基于三层架构的铁路信号BIM设计技术路线研究

韩旻志

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

2019年的世界互联网大会更加坚定了全民数据共享、万物互联的信心，因此社会各个经济实体搭建统一的信息化平台成为共识[1]。BIM设计理念是信息化在工程建设领域的实施总纲要，以BIM为核心思想的设计系统不同于以往的二维CAD辅助设计系统，应当突出BIM中Information的基本理念[2]。从以图纸为基本信息单元转变到以面向对象化实体为信息单元的设计理念，同时需要融合设计习惯及标准设计流程，并基于三维图形引擎更精确地实现设计成果可视化与设计联动，从而提高设计质量与效率[3]。

2013年中国铁路总公司明确将BIM技术作为铁路工程建设信息化的主要技术发展方向[4]，强调加快BIM技术推广和应用，切实做好建设模型向运维模型的移交和运用，也是构建数字铁路的必然选择。为此，中国铁路BIM联盟主持研究制定了铁路BIM标准体系框架，发布《铁路工程信息模型数据存储标准》《铁路工程信息模型分类和编码标准》[5-6]等系列标准，组织开展铁路BIM应用试点，推动BIM这一革命性新技术在数字铁路建设上的深度应用研究。

铁路工程项目的信息化需要体现在立项、设计、施工、运维阶段全流程。基于BIM技术，工程设计作为工程项目上游阶段可以建立更加严格规范的共享工程数据，为工程下游阶段提供数据接口，从而逐步实现铁路工程全生命周期数据管理与信息化[7-8]。

2 铁路工程设计BIM应用现状

从铁路工程设计的应用来说，BIM技术的三维化、可视化特性能够有效满足铁路工程多专业协同设计的需求，同时实现自动规范性检测以及工程量、定额等计算[9-11]。但在建模过程中存在采用间接的翻模方式、建模效率低等现象[12]，仍需要探索高效可行的建模模式[13-16]。

铁路行业对BIM技术的探索仍处于初步阶段且各专业发展程度参差不齐[17]。BIM在车站站房设计应用较多，而车站站房设计仅是铁路工程设计的一部分，大量的设计图纸包含桥梁、隧道以及铁路通信、信号、电力变电、接触网等专业。对于铁路其他专业，BIM设计的大量成果尚基于二维图纸的翻模方式，设计人员根据二维设计图纸重复绘制各种铁路设备的三维模型，无法发挥BIM技术的各项优势。在“建筑工业化背景下BIM应用障碍分析”[18]中指出，BIM设计过度精确、束缚创造力是阻碍BIM在工程设计行业中的应用障碍之一。

特定的三维建模平台不能满足铁路所有专业设计的需求[19]。BIM在建筑领域基本形成较完整的技术体系，以Revit平台为代表，该平台集成了建筑结构设计所需的基本框架，并提供了丰富的族库方便设计人员选用，但参数化定制建模的灵活性不足，几何基础平台可操作性较弱。Microstation平台提供了较基础的建模平台，在三维形态设计上给予用户更多的灵活性，然而在专业基础应用单元的聚合程度却不足，用户使用过程中缺口较大，学习成本较高。Rhino[20]在异形建筑上能够实现独特的异形结构和参数化建模的需求，能够弥补特殊的建模需求。同时在一些工程应用中还需要2种甚至3种以上建模软件的结合应用，这导致在格式转换过程中难以避免数据损失。目前，所有BIM软件公司都不是从事铁路行业软件开发的软件商，不能很好地适用于铁路工程，必须要做铁路行业的定制和专用模块。

2.1 专业应用分析

基于数字化设计系统的铁路站场BIM自动化建模研究[21-22]中采用了标准化单体构件模板以及设计方案数字化的方式，通过站场数字化设计成果数据库中记录的设备定位信息等各种设计信息，并开发站场自动建模插件来完成快速创建站场BIM模型。这种方式在一定程度上解决了往常BIM设计应用的2个问题，一是要先完成标准设备构件，再结合二维设计图，采取手工的方式将标准设备构件录入三维建模软件；二是设计方案无法实现数字化存储与建模过程中重复效率低下的缺陷。

