BIM在信號系統工程設計中的應用探討

劉智平，羅志剛

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

1 BIM在軌道交通工程設計中的應用現狀

隨著中國鐵路信息化建設進程的步伐不斷的邁進，將建筑信息模型（BIM）技術引入鐵路信號系統工程設計中將對該專業的設計帶來革新的改變。現主流的Bentley、AutoCAD、Dassault Systemes 三大廠商的BIM 設計軟件主要針對建筑行業的通用軟件。

目前BIM 技術在軌道交通工程設計領域還處于摸索階段，工程設計圖紙采用CAD 二維平面設計。部分項目特別是鐵路站房項目開始采用以BIM 出圖為主，部分采用CAD 出圖為輔的方式。鐵路系統專業的BIM 設計暫停留在通過模型輔助傳遞各個系統設備的尺寸，將各個系統專業的設備通過與站前專業BIM 設計成果碰撞后，找出物理空間設計中存在的一些問題，避免后期施工時發生設備安裝空間不足、不同專業之間的設備安裝位置重疊、溝槽管洞預留不到位、設備安裝后預留的通道空間不滿足規范要求等問題。

目前所有系統專業本身的施工圖均采用CAD二維設計出圖，而無法實現BIM 三維設計出圖，其主要原因在于軟件特點決定，因此鐵路需要BIM 技術在軌道交通設計領域逐步推廣應用以后，根據各專業特點進行相關軟件的二次開發，使之適用于系統專業工程設計的特點，提高出圖的質量和效率。當然這一過程無法一蹴而就，將有一個較為漫長的發展演變過程。

2 BIM在信號系統工程設計中的應用發展探討

如何避免CAD 二維設計存在的問題，順應技術發展的方向，實現鐵路信號系統全過程、全圖冊均采用BIM 三維工程設計，將是新一代設計人員必須要面對和思考的問題。

2.1 傳統CAD二維設計存在問題分析

傳統CAD 二維設計除在可視性、可讀性、關聯性等方面的自身缺陷外，在信號系統具體工程設計中還存在以下幾個方面的問題。

1）信號設備平面布置

信號設備平面布置時僅有里程或相對位置信息，經常會發生信號機設置侵入限界、轉轍機無安裝空間、彎道造成信號顯示等問題。

2）信號電纜徑路圖

通過站前專業提供的CAD 二維圖紙，很難發現電纜徑路中由于高路基、坡道、橋梁、涵洞等存在高差引起的問題。因此，容易造成信號電纜徑路設計不合理，導致工程設計圖紙上的電纜徑路與現場施工后的實際電纜徑路不相符，信號電纜長度過長或過短等設計問題。

3）信號室內設備布置圖

信號機柜與消防、空調等柜體安裝位置沖突，造成通道尺寸不合規，甚至走道被堵的情況；房屋層高不足，造成信號機柜無法上走線；室內室外電纜通道不順暢造成后期施工返工等問題。

4）LKJ 信號設備數據方面

由于信號圖紙提供的是信號設備的投影位置，無法準確提供信號設備所在線路中的實際位置造成LKJ 信號設備數據與站前的工務數據存在偏差，需要在后期施工中進行現場測量的問題。

5）配線校核方面

雖然信號系統的配線圖采用雙端配線圖的形式可以避免部分配線錯誤的問題，但是雙端配線圖的表述方式既麻煩，又不方便查找，而且也容易發生僅單端配線或配線錯誤的情況。

6）站前站后接口預留方面

站前站后在接口方面存在電纜徑路未貫通、標高、過軌管線、綜合接地端子預留等方面的問題。

以上問題可總結于四個字“差、錯、漏、碰”，歸根結底是信號系統工程采用以CAD 圖紙及文字說明的傳統二維設計方式，通過顏色、線型、圖塊、圖標及說明文字等抽象信息進行信息的傳遞。在施工階段容易暴露出相關的問題，在運維階段也很難利用設計圖紙準確查找故障信息。

