铁路设计企业信号BIM数据库建设方案研究

张敏慧

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

建筑信息模型（BIM， Building Information Modeling）源自建筑行业，其信息技术的运用将覆盖从项目设计、施工，到建筑物后期使用和维护的全生命周期，实现了建筑物信息全过程的传递和共享，具有可视化、多专业协同、优化设计等特点。目前，工程项目所说的BIM技术则指，采用数据加工工具，在工程决策、建设、实施及交付运营的全过程中，对工程涉及的各相关参建方、各相关专业的各类设施、设备、系统、器材信息，按统一的信息模型进行整合集成。

国内建筑领域BIM相关标准陆续出台[1-3]，2013年12 月，中国铁路BIM 联盟成立，buildSMART组织与中国铁路BIM联盟合作，希望在下一版的工业基础类（IFC）标准中纳入铁路领域的标准化定义[4-5]。目前，铁路信号领域尚未形成实用化、通用性的标准规范，已开展的BIM设计暂设定在三维翻模、台账管理[6]等方面。本文从工程全生命周期角度进行铁路信号BIM数据库建设，着眼于解决信号设计部门BIM系统总体规划、底层数据协同、信息接口与共享、分布实施等技术问题，并考虑与既有标准化规程规范相适配，以期寻找并明确铁路信号BIM建设的总体方向和思路。

1 设计企业信号BIM数据库设置需求

1.1 企业数据库和项目信息模型的关系

项目信息模型贯穿项目的形成、建设、运营各阶段，需考虑纳入项目全过程、各相关方视角的项目资料，在各工作阶段由项目各参与方，包括设计方，对信息模型进行创建、使用和管理，以支持和反映其各自职责的协同作业，为项目决策者、管理者、设计方、施工方、项目验收和接管单位开展相关工作提供全面的基础信息。

设计企业参与工程项目的决策、设计、施工，并与运维部门保持良好的信息沟通渠道，是工程项目全过程的主要参与和见证者，也是项目承前启后的主要的信息构建方。设计企业数据库和项目信息模型的关系示意如图1所示。

图1 设计企业数据库和项目信息模型的关系示意图

由于设计单位与工程的伴随期长、涉及的相关面广，因此，设计企业的BIM数据库建设质量可能对工程项目信息模型的可用性及效率有着一定的影响。

1.2 铁路信号专业特点分析

铁路信号工程具备工程项目的所有特性，还具有系统设备配置繁琐、设备间逻辑关系的实现方式复杂[7]、施工安装项目众多等特点。

（1）信号系统，是重系统设备配置、关注系统间关联性的设备关系型系统。系统设计目标的实现不在于信号设备器材的具体摆放位置，而是通过电气连接关系或计算机网络特定的接口连接关系，实现系统设备间的逻辑关联，并通过各子系统间的信息交互与计算，保证列车在铁路线路上行驶安全。信号系统室内外巨量的线缆及其连接关系是原建筑系统中未予以关注的部分，却是目前信号BIM数据库建设需要重点关注及分步加以解决的问题。

（2）信号系统外部接口众多，分为物理接口和数据接口。物理接口包括沟槽管洞的预留预埋、信号机房空调灯具设置等，可利用上述专业间空间协同设计解决；数据接口包括列控系统对车站站台设置要求、通信通道设置、用电负荷及容量，是一种逻辑约定关系，是设计内部流程需要综合管控的部分。

（3）信号系统作为铁路工程的组成部分，有工程量统计与计算的要求，而信号系统概预算组成条目众多，涉及的材料、器件、设备众多，器材、产品、分项工程、分部工程、单位工程组合的线、面关系复杂。

（4）信号系统新技术、新产品、新工艺层出不穷，使得信号系统配置、设备间连接变化关系呈常态性存在，信号系统设计面对的设备关系不断更新。

2 铁路信号BIM设计的技术条件分析

2.1 信息交互与共享方式

实现项目信息模型共享的最好方法是各专业、各参建方都使用同一平台软件，项目信息可以全面、不失真地在各使用者间展现。但由于不同软件平台的开发和使用历史、针对面不同，不同企业、乃至同一企业内不同专业都会选择最利于自己专业特点的BIM软件使用。

