基于空間點云的鐵路信號工程BIM設計優化

車爽

（中國鐵路設計集團有限公司 電化電信工程設計研究院，天津 300251）

0 引言

隨著信息化技術的不斷發展，鐵路行業設計方式也在隨之改變。BIM技術在鐵路行業的應用是一項重大技術革新[1]。利用BIM等信息化技術的可傳遞性，實現基礎數據在設計、施工、運維過程中的有效傳遞和共享，將設計單位、施工單位、設備廠家、運營單位有機地結合起來，增強了設計成果和基建施工的準確性，提高了運營、維護的管理水平[2]。目前，鐵路信號工程設計利用二維圖紙，而三維可視化技術可實景再現設計成果，并交付施工及運維單位。利用BIM技術實現三維場景重現的過程，需要更精準地體現空間位置關系，進而準確表達設備之間的空間位置關系，滿足專業間配合的需求[3]。因此，大幅提高BIM設計效率，使BIM技術應用能夠適應快節奏、高效率的生產模式也成為關鍵性核心技術[4]。以下從當前設計手段存在的問題、解決的思路及新技術的深遠意義3個方面進行論述。

1 鐵路信號工程傳統二維設計及BIM設計現狀

現階段鐵路信號工程設計主要基于AutoDeskCAD軟件，交付成果以平面圖紙及相關說明文件為主[5]。但在設計過程中和最終交付的成果中，對于設備位置描述，僅以相對信號樓的單一方向絕對距離進行標注。采用上述方式開展設計，設計人員無法直觀了解現場實際情況，對曲線段、坡度段、咽喉區復雜環境等都無法直觀地掌握，僅能通過專業間互提的二維設計資料分析、了解設計要素[6]。各專業各自為單體獨立開展設計，設計圖紙往往只能反映本專業的設備及管線布設情況，而各專業間的系統協同設計并沒有明確的集成圖紙，導致施工中經常出現各專業、各系統間的碰撞與遮擋等問題[7]。例如，信號與接觸網、通信、電力，以及橋梁、隧道等多個專業都具有碰撞和遮擋的可能性，甚至發生站場、線路范圍內整體上專業間配合不到位，交叉、返工的問題都將遺留到施工階段，造成部分工程廢棄。

目前采用的BIM技術已經可以在三維空間內進行有效的設計和表達，使各類設備的空間位置相對更精確，整體布局更清晰，設計成果更具指導意義和價值[8]。但現有BIM設計技術依賴于在三維設計軟件中，人為進行大量的空間幾何關系設計、計算、輸出和定位，即設計者需要通過制作大量的空間點、線、面等初始幾何元素，并通過對初始幾何元素進行相交、相切、投影、鏡像、裁切、旋轉等基礎操作手段得到二次或多次計算結果，最終得到所需的定位點、基準線、參考面等[9]。對于車站站場范圍內區域性零散分布的信號設備尚可以應對，如果對每個設備都進行上述步驟，不僅在過程中很可能出現誤差和錯誤，還要付出很多時間和精力。該設計模式即便最終形成了輸出成果，但設計效率低下是最大問題，嚴重制約了BIM技術在信號專業設計的進一步應用[10]。

2 基于空間點云的鐵路信號工程BIM設計方法

空間點云即在三維空間內首先構建網格體系，并利用空間網格的交匯點作為目標模型的定位點云，進而快速完成設備定位點的設計和選取。建立空間點云，首先，在三維空間內根據需求，在一定區域范圍內或廣域范圍以固定的幾何原點作為參考原點，根據空間位置的不同，以等間距或不等間距模式，構建向X、Y、Z3個方向偏移的軸線偏移網格體系。在空間網格體系中，2個相鄰偏移網絡軸線的方向和距離根據設計需要進行定制。當各個偏移軸線生成并形成網格后，網格的每個交點都可被選取，并作為設備模型實體的定位點，從而實現區域性設備定位點云的快速部署。

與現有基于空間幾何關系進行計算方式相比，采用空間點云方式進行BIM設計的技術優勢較為明顯。采用點云方式開展信號工程BIM設計，完全拋開人為進行空間幾何計算的過程，大幅降低設備定位過程中因過多人為干預產生的錯誤和偏差。基于空間幾何位置進行計算的方式，往往以人工計算方式展開，一般情況下，設計者將按照既定設計規則和規范，以信號樓所在位置為參考原點，逐一計算各設備的相對距離，并利用BIM設計軟件中的三維設計模塊為每個計算結果投射相應的空間點，進而再實現設備安裝。以點云方式開展設計時，同樣以信號樓為原點，在站場區域內以某個常見水平面為基礎，橫向按等間距（如1 m）或不等間距（設備間的相對距離）為間隔，縱向以股道間距、咽喉岔線間距等為間隔，豎向以信號設備安裝高度、管線埋深標高等為間隔，依次生成站場范圍內的區域性空間立體網格。空間網格體系生成后，設計者只需在空間內對區域內分散的交點進行按需抽樣點選，被點選的分散點經過實體化后形成站場范圍內的設備點云，繼而在完成各設備模型的選取和裝配后，就完成了1次車站范圍內信號設備布置工作。同樣，對于信號管線來說，設計者只需在網格體系內按需、按順序選取抽樣點，并將其實體化后放置于同一幾何圖形集中，再利用軟件自帶功能，將管線點云依次連接生成最終的管線徑路，即可完成管線的制作和封裝。上述過程，操作者完全在可視化的狀態下完成，并可根據需要調整不同的視角，便于快速、準確點選所需抽樣點。空間網格的生成與定位點云的精確選取見圖1。

