基于三層架構的鐵路信號BIM設計技術路線研究

韓旻志

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

2019年的世界互聯網大會更加堅定了全民數據共享、萬物互聯的信心，因此社會各個經濟實體搭建統一的信息化平臺成為共識[1]。BIM設計理念是信息化在工程建設領域的實施總綱要，以BIM為核心思想的設計系統不同于以往的二維CAD輔助設計系統，應當突出BIM中Information的基本理念[2]。從以圖紙為基本信息單元轉變到以面向對象化實體為信息單元的設計理念，同時需要融合設計習慣及標準設計流程，并基于三維圖形引擎更精確地實現設計成果可視化與設計聯動，從而提高設計質量與效率[3]。

2013年中國鐵路總公司明確將BIM技術作為鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向[4]，強調加快BIM技術推廣和應用，切實做好建設模型向運維模型的移交和運用，也是構建數字鐵路的必然選擇。為此，中國鐵路BIM聯盟主持研究制定了鐵路BIM標準體系框架，發布《鐵路工程信息模型數據存儲標準》《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[5-6]等系列標準，組織開展鐵路BIM應用試點，推動BIM這一革命性新技術在數字鐵路建設上的深度應用研究。

鐵路工程項目的信息化需要體現在立項、設計、施工、運維階段全流程。基于BIM技術，工程設計作為工程項目上游階段可以建立更加嚴格規范的共享工程數據，為工程下游階段提供數據接口，從而逐步實現鐵路工程全生命周期數據管理與信息化[7-8]。

2 鐵路工程設計BIM應用現狀

從鐵路工程設計的應用來說，BIM技術的三維化、可視化特性能夠有效滿足鐵路工程多專業協同設計的需求，同時實現自動規范性檢測以及工程量、定額等計算[9-11]。但在建模過程中存在采用間接的翻模方式、建模效率低等現象[12]，仍需要探索高效可行的建模模式[13-16]。

鐵路行業對BIM技術的探索仍處于初步階段且各專業發展程度參差不齊[17]。BIM在車站站房設計應用較多，而車站站房設計僅是鐵路工程設計的一部分，大量的設計圖紙包含橋梁、隧道以及鐵路通信、信號、電力變電、接觸網等專業。對于鐵路其他專業，BIM設計的大量成果尚基于二維圖紙的翻模方式，設計人員根據二維設計圖紙重復繪制各種鐵路設備的三維模型，無法發揮BIM技術的各項優勢。在“建筑工業化背景下BIM應用障礙分析”[18]中指出，BIM設計過度精確、束縛創造力是阻礙BIM在工程設計行業中的應用障礙之一。

特定的三維建模平臺不能滿足鐵路所有專業設計的需求[19]。BIM在建筑領域基本形成較完整的技術體系，以Revit平臺為代表，該平臺集成了建筑結構設計所需的基本框架，并提供了豐富的族庫方便設計人員選用，但參數化定制建模的靈活性不足，幾何基礎平臺可操作性較弱。Microstation平臺提供了較基礎的建模平臺，在三維形態設計上給予用戶更多的靈活性，然而在專業基礎應用單元的聚合程度卻不足，用戶使用過程中缺口較大，學習成本較高。Rhino[20]在異形建筑上能夠實現獨特的異形結構和參數化建模的需求，能夠彌補特殊的建模需求。同時在一些工程應用中還需要2種甚至3種以上建模軟件的結合應用，這導致在格式轉換過程中難以避免數據損失。目前，所有BIM軟件公司都不是從事鐵路行業軟件開發的軟件商，不能很好地適用于鐵路工程，必須要做鐵路行業的定制和專用模塊。

2.1 專業應用分析

基于數字化設計系統的鐵路站場BIM自動化建模研究[21-22]中采用了標準化單體構件模板以及設計方案數字化的方式，通過站場數字化設計成果數據庫中記錄的設備定位信息等各種設計信息，并開發站場自動建模插件來完成快速創建站場BIM模型。這種方式在一定程度上解決了往常BIM設計應用的2個問題，一是要先完成標準設備構件，再結合二維設計圖，采取手工的方式將標準設備構件錄入三維建模軟件；二是設計方案無法實現數字化存儲與建模過程中重復效率低下的缺陷。

