基于空间点云的铁路信号工程BIM设计优化

车爽

（中国铁路设计集团有限公司 电化电信工程设计研究院，天津 300251）

0 引言

随着信息化技术的不断发展，铁路行业设计方式也在随之改变。BIM技术在铁路行业的应用是一项重大技术革新[1]。利用BIM等信息化技术的可传递性，实现基础数据在设计、施工、运维过程中的有效传递和共享，将设计单位、施工单位、设备厂家、运营单位有机地结合起来，增强了设计成果和基建施工的准确性，提高了运营、维护的管理水平[2]。目前，铁路信号工程设计利用二维图纸，而三维可视化技术可实景再现设计成果，并交付施工及运维单位。利用BIM技术实现三维场景重现的过程，需要更精准地体现空间位置关系，进而准确表达设备之间的空间位置关系，满足专业间配合的需求[3]。因此，大幅提高BIM设计效率，使BIM技术应用能够适应快节奏、高效率的生产模式也成为关键性核心技术[4]。以下从当前设计手段存在的问题、解决的思路及新技术的深远意义3个方面进行论述。

1 铁路信号工程传统二维设计及BIM设计现状

现阶段铁路信号工程设计主要基于AutoDeskCAD软件，交付成果以平面图纸及相关说明文件为主[5]。但在设计过程中和最终交付的成果中，对于设备位置描述，仅以相对信号楼的单一方向绝对距离进行标注。采用上述方式开展设计，设计人员无法直观了解现场实际情况，对曲线段、坡度段、咽喉区复杂环境等都无法直观地掌握，仅能通过专业间互提的二维设计资料分析、了解设计要素[6]。各专业各自为单体独立开展设计，设计图纸往往只能反映本专业的设备及管线布设情况，而各专业间的系统协同设计并没有明确的集成图纸，导致施工中经常出现各专业、各系统间的碰撞与遮挡等问题[7]。例如，信号与接触网、通信、电力，以及桥梁、隧道等多个专业都具有碰撞和遮挡的可能性，甚至发生站场、线路范围内整体上专业间配合不到位，交叉、返工的问题都将遗留到施工阶段，造成部分工程废弃。

目前采用的BIM技术已经可以在三维空间内进行有效的设计和表达，使各类设备的空间位置相对更精确，整体布局更清晰，设计成果更具指导意义和价值[8]。但现有BIM设计技术依赖于在三维设计软件中，人为进行大量的空间几何关系设计、计算、输出和定位，即设计者需要通过制作大量的空间点、线、面等初始几何元素，并通过对初始几何元素进行相交、相切、投影、镜像、裁切、旋转等基础操作手段得到二次或多次计算结果，最终得到所需的定位点、基准线、参考面等[9]。对于车站站场范围内区域性零散分布的信号设备尚可以应对，如果对每个设备都进行上述步骤，不仅在过程中很可能出现误差和错误，还要付出很多时间和精力。该设计模式即便最终形成了输出成果，但设计效率低下是最大问题，严重制约了BIM技术在信号专业设计的进一步应用[10]。

2 基于空间点云的铁路信号工程BIM设计方法

空间点云即在三维空间内首先构建网格体系，并利用空间网格的交汇点作为目标模型的定位点云，进而快速完成设备定位点的设计和选取。建立空间点云，首先，在三维空间内根据需求，在一定区域范围内或广域范围以固定的几何原点作为参考原点，根据空间位置的不同，以等间距或不等间距模式，构建向X、Y、Z3个方向偏移的轴线偏移网格体系。在空间网格体系中，2个相邻偏移网络轴线的方向和距离根据设计需要进行定制。当各个偏移轴线生成并形成网格后，网格的每个交点都可被选取，并作为设备模型实体的定位点，从而实现区域性设备定位点云的快速部署。

与现有基于空间几何关系进行计算方式相比，采用空间点云方式进行BIM设计的技术优势较为明显。采用点云方式开展信号工程BIM设计，完全抛开人为进行空间几何计算的过程，大幅降低设备定位过程中因过多人为干预产生的错误和偏差。基于空间几何位置进行计算的方式，往往以人工计算方式展开，一般情况下，设计者将按照既定设计规则和规范，以信号楼所在位置为参考原点，逐一计算各设备的相对距离，并利用BIM设计软件中的三维设计模块为每个计算结果投射相应的空间点，进而再实现设备安装。以点云方式开展设计时，同样以信号楼为原点，在站场区域内以某个常见水平面为基础，横向按等间距（如1 m）或不等间距（设备间的相对距离）为间隔，纵向以股道间距、咽喉岔线间距等为间隔，竖向以信号设备安装高度、管线埋深标高等为间隔，依次生成站场范围内的区域性空间立体网格。空间网格体系生成后，设计者只需在空间内对区域内分散的交点进行按需抽样点选，被点选的分散点经过实体化后形成站场范围内的设备点云，继而在完成各设备模型的选取和装配后，就完成了1次车站范围内信号设备布置工作。同样，对于信号管线来说，设计者只需在网格体系内按需、按顺序选取抽样点，并将其实体化后放置于同一几何图形集中，再利用软件自带功能，将管线点云依次连接生成最终的管线径路，即可完成管线的制作和封装。上述过程，操作者完全在可视化的状态下完成，并可根据需要调整不同的视角，便于快速、准确点选所需抽样点。空间网格的生成与定位点云的精确选取见图1。

