BIM技術在魯南高鐵信號工程項目中的應用

王懷松，鄒少文，楊 城

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技術的應用是目前鐵路設計行業(yè)的一大發(fā)展趨勢。對于鐵路信號專業(yè)，在BIM技術的支持下可以數(shù)字化建造一個準確的信號系統(tǒng)應用場景，該技術為鐵路信號設計、施工、運營整個生命周期提供更高效、更科學的分析和設計模式[1-2]。當信號系統(tǒng)模型建立后，由計算機產生的包括精確幾何結構和數(shù)據(jù)信息模型可支持信號系統(tǒng)的整個設計、施工、運營周期及模擬系統(tǒng)真實的施工、運營過程。與傳統(tǒng)二維信號、通信、信息和災害監(jiān)測系統(tǒng)相比，信號、通信、信息和災害監(jiān)測系統(tǒng)BIM技術在協(xié)同設計、信息化管理、自動統(tǒng)計、關聯(lián)修改、設計變更、碰撞檢測、提高質量等方面具有明顯優(yōu)勢[3]。目前，各鐵路設計院已經開始大力發(fā)展BIM技術，中國鐵路總公司已明確要求各大設計院參與編制和驗證相應BIM技術標準，利用設計院的系統(tǒng)和體系優(yōu)勢進行各專業(yè)的BIM應用研究。鐵路信號專業(yè)作為重要的站后專業(yè)，目前已通過在魯南高鐵等實際鐵路工程項目中推廣BIM技術，解決了很多傳統(tǒng)二維設計中出現(xiàn)的“差、錯、漏、碰”等問題，提高了鐵路信號專業(yè)設計質量與效率。

1 鐵路信號BIM技術路線

1.1 技術路線

魯南高鐵BIM項目應用范圍為“兩站一區(qū)間”，2個站場包括曲阜東和臨沂北，2站之間的區(qū)間正線長度為138 km。本項目鐵路信號工程的設計以線路、橋梁、隧道、軌道、房建等站前專業(yè)模型為基礎，在站前專業(yè)模型的基礎上布置鐵路信號室內外設備。然后通過各專業(yè)模型總裝開展各專業(yè)內及專業(yè)間的碰撞檢查，從而發(fā)現(xiàn)設計中存在的不合理之處，并在施工前及時修正。待模型總裝、修改、固化后，可在總裝模型基礎上開展施工模擬、工程量統(tǒng)計、仿真檢測、二維出圖等BIM工程應用。鐵路信號BIM技術總體路線見圖1。

1.2 軟件平臺

目前，支持BIM技術的軟件平臺很多，如歐特克、奔特力、達索等。本項目根據(jù)鐵路實際情況選擇奔特力系列軟件作為BIM應用平臺。奔特力系列軟件具體包括建模軟件Microstation、信號三維布置軟件Substation、線纜設計軟件BRCM、碰撞檢查和施工模擬軟件Navigator等。本項目基于一個平臺（BENTLEY）、一種數(shù)據(jù)格式（imodel）、一個模型的理念進行全專業(yè)BIM設計。

2 構件建模

構件建模是開展所有BIM設計和應用的基礎。首先需分析討論細化信號專業(yè)模型需求；其次收集信號專業(yè)設備類型、參數(shù)規(guī)格、現(xiàn)場圖片等相關資料，在BIM建模軟件中設計各類設備的三維模型，根據(jù)現(xiàn)有施工圖設計資料，按《鐵路工程信息模型交付精度標準》完成施工階段精度為LOD3.5模型的建模，最后形成信號專業(yè)的構件資源庫[4]。在之后的項目中可直接調用構件庫中的構件進行三維可視化設計。其中，信號專業(yè)設備構件主要包括各類信號機、各類信號箱盒、轉轍機和各類系統(tǒng)機柜等。本項目采用Microstaiton軟件進行構件的三維建模。信號專業(yè)構件建模效果見圖2。

