BIM技术在城市轨道交通信号设计中的应用研究

汤力成

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

随着我国经济快速发展，交通拥堵问题日益突出，城市轨道交通由于其安全、便捷、环保的特性，已成为缓解城市交通拥堵的重要手段之一。目前，我国城市轨道交通正处于快速发展时期，随着各地工程建设进度的加快，如何有效提高工程设计水平，保证施工建设质量是亟待解决的问题。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以三维数字技术为核心，集成工程建设项目中的各种信息，通过信息共享和交互，可以大幅提高项目集成化程度，在优化系统设计、保证工程质量、提高运营管理效率方面起到重要作用[1-2]。

1 BIM技术概况

1.1 定义

BIM的定义有多个版本，其中美国国家BIM标准（National Building Information Modeling Standard，NBIMS）对BIM的定义较为完整：BIM是建设项目物理和功能特性的数字化表达；BIM是共享的知识资源，是分享有关设施的信息、为该设施从概念到拆除的全生命周期中所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方可通过在BIM模型中插入、提取、更新和修改信息，以支持相互间的协同作业。在工程建设项目中，BIM作为各参与方连接的纽带，明确了各团队在不同阶段如何进行协同工作，共同推进项目的设计、施工和运维。

1.2 特点

BIM技术以三维数字化为基础，贯穿项目全生命周期，将建筑设计、施工、运维管理等相关过程所需的信息进行有机结合。BIM技术主要具有可视化、模拟性、协调性、优化性以及可出图性5个特点。可视化作为BIM的基本特性，在模型创建过程中就可以反映出建筑的实体情况及关联的属性信息。这种“所见即所得”的可视化特点不仅可用于阶段性汇报展示，还可服务于项目的整个建设过程，为项目推进过程中的沟通、协调发挥辅助决策作用。BIM技术的模拟性一方面体现在对建筑实体的可视化仿真，另一方面体现在对项目各阶段需要实践的内容进行模拟，例如规划阶段的建筑周边人口出行分布模拟、设计阶段的建筑日照及节能模拟、施工阶段的施工进度模拟等。协调性是指通过建立BIM模型，可快速完成各参与方的设计协调工作，例如各专业设备布置之间的碰撞遮挡协调、沟槽管线之间的协调等，针对可能出现的问题提前进行处理，避免后期返工。优化性是指通过BIM技术，集成项目各阶段的信息，在有限的时间内利用数字化模型不断优化改进，确定最优的实施方案，有效降低成本。可出图性是BIM的重要特点，传统二维图纸的设计尽管遵循统一的标准，但不同项目参与方对图纸内容的理解存在一定偏差[3]。BIM技术的引入很好地解决了这类问题，在优化完善设计的基础上，基于数字化模型直接形成施工图，为高质量施工奠定了基础。

2 BIM技术在城市轨道交通工程中的应用现状

2.1 国外现状

BIM技术在发达国家中已经广泛应用，并逐渐成为城市轨道交通工程中普遍采用的主要技术，应用于工程建设过程中的模拟分析、三维设计和运营维护管理等各方面。

英国Crossrail轨道交通项目中，工程人员利用BIM技术构建了庞大的信息资源共享平台，各专业基于该平台进行协同设计，加强项目实施过程中各参与方间的信息交互，通过施工进度模拟动态优化施工方案，有效降低对城市造成的不良影响。此外，伦敦维多利亚站改造项目中，业主、设计、施工、集成商等参与方通过BIM技术进行高效协作，大大减少了项目各阶段的信息遗漏。

加拿大首都多伦多Spadina扩建项目中，参建各方基于Bentley Project Wise进行三维协同BIM设计，在保证项目工期的同时有效控制工程成本，取得了良好效果。

