BIM技术在鲁南高铁信号工程项目中的应用

王怀松，邹少文，杨 城

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技术的应用是目前铁路设计行业的一大发展趋势。对于铁路信号专业，在BIM技术的支持下可以数字化建造一个准确的信号系统应用场景，该技术为铁路信号设计、施工、运营整个生命周期提供更高效、更科学的分析和设计模式[1-2]。当信号系统模型建立后，由计算机产生的包括精确几何结构和数据信息模型可支持信号系统的整个设计、施工、运营周期及模拟系统真实的施工、运营过程。与传统二维信号、通信、信息和灾害监测系统相比，信号、通信、信息和灾害监测系统BIM技术在协同设计、信息化管理、自动统计、关联修改、设计变更、碰撞检测、提高质量等方面具有明显优势[3]。目前，各铁路设计院已经开始大力发展BIM技术，中国铁路总公司已明确要求各大设计院参与编制和验证相应BIM技术标准，利用设计院的系统和体系优势进行各专业的BIM应用研究。铁路信号专业作为重要的站后专业，目前已通过在鲁南高铁等实际铁路工程项目中推广BIM技术，解决了很多传统二维设计中出现的“差、错、漏、碰”等问题，提高了铁路信号专业设计质量与效率。

1 铁路信号BIM技术路线

1.1 技术路线

鲁南高铁BIM项目应用范围为“两站一区间”，2个站场包括曲阜东和临沂北，2站之间的区间正线长度为138 km。本项目铁路信号工程的设计以线路、桥梁、隧道、轨道、房建等站前专业模型为基础，在站前专业模型的基础上布置铁路信号室内外设备。然后通过各专业模型总装开展各专业内及专业间的碰撞检查，从而发现设计中存在的不合理之处，并在施工前及时修正。待模型总装、修改、固化后，可在总装模型基础上开展施工模拟、工程量统计、仿真检测、二维出图等BIM工程应用。铁路信号BIM技术总体路线见图1。

1.2 软件平台

目前，支持BIM技术的软件平台很多，如欧特克、奔特力、达索等。本项目根据铁路实际情况选择奔特力系列软件作为BIM应用平台。奔特力系列软件具体包括建模软件Microstation、信号三维布置软件Substation、线缆设计软件BRCM、碰撞检查和施工模拟软件Navigator等。本项目基于一个平台（BENTLEY）、一种数据格式（imodel）、一个模型的理念进行全专业BIM设计。

2 构件建模

构件建模是开展所有BIM设计和应用的基础。首先需分析讨论细化信号专业模型需求；其次收集信号专业设备类型、参数规格、现场图片等相关资料，在BIM建模软件中设计各类设备的三维模型，根据现有施工图设计资料，按《铁路工程信息模型交付精度标准》完成施工阶段精度为LOD3.5模型的建模，最后形成信号专业的构件资源库[4]。在之后的项目中可直接调用构件库中的构件进行三维可视化设计。其中，信号专业设备构件主要包括各类信号机、各类信号箱盒、转辙机和各类系统机柜等。本项目采用Microstaiton软件进行构件的三维建模。信号专业构件建模效果见图2。

项目构件库中的构件需要统一命名规则，构件的分类和编码规则参照《铁路工程信息模型分类和编码标准》。构件命名由专业代码、设计阶段、构件名称、专业补充代码、顺序号组成。专业补充代码根据需要可进行分级扩展，分级间采用“-”分隔，构件名称按照《铁路工程信息模型交付精度标准》模型名称首字母进行命名。本项目中构件命名规则为：专业代码（TH）-设计阶段（YK、KY、CS、SS）-专业补充代码（XH）-构件名称-顺序号（具体见表1）。

图2 信号专业构件建模效果图

表1 信号专业构件命名

3 属性信息附加

3.1 属性信息内容

BIM的核心在于“I”，也就是“信息”的传递。首先需要整理不同构件在不同设计阶段的属性信息需求，在本项目中属性信息分为项目信息和构件信息两大类。其中，项目信息是对项目的整体描述，包括项目识别号、项目名称、所在位置（里程/坐标）、项目所处阶段、设计数据等；构件信息包括基本描述、定位信息、几何信息、技术信息、组织角色、项目属性、生产信息、资产信息、运维信息等。属性信息内容见图3。

图3 属性信息内容

图4 附加属性信息的步骤

图5 查看附加的高柱进站信号机模型 属性

3.2 属性附加步骤

构件或组合模型的属性信息均应按照IFC信息存储的相关要求进行附加，包括信息类别和信息存储的格式。在附加属性信息前，需要利用Class Editor软件编制铁路信号专业的schema属性文件，这个属性文件包含了上述项目信息和构件信息。在对构件附加属性信息时，在Microstation软件中导入编制的schema.xml文件，然后通过IFC Manager插件，即可利用“ifc imodel attach”命令给每个构件附加属性信息。为构件附加属性信息的步骤和示例见图4、图5。