为了使不同阶段，不同应用软件的使用者、项目不同参与方、各相关专业对项目信息中的某个概念有一致的理解，需要有概念和术语定义的国际字典框架（IFD）；为了让参建各方都能获取有相当价值的项目信息，需要借助于一种公开的信息交换标准进行项目信息交换， 一般多用IFC；为了让参建各方提供相当内容信息量的信息模型，需对各方提交的信息内容、深度等进行定义，一般称为信息交付手册（IDM）[8]。

在建筑领域中，由于信息模型运用起步较早，目前，较为通用的IFC中已对建筑物内各种模块的资源、元素进行了充分的定义，有较为详细的模型分类和编码标准，我国已经将IFC纳入国家标准，同时，也出台了建筑模型信息分类与编码等标准[4-6]。目前，此类模块、元素可广泛应用于建筑企业，但是对于铁路相关企业，由于处理的对象、关系、甚至一些资源信息都与建筑行业不同，上述标准和规范在铁路行业无法适用。

2.2 铁路信号信息平台标准化进程及存在问题

中国铁路BIM联盟在推进铁路工程BIM技术中做了大量的工作[9-10]，取得了《铁路工程信息模型分类和编码标准》（V1.0版）（铁路工程IFD）、《铁路工程实体结构分解指南》（V1.0版）、《铁路四电工程信息模型数据存储标准》（铁路工程IFC）、《铁路工程信息模型表达标准》（四电部分）、《铁路工程信息模型交付精度标准》（四电部分）等丰富的技术成果。铁路BIM相关的标准规范中，对铁路信号专业进行了系统的梳理、归类、研究，制定了纲要性的发展方向，但因信号专业自身繁、细的特点，目前，铁路四电工程IFC中定义的系统逻辑关系（端口连接）、实体种类尚未能满足信号全系统项目信息模型的实际需求；分类和编码标准以及交付标准也有待结合工程项目设计、施工、验收、工程概算管理的各项规定进一步深化和修订。

3 设计企业信号BIM数据库建设

3.1 铁路信号BIM数据库建设考虑要素

（1）协调好企业数据库的基础信息分类、数据存储格式等与相关企标、行标的关系，提高企业数据库建设和使用效率；分阶段规划信号专业需要通过三维模型展示的内容，同步规划信号系统各设计阶段配套的数据库。

（2）选择合适的BIM软件，便于实现信号逻辑关系的表述、三维模型的搭建、数据存储和处理、与其他软件的集成等,同时，能方便实现模型分离，易于实现不同建设方、不同专业信息集成与分离[11]。

（3）信号数据库子项，以及各子项的属性类信息需考虑充足的容量及便利的扩展条件；尽量采用参数化属性，便于后期计算机辅助设计软件的实现。

（4）信号数据库的建设除需充分考虑信号自身设计要求外，如信号设备布置与配置、工程量统计等，还需要考虑与土建专业的接口要求。

（5）信号数据库尽量与参建方需求、后续施工运维的信息需求统筹考虑。

3.2 与行业标准的统筹

为了能与铁路BIM行业标准相匹配、更好地满足不同软件平台和不同企业间数据传递的要求，企业信号BIM数据库应尽量参照铁路行业的BIM发展思路进行建设；建设过程中，对行业标准进行分析、总结，对标准的分类、定义提出合理化修改意见建议，为铁路信号BIM行业标准修订、标准的顺利有效推进做好铺垫。

3.3 数据库基本元素分类及工程分类

设计企业信号BIM数据库的基本元素分类建议参照IFD[12]附录F表53中定义的基本工程构件分类，但需对该表中“系统”的分类（例如，联锁系统、列控系统）予以去除调整，补充机柜、机架类细目，以全面的基础信号器材作为基础单元，为后续的上层级聚合准备好基础条件。

以基本元素为基础，参考IFD附录F表54（工项）、表51和52（单项工程）的分类级别，向上层级可参照铁路信号工程中对分部工程和单位工程的分类方法进行线型、面型的分类和聚合方式。将基础元素向上汇聚成分部工程，例如，光电缆线路、信号机及标志牌、轨道电路、转辙设备、应答器、室内设备等；对分部工程按需聚合，例如，聚合为车站联锁、区间闭塞、列控系统、集中监测等。信号基础元素、分部工程和单位工程间的聚合关系如图2所示,其中，单位工程可以根据不同的需求灵活定义，仅需对其包含的分部工程组成进行重新定义。

