鐵路設計企業信號BIM數據庫建設方案研究

張敏慧

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

建筑信息模型（BIM， Building Information Modeling）源自建筑行業，其信息技術的運用將覆蓋從項目設計、施工，到建筑物后期使用和維護的全生命周期，實現了建筑物信息全過程的傳遞和共享，具有可視化、多專業協同、優化設計等特點。目前，工程項目所說的BIM技術則指，采用數據加工工具，在工程決策、建設、實施及交付運營的全過程中，對工程涉及的各相關參建方、各相關專業的各類設施、設備、系統、器材信息，按統一的信息模型進行整合集成。

國內建筑領域BIM相關標準陸續出臺[1-3]，2013年12 月，中國鐵路BIM 聯盟成立，buildSMART組織與中國鐵路BIM聯盟合作，希望在下一版的工業基礎類（IFC）標準中納入鐵路領域的標準化定義[4-5]。目前，鐵路信號領域尚未形成實用化、通用性的標準規范，已開展的BIM設計暫設定在三維翻模、臺賬管理[6]等方面。本文從工程全生命周期角度進行鐵路信號BIM數據庫建設，著眼于解決信號設計部門BIM系統總體規劃、底層數據協同、信息接口與共享、分布實施等技術問題，并考慮與既有標準化規程規范相適配，以期尋找并明確鐵路信號BIM建設的總體方向和思路。

1 設計企業信號BIM數據庫設置需求

1.1 企業數據庫和項目信息模型的關系

項目信息模型貫穿項目的形成、建設、運營各階段，需考慮納入項目全過程、各相關方視角的項目資料，在各工作階段由項目各參與方，包括設計方，對信息模型進行創建、使用和管理，以支持和反映其各自職責的協同作業，為項目決策者、管理者、設計方、施工方、項目驗收和接管單位開展相關工作提供全面的基礎信息。

設計企業參與工程項目的決策、設計、施工，并與運維部門保持良好的信息溝通渠道，是工程項目全過程的主要參與和見證者，也是項目承前啟后的主要的信息構建方。設計企業數據庫和項目信息模型的關系示意如圖1所示。

圖1 設計企業數據庫和項目信息模型的關系示意圖

由于設計單位與工程的伴隨期長、涉及的相關面廣，因此，設計企業的BIM數據庫建設質量可能對工程項目信息模型的可用性及效率有著一定的影響。

1.2 鐵路信號專業特點分析

鐵路信號工程具備工程項目的所有特性，還具有系統設備配置繁瑣、設備間邏輯關系的實現方式復雜[7]、施工安裝項目眾多等特點。

（1）信號系統，是重系統設備配置、關注系統間關聯性的設備關系型系統。系統設計目標的實現不在于信號設備器材的具體擺放位置，而是通過電氣連接關系或計算機網絡特定的接口連接關系，實現系統設備間的邏輯關聯，并通過各子系統間的信息交互與計算，保證列車在鐵路線路上行駛安全。信號系統室內外巨量的線纜及其連接關系是原建筑系統中未予以關注的部分，卻是目前信號BIM數據庫建設需要重點關注及分步加以解決的問題。

（2）信號系統外部接口眾多，分為物理接口和數據接口。物理接口包括溝槽管洞的預留預埋、信號機房空調燈具設置等，可利用上述專業間空間協同設計解決；數據接口包括列控系統對車站站臺設置要求、通信通道設置、用電負荷及容量，是一種邏輯約定關系，是設計內部流程需要綜合管控的部分。

（3）信號系統作為鐵路工程的組成部分，有工程量統計與計算的要求，而信號系統概預算組成條目眾多，涉及的材料、器件、設備眾多，器材、產品、分項工程、分部工程、單位工程組合的線、面關系復雜。

（4）信號系統新技術、新產品、新工藝層出不窮，使得信號系統配置、設備間連接變化關系呈常態性存在，信號系統設計面對的設備關系不斷更新。

2 鐵路信號BIM設計的技術條件分析

2.1 信息交互與共享方式

實現項目信息模型共享的最好方法是各專業、各參建方都使用同一平臺軟件，項目信息可以全面、不失真地在各使用者間展現。但由于不同軟件平臺的開發和使用歷史、針對面不同，不同企業、乃至同一企業內不同專業都會選擇最利于自己專業特點的BIM軟件使用。