圖1 空間網格的生成與定位點的精確選取

3 利用空間點云開展鐵路信號工程BIM深化設計

采用點云方式進行BIM設計可更超前、更直觀地發現并解決信號設備的碰撞、顯示遮擋及管線徑路選擇等問題。對于空間信號設備的碰撞、遮擋問題，利用制作定位點云方式開展設計可超前發現并及時解決。由于制作定位點云的過程是在多專業協同狀態下進行的，區域內各參與專業均在進行相關設計，通過為不同專業設定不同顏色的點云顯示，完全可以在尚未裝配設備階段直觀地發現設計過程中的碰撞、遮擋等問題，通過協調解決問題后還可以更新點云，進一步驗證調整后的定位點云是否滿足設計需求，基本實現邊設計邊校驗的過程，設計成果一次成型概率可接近100%，極大降低了設計返工和修改的概率，縮減了設計耗時。

利用定位點云制作站區管線路徑的優勢更加明顯。由于站區內，尤其是大型樞紐站、動車運用所等復雜場段內，各路風、水、電線路錯綜復雜，加之場段內可供使用和規劃的路間空間狹小，經常出現交匯、避讓等情況，綜合管線設計難度極大。利用定位點云可最大程度降低設計難度。管線綜合集成設計者可在敷設管線的區域內建立等間距立體網格，間距選擇可根據精度要求設置，立體網格設置完成后，各專業可在立體網格內通過點選方式選取本專業管線路徑通過點，并歸集于本專業幾何圖形集中，設置相應顯示顏色，其他專業在選取時可以避免選取相同的路徑點，進而避免由于空間幾何位置相同而造成返工。與此同時，風、水、電等不同性質的管線也可通過顏色的區別進行設計避讓，避免由于不符合相關設計規范而造成設計返工。

空間定位點云提供的空間選點方式為設計者提供了一種便捷高效的設計方法。設計者可快速地對出現問題的工點進行及時修正和調整，既保證了最終交付成果的合理性、安全性、合規性和準確性，又大幅提升了設計修改的效率，減少了設計返工，降低了設計成本。

4 設計優勢

4.1 操作便捷、全過程可視化

利用空間點云方式開展BIM設計使操作過程極為簡單、便捷，用戶只需在空間區域范圍內按需進行點選即可完成復雜的設計工作。設計過程完全可視化，同時在多專業協同設計的環境下，可視化設計過程為操作者提供了準確的設計依據和設計方法。全過程可隨時根據需要進行調整和修改，大幅提升了BIM設計的效率和質量，滿足了當前BIM技術應用的迫切需求。同時，根據最終生成的空間點云，用戶對遮擋、碰撞、侵限、管線路徑選擇等問題的優化將有更優質的體驗。咽喉區過軌管線的點云選擇見圖2。

圖2 咽喉區過軌管線的點云選擇

4.2 為鐵路信號專業未來系統性設計奠定基礎

目前，在利用空間點云進行BIM設計的探索中，依然以二維施工圖作為設計依據進行參考，空間點云的選取仍然以人工方式進行。對基于BIM技術的信號工程設計來說，諸如聯鎖關系、信號機顯示關系等帶有邏輯性的系統設計邏輯植入勢在必行。未來在利用定位點云體系的基礎上，將聯鎖、列控關系等以邏輯代碼形式形成插件封裝，植入BIM設計軟件中，以機器語言實現聯鎖、列控關系等各類邏輯關系，驅動軟件自動選取信號設備點云，并最終形成基礎設計成果，繼而利用基礎成果衍生出高級設計成果，逐漸完善鐵路信號工程的系統性設計，是利用定位點云的最大價值所在。

5 結束語

通過分析鐵路信號專業現有二維設計和BIM設計存在的不足，闡述采用定位點云方式開展BIM設計的優勢，探討該方式的技術優勢與潛在價值。通過空間點云這一輔助設計方式將會大幅提升BIM設計效率和質量，全面解決專業間器材設備的物理碰撞、遮擋、侵限、管線路徑優化等問題，最終實現信號系統的優化設計。未來，隨著采用空間定位點云方式開展工程項目BIM設計，將大幅度提升BIM設計效率，真正實現設計手段從二維向三維的轉變。