在基于Bentley平臺的鐵路橋梁BIM設計系統[23]中，突出了設計系統參數化與橋梁構件特征化的重要性，以橋梁標準構件庫的形式簡化橋梁設計，構件的參數化提高了設計靈活度，設計人員通過簡明的參數配置界面即可完成大部分橋梁設計；基于BIM的三維參數化橋梁標準建模方法[24]研究引入國際IFC框架，提出BIM橋梁施工管理標準化技術模型，為橋梁標準建模提供標準數據框架；BIM技術在高速鐵路接觸網工程中的應用[25]研究中以建立電氣化接觸零部件三維族庫為基礎，開發了腕臂理論計算插件，實現腕臂的可視化、參數化裝配；BIM在信號系統工程設計中的應用探討提出了3階段方案，由二維圖紙逐步過渡到三維BIM模型，但仍需要借助翻模方式來實現BIM模型交付[26]。

2.2 BIM應用總結

綜上所述，目前在鐵路行業不同專業BIM應用中均強調了BIM設計中參數化的思想，極大程度上可以簡化BIM設計建模工作，而參數化的實現需要依賴特定的建模平臺。各專業建模平臺的選擇不能完全統一，并各具優勢，對于項目整體的數字化交付不利。同時，如果僅針對設計成果實體進行參數化，BIM設計成果仍然不能完整實現工程設計信息化。

3 層次化思想構建

根據EASTMAN首次提出的建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的概念，即以三維模型為基礎，實現建設工程項目物理特性和功能特性的數字化表達[14]。BIM模型不僅僅要體現在三維模型，更重要的是物理特性和功能特性的表達。物理特性和功能特性需要在非三維化的設計方案中體現，并存在持續變動和改進的過程，而對于很多非三維化的設計方案如果強加在三維建模軟件中實現，能夠為用戶提供的可操作性較低，冗余學習成本增高，成為阻礙鐵路行業BIM設計應用發展的關鍵因素之一。

因此，BIM的應用需首先厘清BIM數據的層次關系，判別三維信息與非三維信息，并針對不同工程專業的應用需求進行合理的建模模式設計，同時在設計過程中引入設計模式的概念，通過設計模式的提煉，以層次化的方式分步實現業務邏輯關系[27]，從而進一步實現快速建模以及數字化設計的流程管控。

以鐵路信號專業為例，鐵路信號專業根據勘測調查與資料收集的調查結果進行車站信號平面布置圖的設計，據此產生聯鎖表、電纜徑路圖、組合連接圖及組合排列表等數據，根據信號設備數量再進行室內設備布置圖的設計[28]。

在BIM應用實施中，信號專業設備需要搭載在線路、站場以及房屋建筑提供的站前模型中，以此為專業間接口檢查提供可視化解決方案。然而采取手工直接在三維BIM建模軟件中逐步放置信號設備、箱盒以及電纜，對于設計效率的提高并無效益。且信號設計更加側重邏輯關系模型而非邏輯實體，這與橋梁隧道及房建專業的設計結果以實體形態為設計標準有很大不同。信號平面布置圖在站場平面圖基礎上以特定的抽象方式提取出適用于信號設計的站場平面圖后，再進行信號設計內容的疊加，這種抽象過程對于信號設計提高效率具有重要作用。因此，對于BIM“所見即所得”的特性優勢并非能夠體現到鐵路信號設計全流程，而在設計聯絡階段進行專業接口審查時具有較高的應用價值。

在鐵路信號設計實踐中，以鐵路信號室內設計過程為例，提出基于三層架構的數字化設計系統，將BIM實施路線作為解決弱三維化特性專業在BIM設計應用中兼容問題的辦法。

三層架構的數字化設計體系劃分數據層、業務邏輯層以及表現層，將三維及非三維的設計數據加以有效區分，分別形成獨立的BIM業務層級，各層級之間以服務的方式進行交互，如圖1所示。每個設計主題區分決策性數據與結果性數據，設計主題代表在二維設計中一種特定的業務圖紙，比如，通信信號設計中平面布置圖主要針對設備布設位置設計，而設備之間的關聯設計在其他設計圖紙反映。通過設計主題區提煉業務方案設計模式，關注設計企業在數據存儲以及業務邏輯實現方面的自由度和獨立性，在三維實體呈現上實現表現層與業務邏輯層的隔離，并與特定三維建模軟件實現弱耦合性；同時兼顧國際IFC標準，設計數據導出為標準設計交換格式，形成完整可控的BIM設計流程及可交付的BIM數據。

由于嚴格區分決策性數據與結果性數據，對數據流進行有效的管控，數據實現可追溯性，亦可實現業務邏輯的事務觸發。當數據源有改動時，業務邏輯關聯部分即產生既定的觸發行為，并根據事務層級的界定決定是否采取人工干預。

