地建模多对多关系。超图已在包括社交网络、医学和土木工程在内的多个领域展现出有效性（Amato等人，2019年；Shao等人，2020年；Zhang等人，2021年）。例如，Li等人（2023年）构建了一个超图模型来表示桥梁故障与维护策略之间的关系，显著提升了维护效率。同样，Wang等人（2022年）通过使用超图模型整合了多种数据源、产品服务和用户场景，从而实现更精准且个性化的服务配置。在铁路领域，超图已被用于表示某一时刻多个列车单元之间的连接状态，以优化列车调度问题（Grimm等人，2025年）。与其他方法相比，超图通过避免单独记录每对关系来减少数据冗余（Zhang等人，2023年），并且能够快速查询涉及共同关系的所有实体。不过，仍存在一些局限性，比如缺乏标准化的建模框架。尽管存在这些挑战，超图仍为捕捉车站设施之间的复杂相互依赖关系提供了有效方法，也是本研究中的重要工具。总之，火车站内种类繁多且数量众多的设施及其复杂的相互关系，必须在整个生命周期中得到持续协调，才能实现安全高效的运营。虽然BIM技术为表达这些关系提供了有效手段，但针对火车站领域的BIM和IFC标准的研究仍处于初期阶段，主要聚焦于车站建筑、路基和轨道等设施的几何表示。各种火车站设施之间的关键关系尚未被记录和整理，导致BIM模型中的语义信息不完整。因此，设计变更无法触发模型的自动更新或参数重新计算，进而降低了生命周期管理的效率，也阻碍了该领域进一步采用BIM技术。为填补上述空白，本研究系统地分析并分类了火车站设施之间的复杂关系，从中抽象出了六种类型的关系。鉴于这些关系涉及多个实体且具有高度复杂性，本研究基于超图理论开发了一种关系模型，以实现更有效的表示。在现有IFC扩展方法的基础上，为保持互操作性和通用性，仅在必要时添加最少的新IFC定义，主要利用现有的IFC实体来全面描述各种火车站设施及其复杂的语义相互关系。此外，本研究还开发了一种针对火车站设施的快速自动BIM方法，通过一个真实的车站设计案例来验证所提出的IFC扩展。结果表明，所提出的方法能够高效地构建包含复杂相互关系的车站设施BIM模型。基于这些相互关系，还进行了若干BIM模型更新和计算的测试，体现了这些相互关系的作用与价值。由此，火车站整个生命周期的效率和管理水平得到了极大提升。所提出的方法不仅适用于火车站，还可扩展到道路和桥梁工程以及其他更广泛的铁路系统中。本文的其余部分结构如下：第2节提供了火车站设施的层次结构，并总结了它们之间的关系；第3节基于上述知识和总结以及超图结构，构建了设施的聚合关系模型；第4节介绍了火车站设施的IFC扩展；第5节提出了一种考虑复杂相互关系的火车站设施BIM方法；第6节通过一个真实案例展示了火车站设施的建模结果；第7节总结了本文的贡献，并探讨了未来的研究方向。