加快BIM技術創新應用構建標準化、智能化設計體系

文｜劉曉奇 趙軍甫

BIM 被定義為由完全和充足信息構成以支持全生命周期管理，并可由計算機應用程序直接解釋的建筑工程信息模型。我國在《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》第一次明確提到BIM 技術，并強調加快普及BIM 應用。2013 年6 月，中國鐵路總公司在全路工程建設信息化推進會議上確定了開展鐵路BIM 技術研究的總體規劃；同年年底，鐵路BIM 聯盟應時而生，制定、發布了一系列BIM 技術標準和BIM 實施標準，通過部署試點項目的方式積極推進BIM 技術在鐵路工程設計、建設、運營全生命周期的應用。

BIM 設計軟件是鐵路BIM 技術研究應用的基礎，目前占市場份額較多的幾家BIM 軟件均有較強的精細建模能力，但普遍存在國外軟件本地化程度不高的問題，還需在平臺原生功能的基礎上結合標準與專業特點進行二次開發。國內各家鐵路設計院已陸續對橋梁、隧道、路基、軌道等站前專業及電氣化等站后專業的BIM 設計軟件二次開發和應用進行了研究，而針對鐵路信號BIM 設計軟件的相關研究還相對較少，因此開展結合鐵路信號專業特點和BIM 設計應用特性的鐵路信號BIM 設計技術研究很有必要。

數據驅動BIM 正向設計發展

目前，一些BIM 設計流程往往是先完成施工圖，然后根據施工圖再建立三維模型，也就是我們現在說的“翻模”；而BIM 正向設計則是在項目從草圖設計階段至交付階段，全部過程都是由BIM 三維模型完成。采用“翻模”的設計方式效率低，不完全符合正向設計的要求，但目前限于標準和規范不完善、BIM 技術發展的現狀等，還很難做到完全意義上的BIM 正向設計。因此，研究一種既可以取代“翻模”方式，又可以推動BIM 正向設計發展的準正向設計技術具有很大的現實價值。

二維信號輔助設計軟件起步較早，經過多年的技術積累和沉淀，已經形成完善的信息化輔助設計系統。既有輔助設計軟件采用產品數據管理 (PDM) 的技術進行統一管理形成系統，系統基于基礎字典庫、設計數據庫、接口數據庫進行設計工作，在生成圖紙成果的同時，生成標準化的設計數據成果并存入成果數據庫中。同時，輔助設計系統進行信息化改造時，考慮了為BIM 設計預留數據接口，為后續進行信號BIM 設計軟件的開發創造了有利條件。

圖1 BIM 設計流程圖

圖2 數據驅動技術路線圖

數據驅動的技術路線。基于Bentley 公司核心建模軟件MicroStation，采用以數據驅動為核心、BIM 標準為基礎、設計需求為驅動的技術路線。重點圍繞專業數據標準化建構、快速自動化建模、二三維聯動出圖算量及BIM 成果應用等幾個方面分階段、分模塊開展專業化軟件功能定制開發工作。以信號專業數據庫（專業設計數據庫、項目設計數據庫及專業數據字典）為核心，以信號BIM 構件庫和二維圖庫為基礎，構建BIM 設計模式下系統化的設計方法、軟件工具和作業模式，實現信息化模型的快速創建及數字化成果表達。

圖3 軟件總體架構圖

以信號機的BIM 設計為例，首先進行二維CAD 設計，確定編碼、圖塊、坐標、名稱、所屬軌道、連接關系等信息，進而在三維車站線條圖中，首先調用設計數據和查詢數據字典，然后進行坐標變換、構件庫映射和調用以及編碼補充等工作，確定信號機和箱盒的模型、平面位置、高程、朝向和其他相關信息，最后將站場BIM 模型參考進來完成信號機的初步設計，進行計算機智能校審和人工審核后對數據進行完善修改更新，最后實現二、三維設計的同步更新。

關鍵技術賦能全專業、全參與方協同設計

軟件總體架構。為了降低系統模塊間的耦合度、提高代碼復用，軟件采用經典的三層架構模式，即表現層、業務邏輯層和數據訪問層。表現層主要是指與用戶交互的界面，用于接收用戶輸入的數據和顯示處理后用戶需要的數據。業務邏輯層是表現層和數據訪問層之間的橋梁，實現計算、分析、驗證等業務邏輯。數據訪問層負責將存儲在數據庫中的數據提交給業務層，同時將業務層處理的數據保存到數據庫。

標準化技術。依據相關標準，編制企業級的《BIM 設計成果交付標準》《BIM 設計流程和數據接口暫行規定》等標準。研究專業結構樹組成與構件劃分，制定劃分最小設計單元和建立專業結構樹技術原則，形成最小構件結構樹，并對結構樹成果進行結構化，形成專業節點XML 文件與節點屬性結構化數據。

按照簡明性、唯一性、可擴充性和實用性的原則，基于專業結構樹對最小構件進行結構化編碼。構件模型的屬性信息統一在數據層面解決，包括標準的基礎信息和具體的工程信息。編碼作為重要的屬性信息，將編碼和構件的實際存儲ID 相關聯，自動建模完成后，可通過工點各構件編碼重構工點工程的專業結構樹，實現構件模型的定位、查詢、修改、更新等管理功能。

數據庫技術。以實現BIM 信息化為目標，建立了完整的數據庫，并以核心數據為基礎，開發了一系列BIM 設計和應用軟件，既有輔助設計軟件、核心數據庫和BIM 設計軟件，三者是互相關聯、動態地構成了一個整體。創建云平臺的關系數據庫及處理點、線、面、體等對象的空間數據庫，實現設計信息及模型信息的分類處理，提高平臺響應時間。