為了使不同階段，不同應用軟件的使用者、項目不同參與方、各相關專業對項目信息中的某個概念有一致的理解，需要有概念和術語定義的國際字典框架（IFD）；為了讓參建各方都能獲取有相當價值的項目信息，需要借助于一種公開的信息交換標準進行項目信息交換， 一般多用IFC；為了讓參建各方提供相當內容信息量的信息模型，需對各方提交的信息內容、深度等進行定義，一般稱為信息交付手冊（IDM）[8]。

在建筑領域中，由于信息模型運用起步較早，目前，較為通用的IFC中已對建筑物內各種模塊的資源、元素進行了充分的定義，有較為詳細的模型分類和編碼標準，我國已經將IFC納入國家標準，同時，也出臺了建筑模型信息分類與編碼等標準[4-6]。目前，此類模塊、元素可廣泛應用于建筑企業，但是對于鐵路相關企業，由于處理的對象、關系、甚至一些資源信息都與建筑行業不同，上述標準和規范在鐵路行業無法適用。

2.2 鐵路信號信息平臺標準化進程及存在問題

中國鐵路BIM聯盟在推進鐵路工程BIM技術中做了大量的工作[9-10]，取得了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》（V1.0版）（鐵路工程IFD）、《鐵路工程實體結構分解指南》（V1.0版）、《鐵路四電工程信息模型數據存儲標準》（鐵路工程IFC）、《鐵路工程信息模型表達標準》（四電部分）、《鐵路工程信息模型交付精度標準》（四電部分）等豐富的技術成果。鐵路BIM相關的標準規范中，對鐵路信號專業進行了系統的梳理、歸類、研究，制定了綱要性的發展方向，但因信號專業自身繁、細的特點，目前，鐵路四電工程IFC中定義的系統邏輯關系（端口連接）、實體種類尚未能滿足信號全系統項目信息模型的實際需求；分類和編碼標準以及交付標準也有待結合工程項目設計、施工、驗收、工程概算管理的各項規定進一步深化和修訂。

3 設計企業信號BIM數據庫建設

3.1 鐵路信號BIM數據庫建設考慮要素

（1）協調好企業數據庫的基礎信息分類、數據存儲格式等與相關企標、行標的關系，提高企業數據庫建設和使用效率；分階段規劃信號專業需要通過三維模型展示的內容，同步規劃信號系統各設計階段配套的數據庫。

（2）選擇合適的BIM軟件，便于實現信號邏輯關系的表述、三維模型的搭建、數據存儲和處理、與其他軟件的集成等,同時，能方便實現模型分離，易于實現不同建設方、不同專業信息集成與分離[11]。

（3）信號數據庫子項，以及各子項的屬性類信息需考慮充足的容量及便利的擴展條件；盡量采用參數化屬性，便于后期計算機輔助設計軟件的實現。

（4）信號數據庫的建設除需充分考慮信號自身設計要求外，如信號設備布置與配置、工程量統計等，還需要考慮與土建專業的接口要求。

（5）信號數據庫盡量與參建方需求、后續施工運維的信息需求統籌考慮。

3.2 與行業標準的統籌

為了能與鐵路BIM行業標準相匹配、更好地滿足不同軟件平臺和不同企業間數據傳遞的要求，企業信號BIM數據庫應盡量參照鐵路行業的BIM發展思路進行建設；建設過程中，對行業標準進行分析、總結，對標準的分類、定義提出合理化修改意見建議，為鐵路信號BIM行業標準修訂、標準的順利有效推進做好鋪墊。

3.3 數據庫基本元素分類及工程分類

設計企業信號BIM數據庫的基本元素分類建議參照IFD[12]附錄F表53中定義的基本工程構件分類，但需對該表中“系統”的分類（例如，聯鎖系統、列控系統）予以去除調整，補充機柜、機架類細目，以全面的基礎信號器材作為基礎單元，為后續的上層級聚合準備好基礎條件。

以基本元素為基礎，參考IFD附錄F表54（工項）、表51和52（單項工程）的分類級別，向上層級可參照鐵路信號工程中對分部工程和單位工程的分類方法進行線型、面型的分類和聚合方式。將基礎元素向上匯聚成分部工程，例如，光電纜線路、信號機及標志牌、軌道電路、轉轍設備、應答器、室內設備等；對分部工程按需聚合，例如，聚合為車站聯鎖、區間閉塞、列控系統、集中監測等。信號基礎元素、分部工程和單位工程間的聚合關系如圖2所示,其中，單位工程可以根據不同的需求靈活定義，僅需對其包含的分部工程組成進行重新定義。