2.2 BIM應用于信號系統工程設計領域的優勢分析

BIM 模型包含的信息量遠大于二維圖紙，以BIM 技術為基礎進行信號系統工程設計，可將這些信息應用于項目設計、施工、運維全階段，具有以下優勢。

1）專業間傳遞了更多信息。增強信號專業與其他專業之間協作的能力，直觀的將信號專業的設計情況反應在模型中，同時亦直觀的獲得其他專業與信號專業有關的設計情況，利于互相核查兩者之間的接口設計。

2）優化設計。減少重復設計、重復施工、返工，以及頻繁跑現場交底、核對等無故耗費人力物力等情況發生。

3）有效的指導施工方對信號設備定位、安裝、配線的施工，提高施工工藝。

4）模擬現場信號系統工程施工，指導施工方案的制訂。

5）有利于提高后期運營維護水平。通過BIM三維設計，所有信號設備均在設計圖進行了精確定位，方便后期運營維護的檢查和可追溯性。

2.3 BIM在信號系統工程設計中應用發展方向探討

鑒于目前信號系統乃至整個軌道交通工程設計領域仍以CAD 二維設計圖紙為主，以BIM 技術相關的設計軟件尚未完全成熟，且應用于軌道交通領域的二次開發專業軟件相對匱乏的局面，對BIM 在信號系統工程設計中的應用劃分為3 個發展階段：第一階段，從現狀出發，以傳統的二維設計為主，結合現階段相對成熟的BIM 技術及軟件，結合站前提供的BIM 設計成果，設計信號設備平面布置圖、室內信號設備布置圖、綜合管線布置圖等，解決站前站后專業間的接口問題；第二階段，逐步健全并深化信號系統設備族庫，結合信號專業的特點開發相關軟件插件，將二維圖紙傳遞的基礎信息轉為采用BIM 技術傳遞，完成室外電纜徑路及設備的布置圖、組合柜內部布置圖、機柜組合排列圖等，為向第三階段過渡打好基礎；第三階段，通過深度二次開發的BIM 技術專業軟件，完成信號系統原理圖、柜間配線圖、組合內部配線圖、電源環線圖等，真正實現全BIM出圖，每根配線均可通過BIM 進行三維仿真模擬和查找，提升運維能力和效率。

2.3.1 第一階段

目前信號系統對信號設備平面布置圖、室內信號設備布置圖、綜合管線布置圖等采用CAD 設計出來的圖紙均為示意圖，通過線條的粗細、圖形的形狀和文字標識示意出信號設備的相對位置，并不能真正反映出設備安裝在現場的情況。因此在施工的過程中，時常由于設計經驗不足或調查不到位，造成信號設備無法安裝、電纜無法敷設等問題。針對上述問題，采用BIM 設計則可非常方便的解決上述問題。

在站前提供的BIM 設計成果基礎上完成信號設備平面布置圖、室內信號設備布置圖、綜合管線布置圖，通過三維圖形則可很直觀的表達出設計意圖、設計情況、設計結果，尤其是信號與其他專業設計疊加在一起以后的情況，這是二維圖紙抽象信息所未能表達的。

如圖1 所示，在傳統的二維CAD 設計上結合BIM 技術，接受站前專業的開放資料后進行信號系統工程的室內外設備及電纜徑路設計，并在站前BIM 設計成果上采用BIM 技術進行翻模，得到信號系統各設備及電纜徑路的三維信息。通過BIM 技術傳遞的信息能夠對二維設計以下幾點問題進行有效的核查。

圖1 第一階段結合BIM技術設計流程圖Fig.1 Design flow diagram combining BIM technology in the first stage

1）與其他專業接口

a.核查預留接口是否符合信號專業設備布置需求，如“轉轍機基坑、預留的電纜槽、過軌槽”等。

b.核查存在的碰撞問題，如“信號設備限界條件、與其他專業設備之間距離”等。

2）核查本專業設計存在的差、錯、漏等問題，如“信號機顯示距離不足、電纜徑路無法實現、電纜防護方法不當”等

通過以上核查，優化信號系統專業及與相關專業間接口等設計，可有效減少在施工時或施工后進行重復設計、重復施工、返工、變更設計等情況出現；以及頻繁跑現場交底、核對等無故耗費人力物力的情況發生。