圖1 三層架構模式

4 三層架構系統設計

4.1 數據層設計

數據層設計主要考慮3方面內容，其一，為上游專業提供數據接口的存儲服務，其二，為本專業設計成果實現持久化存儲，其三，為三維平臺以及下游專業提供數據接口服務。同時，數據架構的設計應當采取與《鐵路工程實體結構分解指南》和《鐵路工程WBS工項分解指南》兼容的模式，增加《鐵路工程信息模型數據存儲標準》和《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》的內容，以便于從數據層和IFC系列標準數據交換格式進行對接。設計過程中產生的設計數據在對象化之后附加于由存儲標準劃分的實體數據中，為每一個工程實體明確唯一標識碼，并加以引用，以此確保設計數據的分層管理。

數據庫設計可以兼容結構化與非結構化數據，以涵蓋信號設計中出現的各類數據。對于規范標準的數據可采用結構化存儲模式，而對于說明性的內容可借助非結構化存儲模式。這樣，既可以保存國際IFC標準框架中缺失的設計信息，同時將設備模型構件庫納入數據庫框架中進行管理，方便軟件統一靈活調用。同時需考慮數據庫并發控制，以減少數據的讀寫錯誤及數據丟失。

4.1.1 室內信號設計數據流

信號室內設計在鐵路信號數字設計體系中承接于車站聯鎖設計之后，需要提取聯鎖設計的輸出數據，具體流程如圖2所示。

圖2 信號設計數據流程

4.1.2 室內信號設計數據層

將鐵路信號室內設備自動布放軟件的數據層設計納入到鐵路信號數字設計體系整體數據層規劃中，以便于體系內各設計軟件之間的數據對接，數據存儲內容如圖3所示。

圖3 信號設計數據庫

4.2 業務邏輯層設計

業務邏輯層設計主要實現專業設計內在邏輯算法，采用面向對象的分析方法，構建設計BIM輸出成果與國際IFC標準相兼容的軟件實體結構。

業務邏輯層實現模式設計的理念，可提高設計效率，設計模式在積累設計數據的前提下逐步形成并內化于算法當中。例如，以工廠模式創建一系列設計模板數據。

信號室內布置軟件的業務邏輯層主要內容包括：設備的排列算法、線槽的排列算法、相應的經驗算法及缺省模式算法，數據接口模塊對輸入輸出數據進行管理。

4.2.1 數據接口模塊

為實現從數據庫中提取上游設計成果，在進行信號室內設備設計前，對車站聯鎖設計數據進行數據導入，可同時引入事件驅動機制，快速發現設計數據的差錯漏碰，確保數據同步。

4.2.2 設備排列模塊

設備布列模塊提供參數化設計界面，并以缺省的設備排列模式方式進行展現，方便設計人員調整設備排列順序。在已有規范控制值要求的情況下，亦可由設計人員靈活掌握取值范圍。

設備排列模式需要考慮以下因素。

(1)設備排列順序，設計過程中考慮設備間連接關系的影響，部分設備需要連續擺放，以減少工程復雜度。

(2)設備間距，根據《鐵路信號設計規范》[28]及《電子信息系統機房設計規范》[29]，信號機械室、計算機機房的設備布置間距應該滿足以下要求：機柜(架)排與排的凈間距≥1 m；機柜(架)、控制臺與墻的凈間距，主通道≥1.2 m，次通道及盡端柜(架)≥1 m；電源屏排與排或電源屏與機柜(架)的凈間距≥1.5 m，電源屏與墻的凈間距≥1.2 m。

(3)設備對齊模式，每排設備可以選擇是否居中排列，默認采取從靠近機房門口側開始順序排列。

(4)設備自動編號，根據TB/T10058—2015《鐵路工程制圖標準》[30]，信號機械室內設備編號應符合下列規定：組合柜面對組合柜的正面，由近及遠、從左至右的順序進行編號，并以二位或三位數表示；電源屏及其他設備應以代號或者代號附綴號進行編號。

軟件提供的參數化設計界面均有默認的設計模式可進行缺省設計，同時提供靈活的修改接口便于設計人員進行局部修改，從而形成完整的數字化設計結果。

4.2.3 智能對齊模塊

設備布列模塊產生的布置結果基本可以滿足設計要求，在特殊情況下設計人員會調整個別設備機柜的位置。在圖面上調整存在精確度不夠，重復性工作多、效率低下的問題，軟件提供智能對齊模塊，在設計人員提供大致設備調整位置后，一鍵對齊所有設備，提高排列結果的準確性，為BIM呈現提供準確的設備位置。

