加快BIM技术创新应用构建标准化、智能化设计体系

文｜刘晓奇 赵军甫

BIM 被定义为由完全和充足信息构成以支持全生命周期管理，并可由计算机应用程序直接解释的建筑工程信息模型。我国在《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》第一次明确提到BIM 技术，并强调加快普及BIM 应用。2013 年6 月，中国铁路总公司在全路工程建设信息化推进会议上确定了开展铁路BIM 技术研究的总体规划；同年年底，铁路BIM 联盟应时而生，制定、发布了一系列BIM 技术标准和BIM 实施标准，通过部署试点项目的方式积极推进BIM 技术在铁路工程设计、建设、运营全生命周期的应用。

BIM 设计软件是铁路BIM 技术研究应用的基础，目前占市场份额较多的几家BIM 软件均有较强的精细建模能力，但普遍存在国外软件本地化程度不高的问题，还需在平台原生功能的基础上结合标准与专业特点进行二次开发。国内各家铁路设计院已陆续对桥梁、隧道、路基、轨道等站前专业及电气化等站后专业的BIM 设计软件二次开发和应用进行了研究，而针对铁路信号BIM 设计软件的相关研究还相对较少，因此开展结合铁路信号专业特点和BIM 设计应用特性的铁路信号BIM 设计技术研究很有必要。

数据驱动BIM 正向设计发展

目前，一些BIM 设计流程往往是先完成施工图，然后根据施工图再建立三维模型，也就是我们现在说的“翻模”；而BIM 正向设计则是在项目从草图设计阶段至交付阶段，全部过程都是由BIM 三维模型完成。采用“翻模”的设计方式效率低，不完全符合正向设计的要求，但目前限于标准和规范不完善、BIM 技术发展的现状等，还很难做到完全意义上的BIM 正向设计。因此，研究一种既可以取代“翻模”方式，又可以推动BIM 正向设计发展的准正向设计技术具有很大的现实价值。

二维信号辅助设计软件起步较早，经过多年的技术积累和沉淀，已经形成完善的信息化辅助设计系统。既有辅助设计软件采用产品数据管理 (PDM) 的技术进行统一管理形成系统，系统基于基础字典库、设计数据库、接口数据库进行设计工作，在生成图纸成果的同时，生成标准化的设计数据成果并存入成果数据库中。同时，辅助设计系统进行信息化改造时，考虑了为BIM 设计预留数据接口，为后续进行信号BIM 设计软件的开发创造了有利条件。

图1 BIM 设计流程图

图2 数据驱动技术路线图

数据驱动的技术路线。基于Bentley 公司核心建模软件MicroStation，采用以数据驱动为核心、BIM 标准为基础、设计需求为驱动的技术路线。重点围绕专业数据标准化建构、快速自动化建模、二三维联动出图算量及BIM 成果应用等几个方面分阶段、分模块开展专业化软件功能定制开发工作。以信号专业数据库（专业设计数据库、项目设计数据库及专业数据字典）为核心，以信号BIM 构件库和二维图库为基础，构建BIM 设计模式下系统化的设计方法、软件工具和作业模式，实现信息化模型的快速创建及数字化成果表达。

图3 软件总体架构图

以信号机的BIM 设计为例，首先进行二维CAD 设计，确定编码、图块、坐标、名称、所属轨道、连接关系等信息，进而在三维车站线条图中，首先调用设计数据和查询数据字典，然后进行坐标变换、构件库映射和调用以及编码补充等工作，确定信号机和箱盒的模型、平面位置、高程、朝向和其他相关信息，最后将站场BIM 模型参考进来完成信号机的初步设计，进行计算机智能校审和人工审核后对数据进行完善修改更新，最后实现二、三维设计的同步更新。

关键技术赋能全专业、全参与方协同设计

软件总体架构。为了降低系统模块间的耦合度、提高代码复用，软件采用经典的三层架构模式，即表现层、业务逻辑层和数据访问层。表现层主要是指与用户交互的界面，用于接收用户输入的数据和显示处理后用户需要的数据。业务逻辑层是表现层和数据访问层之间的桥梁，实现计算、分析、验证等业务逻辑。数据访问层负责将存储在数据库中的数据提交给业务层，同时将业务层处理的数据保存到数据库。

标准化技术。依据相关标准，编制企业级的《BIM 设计成果交付标准》《BIM 设计流程和数据接口暂行规定》等标准。研究专业结构树组成与构件划分，制定划分最小设计单元和建立专业结构树技术原则，形成最小构件结构树，并对结构树成果进行结构化，形成专业节点XML 文件与节点属性结构化数据。

按照简明性、唯一性、可扩充性和实用性的原则，基于专业结构树对最小构件进行结构化编码。构件模型的属性信息统一在数据层面解决，包括标准的基础信息和具体的工程信息。编码作为重要的属性信息，将编码和构件的实际存储ID 相关联，自动建模完成后，可通过工点各构件编码重构工点工程的专业结构树，实现构件模型的定位、查询、修改、更新等管理功能。

数据库技术。以实现BIM 信息化为目标，建立了完整的数据库，并以核心数据为基础，开发了一系列BIM 设计和应用软件，既有辅助设计软件、核心数据库和BIM 设计软件，三者是互相关联、动态地构成了一个整体。创建云平台的关系数据库及处理点、线、面、体等对象的空间数据库，实现设计信息及模型信息的分类处理，提高平台响应时间。