图1 空间网格的生成与定位点的精确选取

3 利用空间点云开展铁路信号工程BIM深化设计

采用点云方式进行BIM设计可更超前、更直观地发现并解决信号设备的碰撞、显示遮挡及管线径路选择等问题。对于空间信号设备的碰撞、遮挡问题，利用制作定位点云方式开展设计可超前发现并及时解决。由于制作定位点云的过程是在多专业协同状态下进行的，区域内各参与专业均在进行相关设计，通过为不同专业设定不同颜色的点云显示，完全可以在尚未装配设备阶段直观地发现设计过程中的碰撞、遮挡等问题，通过协调解决问题后还可以更新点云，进一步验证调整后的定位点云是否满足设计需求，基本实现边设计边校验的过程，设计成果一次成型概率可接近100%，极大降低了设计返工和修改的概率，缩减了设计耗时。

利用定位点云制作站区管线路径的优势更加明显。由于站区内，尤其是大型枢纽站、动车运用所等复杂场段内，各路风、水、电线路错综复杂，加之场段内可供使用和规划的路间空间狭小，经常出现交汇、避让等情况，综合管线设计难度极大。利用定位点云可最大程度降低设计难度。管线综合集成设计者可在敷设管线的区域内建立等间距立体网格，间距选择可根据精度要求设置，立体网格设置完成后，各专业可在立体网格内通过点选方式选取本专业管线路径通过点，并归集于本专业几何图形集中，设置相应显示颜色，其他专业在选取时可以避免选取相同的路径点，进而避免由于空间几何位置相同而造成返工。与此同时，风、水、电等不同性质的管线也可通过颜色的区别进行设计避让，避免由于不符合相关设计规范而造成设计返工。

空间定位点云提供的空间选点方式为设计者提供了一种便捷高效的设计方法。设计者可快速地对出现问题的工点进行及时修正和调整，既保证了最终交付成果的合理性、安全性、合规性和准确性，又大幅提升了设计修改的效率，减少了设计返工，降低了设计成本。

4 设计优势

4.1 操作便捷、全过程可视化

利用空间点云方式开展BIM设计使操作过程极为简单、便捷，用户只需在空间区域范围内按需进行点选即可完成复杂的设计工作。设计过程完全可视化，同时在多专业协同设计的环境下，可视化设计过程为操作者提供了准确的设计依据和设计方法。全过程可随时根据需要进行调整和修改，大幅提升了BIM设计的效率和质量，满足了当前BIM技术应用的迫切需求。同时，根据最终生成的空间点云，用户对遮挡、碰撞、侵限、管线路径选择等问题的优化将有更优质的体验。咽喉区过轨管线的点云选择见图2。

图2 咽喉区过轨管线的点云选择

4.2 为铁路信号专业未来系统性设计奠定基础

目前，在利用空间点云进行BIM设计的探索中，依然以二维施工图作为设计依据进行参考，空间点云的选取仍然以人工方式进行。对基于BIM技术的信号工程设计来说，诸如联锁关系、信号机显示关系等带有逻辑性的系统设计逻辑植入势在必行。未来在利用定位点云体系的基础上，将联锁、列控关系等以逻辑代码形式形成插件封装，植入BIM设计软件中，以机器语言实现联锁、列控关系等各类逻辑关系，驱动软件自动选取信号设备点云，并最终形成基础设计成果，继而利用基础成果衍生出高级设计成果，逐渐完善铁路信号工程的系统性设计，是利用定位点云的最大价值所在。

5 结束语

通过分析铁路信号专业现有二维设计和BIM设计存在的不足，阐述采用定位点云方式开展BIM设计的优势，探讨该方式的技术优势与潜在价值。通过空间点云这一辅助设计方式将会大幅提升BIM设计效率和质量，全面解决专业间器材设备的物理碰撞、遮挡、侵限、管线路径优化等问题，最终实现信号系统的优化设计。未来，随着采用空间定位点云方式开展工程项目BIM设计，将大幅度提升BIM设计效率，真正实现设计手段从二维向三维的转变。