在基于Bentley平台的铁路桥梁BIM设计系统[23]中，突出了设计系统参数化与桥梁构件特征化的重要性，以桥梁标准构件库的形式简化桥梁设计，构件的参数化提高了设计灵活度，设计人员通过简明的参数配置界面即可完成大部分桥梁设计；基于BIM的三维参数化桥梁标准建模方法[24]研究引入国际IFC框架，提出BIM桥梁施工管理标准化技术模型，为桥梁标准建模提供标准数据框架；BIM技术在高速铁路接触网工程中的应用[25]研究中以建立电气化接触零部件三维族库为基础，开发了腕臂理论计算插件，实现腕臂的可视化、参数化装配；BIM在信号系统工程设计中的应用探讨提出了3阶段方案，由二维图纸逐步过渡到三维BIM模型，但仍需要借助翻模方式来实现BIM模型交付[26]。

2.2 BIM应用总结

综上所述，目前在铁路行业不同专业BIM应用中均强调了BIM设计中参数化的思想，极大程度上可以简化BIM设计建模工作，而参数化的实现需要依赖特定的建模平台。各专业建模平台的选择不能完全统一，并各具优势，对于项目整体的数字化交付不利。同时，如果仅针对设计成果实体进行参数化，BIM设计成果仍然不能完整实现工程设计信息化。

3 层次化思想构建

根据EASTMAN首次提出的建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的概念，即以三维模型为基础，实现建设工程项目物理特性和功能特性的数字化表达[14]。BIM模型不仅仅要体现在三维模型，更重要的是物理特性和功能特性的表达。物理特性和功能特性需要在非三维化的设计方案中体现，并存在持续变动和改进的过程，而对于很多非三维化的设计方案如果强加在三维建模软件中实现，能够为用户提供的可操作性较低，冗余学习成本增高，成为阻碍铁路行业BIM设计应用发展的关键因素之一。

因此，BIM的应用需首先厘清BIM数据的层次关系，判别三维信息与非三维信息，并针对不同工程专业的应用需求进行合理的建模模式设计，同时在设计过程中引入设计模式的概念，通过设计模式的提炼，以层次化的方式分步实现业务逻辑关系[27]，从而进一步实现快速建模以及数字化设计的流程管控。

以铁路信号专业为例，铁路信号专业根据勘测调查与资料收集的调查结果进行车站信号平面布置图的设计，据此产生联锁表、电缆径路图、组合连接图及组合排列表等数据，根据信号设备数量再进行室内设备布置图的设计[28]。

在BIM应用实施中，信号专业设备需要搭载在线路、站场以及房屋建筑提供的站前模型中，以此为专业间接口检查提供可视化解决方案。然而采取手工直接在三维BIM建模软件中逐步放置信号设备、箱盒以及电缆，对于设计效率的提高并无效益。且信号设计更加侧重逻辑关系模型而非逻辑实体，这与桥梁隧道及房建专业的设计结果以实体形态为设计标准有很大不同。信号平面布置图在站场平面图基础上以特定的抽象方式提取出适用于信号设计的站场平面图后，再进行信号设计内容的叠加，这种抽象过程对于信号设计提高效率具有重要作用。因此，对于BIM“所见即所得”的特性优势并非能够体现到铁路信号设计全流程，而在设计联络阶段进行专业接口审查时具有较高的应用价值。

在铁路信号设计实践中，以铁路信号室内设计过程为例，提出基于三层架构的数字化设计系统，将BIM实施路线作为解决弱三维化特性专业在BIM设计应用中兼容问题的办法。

三层架构的数字化设计体系划分数据层、业务逻辑层以及表现层，将三维及非三维的设计数据加以有效区分，分别形成独立的BIM业务层级，各层级之间以服务的方式进行交互，如图1所示。每个设计主题区分决策性数据与结果性数据，设计主题代表在二维设计中一种特定的业务图纸，比如，通信信号设计中平面布置图主要针对设备布设位置设计，而设备之间的关联设计在其他设计图纸反映。通过设计主题区提炼业务方案设计模式，关注设计企业在数据存储以及业务逻辑实现方面的自由度和独立性，在三维实体呈现上实现表现层与业务逻辑层的隔离，并与特定三维建模软件实现弱耦合性；同时兼顾国际IFC标准，设计数据导出为标准设计交换格式，形成完整可控的BIM设计流程及可交付的BIM数据。

由于严格区分决策性数据与结果性数据，对数据流进行有效的管控，数据实现可追溯性，亦可实现业务逻辑的事务触发。当数据源有改动时，业务逻辑关联部分即产生既定的触发行为，并根据事务层级的界定决定是否采取人工干预。