由于铁路工程专业较多，在数据库设计时，需要考虑各专业间数据的一致性，采用云平台的关系数据库，通过现场总线、工业以太网、以太网、无线局域网等，构建多协议、多类型融合的信息传输网络，实现系统间的数据传输。通过统一访问接口，处理数据信息，实现各专业间数据共享。针对BIM 设计中大量的三维空间信息，创建空间数据库。利用空间关键字查询(spatial keyword search)，通过将空间位置与文本结合，查询同时符合空间和语义条件约束的对象，将空间索引与文本索引或位图技术相结合构成混合索引结构，支持同时对空间和文本数据的查询以减少搜索范围。

云服务同步机制。建立本地数据库与企业私有云服务数据库的同步机制，建立云端构件库和空间库，实现数据的同步与共享，实现专业内、专业间和院内外协同设计。

云端构件库的构件种类覆盖常用类型，构件信息按照数据存储标准编制，支持标准化构件批量调用、导入、在线查看和修改。云端的空间库涵盖主要前置专业的常用尺寸空间模块，用于搭建基于参数驱动的低精度前置专业模型，以便满足信号专业独立场景下进行的BIM 设计和应用需求。

图4 云服务同步机制网络图

构件库与空间库的组合设计能够满足基于云端的数字化高效设计需求，并通过设计平台接入院协同设计平台，为全专业、全参与方协同设计提供便利的交互条件。

铁路数字工程的要求主要包括以下几方面内容：一是属性较为完善，需从设计阶段到施工阶段至运营阶段全过程的属性；二是部件分解符合IFD、工程分解符合EBS；三是数字工程的几何属性符合设备真实信息；四是数字工程的空间位置符合工程的真实信息。

国铁集团工程管理中心下发通知，以酒额铁路、西十高铁数字工程认证试点为依托，以四电工程为先导，建立铁路数字工程认证体系。依托试点项目，软件通过分析铁路工程的实际需求，结合设备及工程（建筑工程、安装工程）要素，按照数字设备及数字工程两大类生成信号BIM设计成果，在酒额铁路数字工程试点项目中形成了《铁路四电专业数字工程属性信息检测标准》《铁路四电专业数字工程空间信息检测标准》及《四电专业数字工程检测细则》，初步验证了满足设计期给施工期交付的数字工程信息模型要求和工程建设全生命周期应用需求。

数据融合 提升信息化、智能化程度

基于数据驱动的设计软件通过数字信息创建铁路信号站场BIM 模型，将厂家信息、设计信息等数据融合进BIM 模型，形成动态可维护的满足BIM 全生命周期应用的数字工程模型。基于对信号BIM 设计的分析和应用，实现设备自动布放、工程量统计等功能。基于整体数据架构，在MicroStation 平台上进行二次开发，实现相关BIM 设计功能。

基于数据驱动的铁路信号BIM 设计平台，已在银西高铁、西十高铁、酒额铁路、西宁至成都铁路等项目中进行了试点和应用，目前正在济滨高铁、南玉高铁等项目进行推广应用，实现了信号车站室外、区间室外设备的快速建模，大大提高了设计效率，同时软件平台在构件库完善、自定义属性信息、目录树管理、数据互用及提取等方面得到了优化。

以西十高铁为例，西十高铁线路正线全长265.771km，其中新建正线全长259.717km。针对该项目信号专业BIM 设计需求，完成以数据（库）为核心的工程图纸出图、算量、模型创建等关键技术及实施方案的研究及实践。

主要工作流程：设计所需资料输入（本专业资料、协同工作平台中各专业互提资料等）→BIM 模型创建→BIM 模型应用（虚拟展示、查询定位、设计优化等）→成果交付（信息化BIM 模型）。

图5 BIM 设计流程图

图6 BIM 设计成果例图

BIM 设计：按照“接口数据获取→数据建立→模型设计”的流程进行专业BIM 设计工作。读取车站平面设备布置图、电缆径路图的成果数据，识别车站三维线条图，根据所属轨道、线路中线、轨面高程、路基截面等计算水平、垂直方向偏移量，确定信号设备位置，依据计算分析及信号专业对设备的空间要求进行快速建模。

BIM 模型应用：利用自研的轻量化平台，进行信号专业的BIM 模型应用，如细部设计展示、设备检索定位、碰撞检查、优化设计等应用。

针对铁路工程项目的特殊性，充分利用既有辅助设计成果和新技术赋能，解决铁路信号BIM 设计标准化、信息化和自动化的问题。该平台实现了取代传统翻模方式的同时，基本实现了BIM 正向、协同设计的目标，填补了国内外各主流BIM 设计平台BIM 设计专业化和本地化的空白，对推动铁路设计行业BIM 正向设计技术的发展发挥了一定的积极作用。当然，铁路工程项目BIM 设计技术研究工作仍存在不足，从行业角度来看，铁路BIM 技术标准将逐步完善，以此为基础，构建标准化、模块化、智能化设计体系，加快BIM 技术创新和应用，以点带面实现铁路全专业BIM 正向设计将成为未来发展方向。