4 信号设备三维可视化

铁路信号专业在站前专业的模型基础上完成室内外信号设备的三维布置。对于室外信号设备来说，可以线路中心线为标准，沿线路方向按照相关规范的限界要求进行设备布置。目前来说，现有奔特力软件还未提供针对铁路信号专业沿线路方向布置设备的功能，需二次开发。具体软件操作中，用户通过输入相应信号设备类型、设备对应里程值等参数，程序自动将该设备布置在轨道旁正确位置（见图6）。信号三维布置软件不仅支持单个设备的放置，而且支持集中输入同一类设备的不同里程标等参数后集中布置。例如，集中输入某条线路的信号机对应里程标后，立即自动正确布置好该线路所有信号机三维模型。对于信号室内设备的可视化，主要包括各种机柜的布置，通过在软件中输入机柜类型、机柜数量、机柜尺寸、柜间距、机柜距墙距离等参数，自动完成室内机柜模型的布置。

图6 鲁南高铁项目信号室外设备可视化

5 碰撞检查

5.1 碰撞检测内容

本项目中铁路信号专业着重关心的碰撞问题包括：道岔转辙机与其他线间设备及线路距离的碰撞检查、室外信号管线与其他设备基础的碰撞检查、信号设备安装基础与水沟的碰撞检查、过轨管与水沟的碰撞检查、其他室外信号设备的超限检查等。工程项目中的碰撞分为硬碰撞和软碰撞。硬碰撞指实体与实体之间因直接接触或嵌入而产生的实体碰撞；软碰撞指实体构件之间因不满足一定的间隙或距离而产生的碰撞[5-6]。

表2 碰撞检测结果

5.2 碰撞检测方法

本项目中碰撞检测方法可分为静态检测方法和动态检测方法。静态检测方法直接通过软件检测构件与构件间的硬碰撞和软碰撞；动态检测方法通过建立动态检测模型检查构件与构件间的软碰撞。具体应用中可根据不同的检测内容选择不同的检测方法。

（1）静态检测方法。利用奔特力软件自带功能或二次开发插件检查设备安装位置的正确性，用户选择或输入碰撞检测规则，输出碰撞检测结果及优化改进方案。例如，室外信号设备的安装位置检查可先依据信号室外设备安装图册中各设备的安装要求确立好检测规则，然后通过软件或插件进行检测并输出结果。

（2）动态检测方法。主要针对室外信号设备的超限检查。首先需根据铁路建筑限界建立建筑限界模型（见图7），然后在Navigator软件中将该模型沿线路中心线依次进行扫描，利用Navigator软件中的动态检测功能完成动态碰撞检查。在该过程中，实际是将软碰撞转换为硬碰撞进行检测。

5.3 碰撞检测结果及优化

在本项目的碰撞检测中，同时采用静态检测方法和动态检测方法，检测中主要发现了2类碰撞问题：转辙设备与站前专业模型的碰撞检查、室外信号设备的超限检查。碰撞检测结果见表2。

（1）转辙设备与站前专业模型的碰撞。在二维信号平面布置图设计中，由于不能直观参照站前专业模型，可能会出现设备位置和站前建筑冲突的情形。本次检查出的转辙机（京沪场W2道岔处，里程：K537+023）与轨枕产生实体碰撞。针对此碰撞，建议信号专业将转辙机布置于线路外方。转辙设备与站前专业模型的碰撞见图8、图9。

（2）室外信号设备的超限检查。为保证在信号机两侧放置箱盒的空间位置，本次设计中信号机距线路中心线的距离取2.4 m，导致在此位置存在侵限的可能（该处曲阜东（京沪场）的D102信号机，按照原二维图设计将侵限D104G）。建议首先确认该处调车信号机与警冲标的位置，如果信号机不满足警冲标后方3.5～4.0 m的距离要求，则适当调整信号机位置，或直接参考警冲标位置布置调车信号机。室外调车信号机的碰撞见图10、图11。建筑限界模型

图7 建筑限界动态检测模型

图8 线路中转辙机三维模型

图9 原二维设计转辙机W2位置示意图

图10 线路中信号机三维模型

图11 原二维设计中信号机D102位置示意图

6 结束语

结合鲁南高铁BIM项目提出铁路信号专业在工程设计中的BIM技术路线，介绍构件建模、属性附加、三维可视化、碰撞检测等具体的BIM应用内容和方法步骤。实践证明，通过应用BIM技术，可在一定程度上解决传统二维设计中难以发现的“差、错、漏、碰”问题，BIM技术的优势已逐渐体现。但由于目前铁路行业的BIM应用尚处于初级阶段，BIM软件功能和相关标准、规范还不够成熟，还需在以下方面进行研究：

（1）目前支持BIM技术的软件功能有限，缺乏专业化、本地化软件功能。未来需进一步加强不同专业的本地化BIM软件功能的开发。

（2）BIM技术应用过程中缺乏相关标准、规范的支持。首先，需进一步完善BIM相关标准体系，通过各类相关标准的制定和完善，特别是关于信息存储格式的统一，能够极大促进工程数据信息在各软件平台、各设计环节间的流动，而这需要各大软件供应商加强对BIM标准的支持力度，以确保BIM应用中全生命周期的信息传递。