图1 三层架构模式

4 三层架构系统设计

4.1 数据层设计

数据层设计主要考虑3方面内容，其一，为上游专业提供数据接口的存储服务，其二，为本专业设计成果实现持久化存储，其三，为三维平台以及下游专业提供数据接口服务。同时，数据架构的设计应当采取与《铁路工程实体结构分解指南》和《铁路工程WBS工项分解指南》兼容的模式，增加《铁路工程信息模型数据存储标准》和《铁路工程信息模型分类和编码标准》的内容，以便于从数据层和IFC系列标准数据交换格式进行对接。设计过程中产生的设计数据在对象化之后附加于由存储标准划分的实体数据中，为每一个工程实体明确唯一标识码，并加以引用，以此确保设计数据的分层管理。

数据库设计可以兼容结构化与非结构化数据，以涵盖信号设计中出现的各类数据。对于规范标准的数据可采用结构化存储模式，而对于说明性的内容可借助非结构化存储模式。这样，既可以保存国际IFC标准框架中缺失的设计信息，同时将设备模型构件库纳入数据库框架中进行管理，方便软件统一灵活调用。同时需考虑数据库并发控制，以减少数据的读写错误及数据丢失。

4.1.1 室内信号设计数据流

信号室内设计在铁路信号数字设计体系中承接于车站联锁设计之后，需要提取联锁设计的输出数据，具体流程如图2所示。

图2 信号设计数据流程

4.1.2 室内信号设计数据层

将铁路信号室内设备自动布放软件的数据层设计纳入到铁路信号数字设计体系整体数据层规划中，以便于体系内各设计软件之间的数据对接，数据存储内容如图3所示。

图3 信号设计数据库

4.2 业务逻辑层设计

业务逻辑层设计主要实现专业设计内在逻辑算法，采用面向对象的分析方法，构建设计BIM输出成果与国际IFC标准相兼容的软件实体结构。

业务逻辑层实现模式设计的理念，可提高设计效率，设计模式在积累设计数据的前提下逐步形成并内化于算法当中。例如，以工厂模式创建一系列设计模板数据。

信号室内布置软件的业务逻辑层主要内容包括：设备的排列算法、线槽的排列算法、相应的经验算法及缺省模式算法，数据接口模块对输入输出数据进行管理。

4.2.1 数据接口模块

为实现从数据库中提取上游设计成果，在进行信号室内设备设计前，对车站联锁设计数据进行数据导入，可同时引入事件驱动机制，快速发现设计数据的差错漏碰，确保数据同步。

4.2.2 设备排列模块

设备布列模块提供参数化设计界面，并以缺省的设备排列模式方式进行展现，方便设计人员调整设备排列顺序。在已有规范控制值要求的情况下，亦可由设计人员灵活掌握取值范围。

设备排列模式需要考虑以下因素。

(1)设备排列顺序，设计过程中考虑设备间连接关系的影响，部分设备需要连续摆放，以减少工程复杂度。

(2)设备间距，根据《铁路信号设计规范》[28]及《电子信息系统机房设计规范》[29]，信号机械室、计算机机房的设备布置间距应该满足以下要求：机柜(架)排与排的净间距≥1 m；机柜(架)、控制台与墙的净间距，主通道≥1.2 m，次通道及尽端柜(架)≥1 m；电源屏排与排或电源屏与机柜(架)的净间距≥1.5 m，电源屏与墙的净间距≥1.2 m。

(3)设备对齐模式，每排设备可以选择是否居中排列，默认采取从靠近机房门口侧开始顺序排列。

(4)设备自动编号，根据TB/T10058—2015《铁路工程制图标准》[30]，信号机械室内设备编号应符合下列规定：组合柜面对组合柜的正面，由近及远、从左至右的顺序进行编号，并以二位或三位数表示；电源屏及其他设备应以代号或者代号附缀号进行编号。

软件提供的参数化设计界面均有默认的设计模式可进行缺省设计，同时提供灵活的修改接口便于设计人员进行局部修改，从而形成完整的数字化设计结果。

4.2.3 智能对齐模块

设备布列模块产生的布置结果基本可以满足设计要求，在特殊情况下设计人员会调整个别设备机柜的位置。在图面上调整存在精确度不够，重复性工作多、效率低下的问题，软件提供智能对齐模块，在设计人员提供大致设备调整位置后，一键对齐所有设备，提高排列结果的准确性，为BIM呈现提供准确的设备位置。