圖2 信號基礎元素、分部工程和單位工程間的聚合關系

由于目前鐵路四電工程IFC[13]中對信號構件屬性、系統間的關系定義暫限于概念定義階段，設計企業BIM數據庫中基礎元素的信息定義可以暫跳出IFC實體類的定義，從信號系統設備配置、系統設備間關系、工程設計接口、投資控制角度出發，建立全面的信號構件庫，分類規劃好各型構件的屬性，包括構件的工程歸屬關系、與信號系統的歸屬關系類、構件與構件間邏輯關聯類、構件自身的幾何尺寸類、電氣特性類、構件需要的外部接口條件（包括要求外部的、提供給外部的）、構件費用類屬性等。其中，對于線纜及其防護工程的幾何尺寸（包括空間部署的表達方式）、構件與構件間一對多、多對一、多對多的關系定義都在建筑行業內沒有可借鑒的先例，需要研究并創立適宜的、通用的表達形式。

3.4 參數化設計

各類構件、工程在屬性定義時，可充分借鑒IFC模型中上層向同層/下層引用的關系、借鑒參數化、層級化計算機開發思路；將用于構件的類型定義盡量抽象化、減少類型種類，通過屬性參數的設定擴展某種類型的運用，便于信號BIM未來的計算機輔助設計。

3.5 分步實現策略

工程采用BIM設計已是大勢所趨，因此，應該在目前的技術環境下，充分認識和思考鐵路信號系統BIM設計需要完成和表述的工程內容，并分階段最終完成全面的信號系統配置、設備器材間連接關系、全系統空間展示。

信號專業需要面對的兩大類處理對象是系統器材設備間關系和物理實體設置類。（1）信號系統器材設備間關系包括設備器材間的邏輯連接關系，以及電源、信息的連接關系（例如室外線纜箱盒間的連接關系、室內組合間連接關系以及電源連接關系等）；（2）物理實體設置類又可細分為信號系統設備和器材本體及后臺支撐器材的配置、設置位置、費用等。其中，前者可以以信號構件、工項和工程關系為基本處理對象，用以表達信號設計方案、實現信號設備功能的主體；后者則可完成系統工程量確定、進行全貌展示，實現專業間物理接口、進行空間碰撞監測。針對上述2種處理對象，考慮對信號系統的BIM設計進行二維/多維、專業內/專業間協同、設計-設計/設計-運維、人工/自動化等分步規劃、分階段實施，分步示意如表1所示。

3.6 與信息模型的接口

（1）同一設計企業內部，涉及專業間接口的數據庫格式公開共享，可進行專業間信息傳遞；對于不同專業不同平臺上完成的三維信息模型，如果鐵路BIM字典、存儲標準通道已經打通，則可優先利用相關通用規范中定義的標準實體進行信息資源轉換與協同，否則則需自行確定專業間流轉的實體格式，以實現不同專業不同平臺上信息的協同。

表1 鐵路信號BIM設計分步示意表

（2）同理，設計企業項目數據庫與項目信息模型的接口，在未來相關標準格式定義完善的情況下，可以利用標準格式進行錄入與轉出；在目前的情況下，設計企業需根據成果交付需求（包括軟件平臺需求、成果內容及深度需求），將提交給項目信息模型的內容、按指定平臺的數據格式要求進行格式轉化，滿足項目信息模型的需要。

3.7 發展與展望

鐵路信號技術發展迅速，新技術不斷涌現，信號系統全電子化、設備精簡集成化趨勢初現。新的信號技術會簡化信號系統設備器材間的連接關系，降低BIM中設備器材關系類的處理難度。同時，鐵路信號工程相關BIM的標準也將更快、更易建立和推廣，信號新技術與BIM設計會相輔相成不斷推進。

目前，信號工程設計領域中計算機輔助設計軟件水平較高，信號BIM設計也可延續并延展原二維設計領域中的相關設計思路，將原計算機輔助設計的思路運用在信號工程信息模型的建設上，利用目前數據庫建設的參數化設計思想，陸續完成信號BIM的計算機輔助設計。

4 結束語

本文從工程全生命周期的視角、結合信號專業特點，梳理設計企業BIM數據庫與整體項目信息模型、相關規范標準間的關系，在專業整體規劃層面上提出信號專業BIM數據庫建設的基本原則、基礎元素分類、工程分類、參數化設計、接口設計和分步實施方案。受限于筆者BIM的視野，同時，由于信號技術不斷發展，文中相關觀點和意見有待進一步商榷與實踐。