由于鐵路工程專業較多，在數據庫設計時，需要考慮各專業間數據的一致性，采用云平臺的關系數據庫，通過現場總線、工業以太網、以太網、無線局域網等，構建多協議、多類型融合的信息傳輸網絡，實現系統間的數據傳輸。通過統一訪問接口，處理數據信息，實現各專業間數據共享。針對BIM 設計中大量的三維空間信息，創建空間數據庫。利用空間關鍵字查詢(spatial keyword search)，通過將空間位置與文本結合，查詢同時符合空間和語義條件約束的對象，將空間索引與文本索引或位圖技術相結合構成混合索引結構，支持同時對空間和文本數據的查詢以減少搜索范圍。

云服務同步機制。建立本地數據庫與企業私有云服務數據庫的同步機制，建立云端構件庫和空間庫，實現數據的同步與共享，實現專業內、專業間和院內外協同設計。

云端構件庫的構件種類覆蓋常用類型，構件信息按照數據存儲標準編制，支持標準化構件批量調用、導入、在線查看和修改。云端的空間庫涵蓋主要前置專業的常用尺寸空間模塊，用于搭建基于參數驅動的低精度前置專業模型，以便滿足信號專業獨立場景下進行的BIM 設計和應用需求。

圖4 云服務同步機制網絡圖

構件庫與空間庫的組合設計能夠滿足基于云端的數字化高效設計需求，并通過設計平臺接入院協同設計平臺，為全專業、全參與方協同設計提供便利的交互條件。

鐵路數字工程的要求主要包括以下幾方面內容：一是屬性較為完善，需從設計階段到施工階段至運營階段全過程的屬性；二是部件分解符合IFD、工程分解符合EBS；三是數字工程的幾何屬性符合設備真實信息；四是數字工程的空間位置符合工程的真實信息。

國鐵集團工程管理中心下發通知，以酒額鐵路、西十高鐵數字工程認證試點為依托，以四電工程為先導，建立鐵路數字工程認證體系。依托試點項目，軟件通過分析鐵路工程的實際需求，結合設備及工程（建筑工程、安裝工程）要素，按照數字設備及數字工程兩大類生成信號BIM設計成果，在酒額鐵路數字工程試點項目中形成了《鐵路四電專業數字工程屬性信息檢測標準》《鐵路四電專業數字工程空間信息檢測標準》及《四電專業數字工程檢測細則》，初步驗證了滿足設計期給施工期交付的數字工程信息模型要求和工程建設全生命周期應用需求。

數據融合 提升信息化、智能化程度

基于數據驅動的設計軟件通過數字信息創建鐵路信號站場BIM 模型，將廠家信息、設計信息等數據融合進BIM 模型，形成動態可維護的滿足BIM 全生命周期應用的數字工程模型。基于對信號BIM 設計的分析和應用，實現設備自動布放、工程量統計等功能。基于整體數據架構，在MicroStation 平臺上進行二次開發，實現相關BIM 設計功能。

基于數據驅動的鐵路信號BIM 設計平臺，已在銀西高鐵、西十高鐵、酒額鐵路、西寧至成都鐵路等項目中進行了試點和應用，目前正在濟濱高鐵、南玉高鐵等項目進行推廣應用，實現了信號車站室外、區間室外設備的快速建模，大大提高了設計效率，同時軟件平臺在構件庫完善、自定義屬性信息、目錄樹管理、數據互用及提取等方面得到了優化。

以西十高鐵為例，西十高鐵線路正線全長265.771km，其中新建正線全長259.717km。針對該項目信號專業BIM 設計需求，完成以數據（庫）為核心的工程圖紙出圖、算量、模型創建等關鍵技術及實施方案的研究及實踐。

主要工作流程：設計所需資料輸入（本專業資料、協同工作平臺中各專業互提資料等）→BIM 模型創建→BIM 模型應用（虛擬展示、查詢定位、設計優化等）→成果交付（信息化BIM 模型）。

圖5 BIM 設計流程圖

圖6 BIM 設計成果例圖

BIM 設計：按照“接口數據獲取→數據建立→模型設計”的流程進行專業BIM 設計工作。讀取車站平面設備布置圖、電纜徑路圖的成果數據，識別車站三維線條圖，根據所屬軌道、線路中線、軌面高程、路基截面等計算水平、垂直方向偏移量，確定信號設備位置，依據計算分析及信號專業對設備的空間要求進行快速建模。

BIM 模型應用：利用自研的輕量化平臺，進行信號專業的BIM 模型應用，如細部設計展示、設備檢索定位、碰撞檢查、優化設計等應用。

針對鐵路工程項目的特殊性，充分利用既有輔助設計成果和新技術賦能，解決鐵路信號BIM 設計標準化、信息化和自動化的問題。該平臺實現了取代傳統翻模方式的同時，基本實現了BIM 正向、協同設計的目標，填補了國內外各主流BIM 設計平臺BIM 設計專業化和本地化的空白，對推動鐵路設計行業BIM 正向設計技術的發展發揮了一定的積極作用。當然，鐵路工程項目BIM 設計技術研究工作仍存在不足，從行業角度來看，鐵路BIM 技術標準將逐步完善，以此為基礎，構建標準化、模塊化、智能化設計體系，加快BIM 技術創新和應用，以點帶面實現鐵路全專業BIM 正向設計將成為未來發展方向。