图2 信号基础元素、分部工程和单位工程间的聚合关系

由于目前铁路四电工程IFC[13]中对信号构件属性、系统间的关系定义暂限于概念定义阶段，设计企业BIM数据库中基础元素的信息定义可以暂跳出IFC实体类的定义，从信号系统设备配置、系统设备间关系、工程设计接口、投资控制角度出发，建立全面的信号构件库，分类规划好各型构件的属性，包括构件的工程归属关系、与信号系统的归属关系类、构件与构件间逻辑关联类、构件自身的几何尺寸类、电气特性类、构件需要的外部接口条件（包括要求外部的、提供给外部的）、构件费用类属性等。其中，对于线缆及其防护工程的几何尺寸（包括空间部署的表达方式）、构件与构件间一对多、多对一、多对多的关系定义都在建筑行业内没有可借鉴的先例，需要研究并创立适宜的、通用的表达形式。

3.4 参数化设计

各类构件、工程在属性定义时，可充分借鉴IFC模型中上层向同层/下层引用的关系、借鉴参数化、层级化计算机开发思路；将用于构件的类型定义尽量抽象化、减少类型种类，通过属性参数的设定扩展某种类型的运用，便于信号BIM未来的计算机辅助设计。

3.5 分步实现策略

工程采用BIM设计已是大势所趋，因此，应该在目前的技术环境下，充分认识和思考铁路信号系统BIM设计需要完成和表述的工程内容，并分阶段最终完成全面的信号系统配置、设备器材间连接关系、全系统空间展示。

信号专业需要面对的两大类处理对象是系统器材设备间关系和物理实体设置类。（1）信号系统器材设备间关系包括设备器材间的逻辑连接关系，以及电源、信息的连接关系（例如室外线缆箱盒间的连接关系、室内组合间连接关系以及电源连接关系等）；（2）物理实体设置类又可细分为信号系统设备和器材本体及后台支撑器材的配置、设置位置、费用等。其中，前者可以以信号构件、工项和工程关系为基本处理对象，用以表达信号设计方案、实现信号设备功能的主体；后者则可完成系统工程量确定、进行全貌展示，实现专业间物理接口、进行空间碰撞监测。针对上述2种处理对象，考虑对信号系统的BIM设计进行二维/多维、专业内/专业间协同、设计-设计/设计-运维、人工/自动化等分步规划、分阶段实施，分步示意如表1所示。

3.6 与信息模型的接口

（1）同一设计企业内部，涉及专业间接口的数据库格式公开共享，可进行专业间信息传递；对于不同专业不同平台上完成的三维信息模型，如果铁路BIM字典、存储标准通道已经打通，则可优先利用相关通用规范中定义的标准实体进行信息资源转换与协同，否则则需自行确定专业间流转的实体格式，以实现不同专业不同平台上信息的协同。

表1 铁路信号BIM设计分步示意表

（2）同理，设计企业项目数据库与项目信息模型的接口，在未来相关标准格式定义完善的情况下，可以利用标准格式进行录入与转出；在目前的情况下，设计企业需根据成果交付需求（包括软件平台需求、成果内容及深度需求），将提交给项目信息模型的内容、按指定平台的数据格式要求进行格式转化，满足项目信息模型的需要。

3.7 发展与展望

铁路信号技术发展迅速，新技术不断涌现，信号系统全电子化、设备精简集成化趋势初现。新的信号技术会简化信号系统设备器材间的连接关系，降低BIM中设备器材关系类的处理难度。同时，铁路信号工程相关BIM的标准也将更快、更易建立和推广，信号新技术与BIM设计会相辅相成不断推进。

目前，信号工程设计领域中计算机辅助设计软件水平较高，信号BIM设计也可延续并延展原二维设计领域中的相关设计思路，将原计算机辅助设计的思路运用在信号工程信息模型的建设上，利用目前数据库建设的参数化设计思想，陆续完成信号BIM的计算机辅助设计。

4 结束语

本文从工程全生命周期的视角、结合信号专业特点，梳理设计企业BIM数据库与整体项目信息模型、相关规范标准间的关系，在专业整体规划层面上提出信号专业BIM数据库建设的基本原则、基础元素分类、工程分类、参数化设计、接口设计和分步实施方案。受限于笔者BIM的视野，同时，由于信号技术不断发展，文中相关观点和意见有待进一步商榷与实践。