4.2.4 线槽模块

根据设备布列模块的布置结果，软件提供自动配置线槽的功能，线槽的布设需要考虑上、下走线方式以及间隔距离，通过选择线槽的布设模式，选择上下走线、间隔距离等参数，进行自动搭接设备机柜间线槽走向。

4.2.5 排列视图模块

根据设备布列模块自动计算的结果，排列视图模块用来展示抽取关键几何信息的抽象图形，显示设备及线槽布列结果，方便设计人员进行设备布列设计结果调整。由于室内排列设计在二维维度即可表达设计意图，视图模块采用了轻量的二维几何引擎进行开发设计。在表现层设计中设计人员仅需针对设计实体三维细节局部加以优化，从而提高BIM设计效率。

4.3 表现层设计

表现层主要是为了体现设计结果，尤其是三维化的设计实体成果，由于铁路信号专业在三维平台上可以模拟展示实际工程场景中的实体布置状态，故可以检查本专业设计结果与其他专业设计成果间的接口是否满足。表现层可以同时引入设计接口规则，由于业务逻辑方面的计算压力已经提取到业务逻辑层，将业务逻辑层与表现层通过数据服务的方式进行连接，减轻三维平台的计算压力。三维模型展示平台的选择具备多平台适应性，信号室内设计成果独立存储于信号设计数据库中，可以选择Revit、Bentley或其他三维建模平台。

4.3.1 数据接口模块

表现层数据接口主要读入业务逻辑层输出的设计成果信息，主要包含设计成果实体的定位信息、属性信息以及各类设计成果信息。设备模型库在数据库设计中进行统一管理，在调用过程中可方便取用。

4.3.2 自动生成BIM模型模块

最终形成的三维模型设计结果功能采用了适配器模式，开发不同三维建模软件的功能接口。生成的设计模型根据设计数据交换规范，从数据库自动读取相应的属性信息作为成果展现，为设计成果审查提供信息。

4.3.3 专业接口审查模块

在三维模型中可以实现铁路不同专业间接口的规范性核查，如：①核查其他专业预留接口是否符合信号专业设备布置需求，如站场专业提供的“转辙机基坑、预留的电缆槽、过轨槽”等；②核查存在的碰撞问题，如房建结构物是否与信号设备有碰撞，是否满足信号设备限界条件，与接触网等其他专业设备之间距离是否满足电气规范要求等。审查算法可采用三维建模软件通用的碰撞检查模块，通过参数定制碰撞检查表进行逐一核查。

4.4 实例应用

以银西高铁宁县车站为例，通过铁路信号室内自动布设系统对车站室内信号机械室、信号计算机室设备及线槽进行参数化排列设计，形成设计成果保存至数据库，并结合在Microstation软件平台上开发的数据接口插件，导入室内设备设计数据成果，快速生成室内设备BIM模型。该实例完整实现数据层、业务逻辑层、表现层之间的数据流转，通过数据层提供提入数据，通过业务逻辑层实现室内设备及线槽的模式生成，通过表现层实现二维及三维图形平台中的模型展现。全流程中人工干预部分仅限于在参数化界面，全面提高建模效率。自动布设系统采用的业务逻辑层参数化设计界面如图4所示，生成的三维展现层BIM模型局部示例如图5所示。

图4 信号室内设计业务逻辑层设计界面

图5 信号室内设计表现层BIM模型自动生成实例

5 结语

通过对铁路各专业BIM设计应用实践的分析与归纳，研究并探索了基于三层架构数字设计体系的铁路BIM设计技术路线，开发了基于三层架构的铁路信号室内自动布设软件，并进行实例验证。研究结果表明，三层架构体系及工程设计模式的方法对于铁路信号BIM设计应用具有实践性意义，通过层次化分析与模式化提炼，实现铁路信号BIM信息模型，厘清业务逻辑与BIM呈现之间的关系与界限，分步实现自动化，将人工干预部分简化至界面操作，全面提高BIM模型设计效率及软件设计的可用性，并最终实现灵活可控的完整BIM模型。三层架构的理念及工程设计模式的设计方法可作为通用开发方法应用于BIM应用实践，对于铁路其他专业BIM应用亦具有参考意义。