美国、德国、法国等国家的城市轨道交通工程项目中，BIM技术已贯穿工程规划、设计施工、运维管理等全生命周期过程，可实现对整个项目的优化分析和信息共享。

2.2 国内现状

相较于欧美等发达国家，我国BIM技术推广应用较晚，目前正处于起步阶段。近几年，北京、上海、广州、武汉、苏州、西安、宁波、厦门、佛山等地的城市轨道交通项目均在一定程度上应用了BIM技术。

北京地铁9号线丰台科技园站是北京首个应用BIM技术的车站，该站的BIM试点应用涵盖工程全生命周期，项目前期建立建筑、结构、暖通、动照、给排水等专业集成信息化模型，后期主要将BIM技术应用于综合管线出图、施工进度模拟。此外，北京地铁6号线三期、8号线三期、10号线二期、14号线等工程中的个别站点也应用了BIM技术。

上海地铁9号线、12号线西段、13号线以及17号线等工程中均涉及部分BIM技术，其中17号线漕盈路站较为典型，其应用点包括车站场地环境仿真模拟、土建主体及围护结构建模、工程量复核、管综辅助检查以及设备运维管理。

苏州于2017年开始引入BIM技术，在轨道交通5号线中选取莫邪路—苏嘉杭2站1区间开展BIM试点应用，主要包括利用风险源三维可视化辅助分析线路走向和车站方位选择，协调多专业优化建模，实现模型与图纸零误差，基于数字化完成施工指导及后期运维管理。

BIM技术在我国部分城市的轨道交通领域已逐步开展试点应用，但现阶段主要用于车站主体及围护结构建模、站内综合管线辅助设计等方面。因此，BIM技术的发展应用有待进一步探索。

3 BIM技术在城市轨道交通信号设计中的应用

为推动城市轨道交通工程中BIM技术的应用发展，住房和城乡建设部于2018年6月发布了《城市轨道交通BIM应用指南》，首次明确指出了信号专业的BIM应用方向，对于城市轨道交通信号信息化发展具有重要意义。考虑到城市轨道交通工程设计中各专业的衔接接口，基于Autodesk公司Revit软件平台，针对信号专业设备布置进行了BIM技术应用，以下对BIM设计流程、族库建设、可视化效果展示、工程量统计及平面出图几方面进行介绍。

3.1 BIM设计流程

信号专业作为轨道交通站后系统的重要组成部分，需要与建筑、结构、桥梁、隧道、轨道、暖通、动照、给排水、通信、FAS、BAS、站台门等多个专业进行协同设计[4]。目前，城市轨道交通信号工程设计通常采用二维交付方式，由于平面图纸不直观、信息关联度低等局限性，在施工过程中容易出现信号设备侵入限界，或与其他专业设备出现碰撞无法满足安装要求等问题，这些问题若在设计阶段未解决，则会导致施工阶段返工，延缓工程进度。通过应用BIM技术，可基于三维视图直观地看到设备布置效果，还可在二维平面视图中优化调整，实现对设备的准确定位，这种方式对信号专业开展设计工作极为便利。同时，根据其他专业模型提供的接口数据信息，布置信号设备时可直观看到不同专业模型间的相对位置、角度关系等，避免设备之间的碰撞问题。信号设备布置BIM设计流程见图1。

3.2 族库建设

Revit软件中所有的图元都是基于族的，每个族都能定义多种类型，每种类型可以具有不同的参数信息，从而形成项目的构件。对于信号专业族模型设计而言，需结合设备厂商提供的技术规格书针对不同类型的设备开展建模工作，逐渐扩充形成信号专业特有的模型族库。在后续相关的设计工作中，通过调用事先设计好的族模型，根据项目需要对设备信息进行参数化配置并重新布置该设备，可以有效提高设计效率。

信号系统设备种类众多，为便于将不同设备进行合理分类管理，将信号设备模型族库分为室外设备模型和室内设备模型（见图2）。

常见的信号室外设备模型见图3，包括转辙机、二显示信号机、四显示信号机等。

图1 信号设备布置BIM设计流程

图2 信号设备模型族库

图3 信号室外设备模型

典型的信号室内设备模型见图4，包括信号配电箱、UPS电源、智能电源屏等。各模型的尺寸根据设备实体尺寸进行参数化设计，使三维模型能尽可能反映出设备的真实情况，结合不同厂家的技术规格及各地业主的要求，可根据项目实际情况对模型进行修改调整，从而保证设备布置达到最好的效果。