4.2.4 線槽模塊

根據設備布列模塊的布置結果，軟件提供自動配置線槽的功能，線槽的布設需要考慮上、下走線方式以及間隔距離，通過選擇線槽的布設模式，選擇上下走線、間隔距離等參數，進行自動搭接設備機柜間線槽走向。

4.2.5 排列視圖模塊

根據設備布列模塊自動計算的結果，排列視圖模塊用來展示抽取關鍵幾何信息的抽象圖形，顯示設備及線槽布列結果，方便設計人員進行設備布列設計結果調整。由于室內排列設計在二維維度即可表達設計意圖，視圖模塊采用了輕量的二維幾何引擎進行開發設計。在表現層設計中設計人員僅需針對設計實體三維細節局部加以優化，從而提高BIM設計效率。

4.3 表現層設計

表現層主要是為了體現設計結果，尤其是三維化的設計實體成果，由于鐵路信號專業在三維平臺上可以模擬展示實際工程場景中的實體布置狀態，故可以檢查本專業設計結果與其他專業設計成果間的接口是否滿足。表現層可以同時引入設計接口規則，由于業務邏輯方面的計算壓力已經提取到業務邏輯層，將業務邏輯層與表現層通過數據服務的方式進行連接，減輕三維平臺的計算壓力。三維模型展示平臺的選擇具備多平臺適應性，信號室內設計成果獨立存儲于信號設計數據庫中，可以選擇Revit、Bentley或其他三維建模平臺。

4.3.1 數據接口模塊

表現層數據接口主要讀入業務邏輯層輸出的設計成果信息，主要包含設計成果實體的定位信息、屬性信息以及各類設計成果信息。設備模型庫在數據庫設計中進行統一管理，在調用過程中可方便取用。

4.3.2 自動生成BIM模型模塊

最終形成的三維模型設計結果功能采用了適配器模式，開發不同三維建模軟件的功能接口。生成的設計模型根據設計數據交換規范，從數據庫自動讀取相應的屬性信息作為成果展現，為設計成果審查提供信息。

4.3.3 專業接口審查模塊

在三維模型中可以實現鐵路不同專業間接口的規范性核查，如：①核查其他專業預留接口是否符合信號專業設備布置需求，如站場專業提供的“轉轍機基坑、預留的電纜槽、過軌槽”等；②核查存在的碰撞問題，如房建結構物是否與信號設備有碰撞，是否滿足信號設備限界條件，與接觸網等其他專業設備之間距離是否滿足電氣規范要求等。審查算法可采用三維建模軟件通用的碰撞檢查模塊，通過參數定制碰撞檢查表進行逐一核查。

4.4 實例應用

以銀西高鐵寧縣車站為例，通過鐵路信號室內自動布設系統對車站室內信號機械室、信號計算機室設備及線槽進行參數化排列設計，形成設計成果保存至數據庫，并結合在Microstation軟件平臺上開發的數據接口插件，導入室內設備設計數據成果，快速生成室內設備BIM模型。該實例完整實現數據層、業務邏輯層、表現層之間的數據流轉，通過數據層提供提入數據，通過業務邏輯層實現室內設備及線槽的模式生成，通過表現層實現二維及三維圖形平臺中的模型展現。全流程中人工干預部分僅限于在參數化界面，全面提高建模效率。自動布設系統采用的業務邏輯層參數化設計界面如圖4所示，生成的三維展現層BIM模型局部示例如圖5所示。

圖4 信號室內設計業務邏輯層設計界面

圖5 信號室內設計表現層BIM模型自動生成實例

5 結語

通過對鐵路各專業BIM設計應用實踐的分析與歸納，研究并探索了基于三層架構數字設計體系的鐵路BIM設計技術路線，開發了基于三層架構的鐵路信號室內自動布設軟件，并進行實例驗證。研究結果表明，三層架構體系及工程設計模式的方法對于鐵路信號BIM設計應用具有實踐性意義，通過層次化分析與模式化提煉，實現鐵路信號BIM信息模型，厘清業務邏輯與BIM呈現之間的關系與界限，分步實現自動化，將人工干預部分簡化至界面操作，全面提高BIM模型設計效率及軟件設計的可用性，并最終實現靈活可控的完整BIM模型。三層架構的理念及工程設計模式的設計方法可作為通用開發方法應用于BIM應用實踐，對于鐵路其他專業BIM應用亦具有參考意義。