如圖2、3 所示的信號室內設備二維、三維布置圖，將信號專業傳統CAD 圖紙與BIM 模型一同交付，應用于施工階段，直觀的反應信號系統全局設計，為施工方提供各信號設備安裝的三維信息。

圖2 信號室內設備布置二維示例Fig.2 Two-dimension example for layout of signaling indoor equipment

圖3 信號室內設備布置三維示例Fig.3 Three-dimension example for layout of signaling indoor equipment

該設計方式符合目前許多軌道交通項目在設計階段要求提交BIM 同步設計，但仍然需要二維圖紙出圖，且以二維圖紙為準，BIM 咨詢單位通過二維圖紙校核BIM 模型的交付方式。

2.3.2 第二階段

隨著初期結合BIM 技術并深入研究后，信號系統電路原理及配線設計目前軟件無法實現，仍采用CAD 二維圖紙進行設計；其次，信號設備布置包含更多的信息量，例如一個絕緣節、信號機設置，如圖4、5 所示，不僅只有二維圖紙中的公里標或相對位置，還包含了符合相關規范的設備尺寸、空間定位等信息。

圖4 進站信號機絕緣節處信號設備二維示例Fig.4 Two-dimension example for signaling equipment at insulation joint of home signal

圖5 進站信號機絕緣節處信號設備三維示例Fig.5 Three-dimension example for signaling equipment at insulation joint of home signal

從圖4、5 可以看出BIM 技術可以帶來更多的信息同時，還可以通過模塊化的族庫信息，減少設計的工作量。如再能配合輔助軟件，把限界條件限制等納入進來，在設計人員進行信號設備布置時，輔助軟件實時提醒是否侵限。

此階段的重點是完善和豐富族庫內容，使之滿足信號系統設計的要求。同時繼續深入完成室外電纜徑路及設備的布置圖、組合柜內部布置圖、機柜組合排列圖等細部圖紙，為最終全BIM 設計打下基礎。主要工作有以下幾點。

1）完善信號設備族庫

信號設備種類較多，如信號室外設備3 大件— 信號機、道岔、軌道電路，僅信號機因類型、機構、基礎不同就可達數十種之多，從而使得族庫較為龐大，無法一次建立。從項目1，……，到項目n，完善信號設備族庫是一個不斷積累的過程，如圖6 所示。

圖6 信號設備族示例Fig.6 Example for signaling equipment

2）基于既有BIM 軟件上開發適合信號系統工程設計特點的相關輔助插件

通過分析當前采用BIM 技術進行室外信號設備布置設計，大部分仍然以里程去定位信號設備布置的位置，再根據該點信號設備的組成及安裝要求進行空間定位的偏移或旋轉操作。其里程確定后，偏移、旋轉均可根據相關規范要求獲得，具有相對唯一性。因此，可通過開發輔助插件進行符合規范要求的相關空間定位操作，減少設計人員的設計工作量及失誤，提升設計效率和準確率。

3）利用BIM 技術的優勢優化傳統設計無法優化的工作

信號系統工程設計中許多設計因信息量較少，無法尋找較為優化的設計方案，只能憑借設計人員的經驗進行設計。如室外電纜徑路及設備的布置圖中怎樣選取信號設備控制電纜回樓徑路使其最短，電纜匯合用的方向盒如何設置電纜芯數及長度能達到最優性價；室內機柜組合排列及內部布置圖中機柜如何布置能使總配線最短。

利用BIM 技術帶來的大量節點、定位等信息，將部分由經驗設計轉化為依據設計，進行傳統設計無法優化的工作。如上海交通大學有關面向BIM 的鐵路信號系統線纜建模及布設的研究，能夠有效的通過軟件計算得出較為優化的設備布置，從而減少設備之間的電纜走線長，同時根據各電纜走線徑路為施工單位提供走線參考。