項目構件庫中的構件需要統(tǒng)一命名規(guī)則，構件的分類和編碼規(guī)則參照《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》。構件命名由專業(yè)代碼、設計階段、構件名稱、專業(yè)補充代碼、順序號組成。專業(yè)補充代碼根據(jù)需要可進行分級擴展，分級間采用“-”分隔，構件名稱按照《鐵路工程信息模型交付精度標準》模型名稱首字母進行命名。本項目中構件命名規(guī)則為：專業(yè)代碼（TH）-設計階段（YK、KY、CS、SS）-專業(yè)補充代碼（XH）-構件名稱-順序號（具體見表1）。

圖2 信號專業(yè)構件建模效果圖

表1 信號專業(yè)構件命名

3 屬性信息附加

3.1 屬性信息內容

BIM的核心在于“I”，也就是“信息”的傳遞。首先需要整理不同構件在不同設計階段的屬性信息需求，在本項目中屬性信息分為項目信息和構件信息兩大類。其中，項目信息是對項目的整體描述，包括項目識別號、項目名稱、所在位置（里程/坐標）、項目所處階段、設計數(shù)據(jù)等；構件信息包括基本描述、定位信息、幾何信息、技術信息、組織角色、項目屬性、生產信息、資產信息、運維信息等。屬性信息內容見圖3。

圖3 屬性信息內容

圖4 附加屬性信息的步驟

圖5 查看附加的高柱進站信號機模型 屬性

3.2 屬性附加步驟

構件或組合模型的屬性信息均應按照IFC信息存儲的相關要求進行附加，包括信息類別和信息存儲的格式。在附加屬性信息前，需要利用Class Editor軟件編制鐵路信號專業(yè)的schema屬性文件，這個屬性文件包含了上述項目信息和構件信息。在對構件附加屬性信息時，在Microstation軟件中導入編制的schema.xml文件，然后通過IFC Manager插件，即可利用“ifc imodel attach”命令給每個構件附加屬性信息。為構件附加屬性信息的步驟和示例見圖4、圖5。

4 信號設備三維可視化

鐵路信號專業(yè)在站前專業(yè)的模型基礎上完成室內外信號設備的三維布置。對于室外信號設備來說，可以線路中心線為標準，沿線路方向按照相關規(guī)范的限界要求進行設備布置。目前來說，現(xiàn)有奔特力軟件還未提供針對鐵路信號專業(yè)沿線路方向布置設備的功能，需二次開發(fā)。具體軟件操作中，用戶通過輸入相應信號設備類型、設備對應里程值等參數(shù)，程序自動將該設備布置在軌道旁正確位置（見圖6）。信號三維布置軟件不僅支持單個設備的放置，而且支持集中輸入同一類設備的不同里程標等參數(shù)后集中布置。例如，集中輸入某條線路的信號機對應里程標后，立即自動正確布置好該線路所有信號機三維模型。對于信號室內設備的可視化，主要包括各種機柜的布置，通過在軟件中輸入機柜類型、機柜數(shù)量、機柜尺寸、柜間距、機柜距墻距離等參數(shù)，自動完成室內機柜模型的布置。

圖6 魯南高鐵項目信號室外設備可視化

5 碰撞檢查

5.1 碰撞檢測內容

本項目中鐵路信號專業(yè)著重關心的碰撞問題包括：道岔轉轍機與其他線間設備及線路距離的碰撞檢查、室外信號管線與其他設備基礎的碰撞檢查、信號設備安裝基礎與水溝的碰撞檢查、過軌管與水溝的碰撞檢查、其他室外信號設備的超限檢查等。工程項目中的碰撞分為硬碰撞和軟碰撞。硬碰撞指實體與實體之間因直接接觸或嵌入而產生的實體碰撞；軟碰撞指實體構件之間因不滿足一定的間隙或距離而產生的碰撞[5-6]。

表2 碰撞檢測結果

5.2 碰撞檢測方法

本項目中碰撞檢測方法可分為靜態(tài)檢測方法和動態(tài)檢測方法。靜態(tài)檢測方法直接通過軟件檢測構件與構件間的硬碰撞和軟碰撞；動態(tài)檢測方法通過建立動態(tài)檢測模型檢查構件與構件間的軟碰撞。具體應用中可根據(jù)不同的檢測內容選擇不同的檢測方法。