此外，通过BIM技术完成的族模型能够关联其他附加非几何类型属性信息，例如设备的规格型号、系统属性及设备配置连接关系等，使设备特性一目了然（见图5）。

3.3 可视化效果展示

以信号室内设备布置为例，将设计好的族模型载入项目文件中，根据机房的实际情况对设备进行合理布局，预留出设备的检修空间，结合三维视图查看信号设备在机房内的布置效果（见图6），可随时进行优化调整。实际工程应用中，利用土建专业提供的机房模型，可通过漫游功能进入信号设备机房，查看信号室内设备布置的实际情况，方便后期的施工及运维管理。

图5 设备BIM模型类型属性

3.4 工程量统计及平面出图

BIM相关软件具有工程数量统计功能，可根据信号设备模型构件及布置情况自动统计出工程量，同时BIM参数化特性使得在任意视图中进行调整修改都会同步更新工程数量表。此外，BIM软件可以根据需要创建二维平面视图，在图中标注相应信息即可生成平面图纸。

图4 信号室内设备模型

图6 信号室内设备布置效果

4 下一步应用建议

目前，BIM技术在城市轨道交通领域中的应用仍处于起步阶段，在信号专业的应用更是几乎处于空白状态，推广该技术还存在诸多阻碍。通过探索BIM技术在城市轨道交通信号专业工程设计中的应用，验证了BIM技术的优势，对于下一步开展信号专业BIM设计工作，提出以下建议：

（1）制定BIM专业标准。在国家BIM标准的基础上，借鉴建筑行业已有的BIM标准成果，结合城市轨道交通信号工程实施特点，形成信号专业的相关BIM数据标准，规范BIM技术在城市轨道交通信号专业中的应用，为信号设计提供参考依据。

（2）开发专用工具集。主流的几种BIM软件（Autodesk公司的Revit、Bentley公司的Architecture/Bentley系列等）均提供了二次开发的接口，信号专业可根据设计需要在相应的BIM平台上进行插件开发，将BIM软件与专业计算软件工具有机结合，为设计工作提供便利。

（3）建立设备通用族库。由于目前还没有完善的城市轨道交通信号专业设备通用族库，在项目实施过程中需要根据实际情况创建设备模型专用族。通过建立信号设备通用族库，进行有效的族模型文件管理，设计人员能够直接在项目文件中调用各种需要的设备模型，提高工作效率。

（4）加强BIM设计出图能力。城市轨道交通信号工程设计中，信号设备平面布置图、室外信号设备光电缆径路图、信号系统结构图等均可以应用BIM技术开展设计工作。在三维空间中，无论是轨旁的信号机、转辙机、计轴等室外设备，还是机房中的机柜、工作站等室内设备都比二维视图更加直观，结合桥梁、隧道、轨道、建筑等各专业提供的模型，信号设备的布置更加准确且不易出现设备碰撞问题。同时，基于三维模型进行光电缆径路设计，能够精准确定光电缆敷设实际走向及部分特殊区域的线缆过轨位置，且便于统计和调整工程量，对顺利开展信号施工设计有很大帮助。

5 结束语

BIM技术为城市轨道交通行业带来了设计革新。业务需求推动传统二维设计向三维设计转化，BIM技术可视化、协调性等优势可以更好地辅助城市轨道交通信号专业开展设计工作，提高设计质量。然而，BIM技术在信号专业中的应用尚属于起步阶段，由于缺乏成熟的标准规范支撑，专业应用能力受到限制。探索BIM技术在信号专业族库建设和设备布置等方面的应用，并在此基础上提出合理化建议，对今后全面开展信号专业BIM设计工作提供参考和借鉴。