2.3.3 第三階段

1）信號系統電路原理及配線的實現

信號系統工程設計的精髓是系統原理圖的設計，但BIM 技術是建筑信息模型化，因此原版BIM 應用軟件無法完成系統原理圖的設計工作，需在BIM應用軟件的基礎上進行深度二次開發工作。

如何通過深度二次開發的BIM 技術專業軟件，完成信號系統原理圖、柜間配線圖、組合內部配線圖、電源環線圖等，真正實現全BIM 出圖是本階段要點。如采用分析信號系統電路原理并分割為了若干定型組合后，結合BIM 模型提供的外接配線點信息，通過在BIM 軟件中預先設計的底圖，收集BIM 模型連接信息后生成完整的信號系統設備電路原理及配線圖。

信號系統電路原理及配線的實現，能夠有效的通過仿真模擬校核設計、施工過程中的錯誤，同時能夠在運維階段提供信號系統設備包含三維信息的連接關系。

2）提升運維能力和效率

目前，信號設備運維體系為臺賬結合監測設備。臺賬作為設備運維記錄及維護計劃制定的依據，采用如信號集中監測系統等的監測設備，監測信號設備運行并記錄數據，對故障或疑似故障的設備給予相應報警，輔助運維人員查找故障。

BIM 模型可服務于項目全生命周期，包括運營維護階段。隨著BIM 技術在信號系統工程設計中的應用發展，必將BIM 全生命周期的管理理念引入信號系統的日常運營維護中。因此，運維階段應充分利用信號系統的BIM 模型的同時又不拘泥于BIM 模型，還需考慮擴展接口，獲取信號既有的運維系統（集中監測等）信息。信號設備運維應搭建可以實現信息有效傳遞和高效管理的應用平臺，通過平臺整合既有臺賬、監測設備、BIM 模型的數據信息，將既有臺賬信息、監測數據實時更新至BIM模型，同時接收BIM 模型反饋的直觀多模的信息展示，從而提高信息傳遞的速率，提高故障精確查找及定位。

為實現以上運維目標，信號系統工程設計的BIM 建模，需充分考慮預留反應設備年限、運行狀態等相關運維信息接口；同時施工階段對BIM 模型調整、深化應切合實際，做到一切調整、一切深化均與現場具體情況符合，做到模型即現場，為運維階段信號設備信息展示的準確性提供堅實的保障。

3 BIM在軌道交通行業中應用的幾點建議

在采用BIM 技術進行信號系統工程設計研究探索中，對信號專業乃至整個軌道交通行業采用BIM技術提出以下幾點建議。

1）軟件技術方面

目前BIM 設計中沒有適合信號系統工程的軟件平臺，因此必須在現有BIM 設計軟件平臺的基礎上，結合信號專業的特點進行軟件平臺的二次開發工作，從技術上提供設計保障。

2）標準管理方面

BIM 技術應用于軌道交通工程設計領域尚處在起步階段，對BIM 設計的建模軟件五花八門，建模方式和參數等缺乏約束和規范，因此不同的設計單位、廠商、施工單位構建的模型和族庫均各自為陣，無法實現信息共享，造成重復和無效工作的情況非常嚴重。因此必須出臺相關軌道交通行業BIM 設計信息模型制圖標準，對模型的數據要求、模型的交換及共享要求、模型的應用要求等進行統一規范，將是推動整個軌道交通行業BIM 技術發展迫切需要解決的問題。

3）成果提交方面

結合現有BIM 技術條件，對BIM 設計成果提出相應的要求，逐步提高BIM 成果交付量占比，并加強對BIM 成果提交的規范管理和應用水平，充分利用BIM 技術在軌道交通行業內的技術優勢，提高軌道交通行業的設計、施工和管理水平。

4 結束語

BIM 技術在軌道交通行業中的應用應從全局著手，著眼BIM 全生命周期的管理理念，分析設計、施工、管理、運維等方面的需求，結合目前工程設計管理中存在的問題，加快新技術的應用和推廣工作。同時BIM 技術在信號系統工程設計中的應用應結合專業的特點，促進二次軟件的開發工作，早日實現BIM 技術在信號系統工程設計中的全過程應用。