（1）靜態(tài)檢測方法。利用奔特力軟件自帶功能或二次開發(fā)插件檢查設備安裝位置的正確性，用戶選擇或輸入碰撞檢測規(guī)則，輸出碰撞檢測結果及優(yōu)化改進方案。例如，室外信號設備的安裝位置檢查可先依據(jù)信號室外設備安裝圖冊中各設備的安裝要求確立好檢測規(guī)則，然后通過軟件或插件進行檢測并輸出結果。

（2）動態(tài)檢測方法。主要針對室外信號設備的超限檢查。首先需根據(jù)鐵路建筑限界建立建筑限界模型（見圖7），然后在Navigator軟件中將該模型沿線路中心線依次進行掃描，利用Navigator軟件中的動態(tài)檢測功能完成動態(tài)碰撞檢查。在該過程中，實際是將軟碰撞轉換為硬碰撞進行檢測。

5.3 碰撞檢測結果及優(yōu)化

在本項目的碰撞檢測中，同時采用靜態(tài)檢測方法和動態(tài)檢測方法，檢測中主要發(fā)現(xiàn)了2類碰撞問題：轉轍設備與站前專業(yè)模型的碰撞檢查、室外信號設備的超限檢查。碰撞檢測結果見表2。

（1）轉轍設備與站前專業(yè)模型的碰撞。在二維信號平面布置圖設計中，由于不能直觀參照站前專業(yè)模型，可能會出現(xiàn)設備位置和站前建筑沖突的情形。本次檢查出的轉轍機（京滬場W2道岔處，里程：K537+023）與軌枕產生實體碰撞。針對此碰撞，建議信號專業(yè)將轉轍機布置于線路外方。轉轍設備與站前專業(yè)模型的碰撞見圖8、圖9。

（2）室外信號設備的超限檢查。為保證在信號機兩側放置箱盒的空間位置，本次設計中信號機距線路中心線的距離取2.4 m，導致在此位置存在侵限的可能（該處曲阜東（京滬場）的D102信號機，按照原二維圖設計將侵限D104G）。建議首先確認該處調車信號機與警沖標的位置，如果信號機不滿足警沖標后方3.5～4.0 m的距離要求，則適當調整信號機位置，或直接參考警沖標位置布置調車信號機。室外調車信號機的碰撞見圖10、圖11。建筑限界模型

圖7 建筑限界動態(tài)檢測模型

圖8 線路中轉轍機三維模型

圖9 原二維設計轉轍機W2位置示意圖

圖10 線路中信號機三維模型

圖11 原二維設計中信號機D102位置示意圖

6 結束語

結合魯南高鐵BIM項目提出鐵路信號專業(yè)在工程設計中的BIM技術路線，介紹構件建模、屬性附加、三維可視化、碰撞檢測等具體的BIM應用內容和方法步驟。實踐證明，通過應用BIM技術，可在一定程度上解決傳統(tǒng)二維設計中難以發(fā)現(xiàn)的“差、錯、漏、碰”問題，BIM技術的優(yōu)勢已逐漸體現(xiàn)。但由于目前鐵路行業(yè)的BIM應用尚處于初級階段，BIM軟件功能和相關標準、規(guī)范還不夠成熟，還需在以下方面進行研究：

（1）目前支持BIM技術的軟件功能有限，缺乏專業(yè)化、本地化軟件功能。未來需進一步加強不同專業(yè)的本地化BIM軟件功能的開發(fā)。

（2）BIM技術應用過程中缺乏相關標準、規(guī)范的支持。首先，需進一步完善BIM相關標準體系，通過各類相關標準的制定和完善，特別是關于信息存儲格式的統(tǒng)一，能夠極大促進工程數(shù)據(jù)信息在各軟件平臺、各設計環(huán)節(jié)間的流動，而這需要各大軟件供應商加強對BIM標準的支持力度，以確保BIM應用中全生命周期的信息傳遞。