刘智平，罗志刚

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

1 BIM在轨道交通工程设计中的应用现状

随着中国铁路信息化建设进程的步伐不断的迈进，将建筑信息模型（BIM）技术引入铁路信号系统工程设计中将对该专业的设计带来革新的改变。现主流的Bentley、AutoCAD、Dassault Systemes 三大厂商的BIM 设计软件主要针对建筑行业的通用软件。

目前BIM 技术在轨道交通工程设计领域还处于摸索阶段，工程设计图纸采用CAD 二维平面设计。部分项目特别是铁路站房项目开始采用以BIM 出图为主，部分采用CAD 出图为辅的方式。铁路系统专业的BIM 设计暂停留在通过模型辅助传递各个系统设备的尺寸，将各个系统专业的设备通过与站前专业BIM 设计成果碰撞后，找出物理空间设计中存在的一些问题，避免后期施工时发生设备安装空间不足、不同专业之间的设备安装位置重叠、沟槽管洞预留不到位、设备安装后预留的通道空间不满足规范要求等问题。

目前所有系统专业本身的施工图均采用CAD二维设计出图，而无法实现BIM 三维设计出图，其主要原因在于软件特点决定，因此铁路需要BIM 技术在轨道交通设计领域逐步推广应用以后，根据各专业特点进行相关软件的二次开发，使之适用于系统专业工程设计的特点，提高出图的质量和效率。当然这一过程无法一蹴而就，将有一个较为漫长的发展演变过程。

2 BIM在信号系统工程设计中的应用发展探讨

如何避免CAD 二维设计存在的问题，顺应技术发展的方向，实现铁路信号系统全过程、全图册均采用BIM 三维工程设计，将是新一代设计人员必须要面对和思考的问题。

2.1 传统CAD二维设计存在问题分析

传统CAD 二维设计除在可视性、可读性、关联性等方面的自身缺陷外，在信号系统具体工程设计中还存在以下几个方面的问题。

1）信号设备平面布置

信号设备平面布置时仅有里程或相对位置信息，经常会发生信号机设置侵入限界、转辙机无安装空间、弯道造成信号显示等问题。

2）信号电缆径路图

通过站前专业提供的CAD 二维图纸，很难发现电缆径路中由于高路基、坡道、桥梁、涵洞等存在高差引起的问题。因此，容易造成信号电缆径路设计不合理，导致工程设计图纸上的电缆径路与现场施工后的实际电缆径路不相符，信号电缆长度过长或过短等设计问题。

3）信号室内设备布置图

信号机柜与消防、空调等柜体安装位置冲突，造成通道尺寸不合规，甚至走道被堵的情况；房屋层高不足，造成信号机柜无法上走线；室内室外电缆通道不顺畅造成后期施工返工等问题。

4）LKJ 信号设备数据方面

由于信号图纸提供的是信号设备的投影位置，无法准确提供信号设备所在线路中的实际位置造成LKJ 信号设备数据与站前的工务数据存在偏差，需要在后期施工中进行现场测量的问题。

5）配线校核方面

虽然信号系统的配线图采用双端配线图的形式可以避免部分配线错误的问题，但是双端配线图的表述方式既麻烦，又不方便查找，而且也容易发生仅单端配线或配线错误的情况。

6）站前站后接口预留方面

站前站后在接口方面存在电缆径路未贯通、标高、过轨管线、综合接地端子预留等方面的问题。

以上问题可总结于四个字“差、错、漏、碰”，归根结底是信号系统工程采用以CAD 图纸及文字说明的传统二维设计方式，通过颜色、线型、图块、图标及说明文字等抽象信息进行信息的传递。在施工阶段容易暴露出相关的问题，在运维阶段也很难利用设计图纸准确查找故障信息。

2.2 BIM应用于信号系统工程设计领域的优势分析

BIM 模型包含的信息量远大于二维图纸，以BIM 技术为基础进行信号系统工程设计，可将这些信息应用于项目设计、施工、运维全阶段，具有以下优势。

1）专业间传递了更多信息。增强信号专业与其他专业之间协作的能力，直观的将信号专业的设计情况反应在模型中，同时亦直观的获得其他专业与信号专业有关的设计情况，利于互相核查两者之间的接口设计。

2）优化设计。减少重复设计、重复施工、返工，以及频繁跑现场交底、核对等无故耗费人力物力等情况发生。

3）有效的指导施工方对信号设备定位、安装、配线的施工，提高施工工艺。

4）模拟现场信号系统工程施工，指导施工方案的制订。

5）有利于提高后期运营维护水平。通过BIM三维设计，所有信号设备均在设计图进行了精确定位，方便后期运营维护的检查和可追溯性。

2.3 BIM在信号系统工程设计中应用发展方向探讨

鉴于目前信号系统乃至整个轨道交通工程设计领域仍以CAD 二维设计图纸为主，以BIM 技术相关的设计软件尚未完全成熟，且应用于轨道交通领域的二次开发专业软件相对匮乏的局面，对BIM 在信号系统工程设计中的应用划分为3 个发展阶段：第一阶段，从现状出发，以传统的二维设计为主，结合现阶段相对成熟的BIM 技术及软件，结合站前提供的BIM 设计成果，设计信号设备平面布置图、室内信号设备布置图、综合管线布置图等，解决站前站后专业间的接口问题；第二阶段，逐步健全并深化信号系统设备族库，结合信号专业的特点开发相关软件插件，将二维图纸传递的基础信息转为采用BIM 技术传递，完成室外电缆径路及设备的布置图、组合柜内部布置图、机柜组合排列图等，为向第三阶段过渡打好基础；第三阶段，通过深度二次开发的BIM 技术专业软件，完成信号系统原理图、柜间配线图、组合内部配线图、电源环线图等，真正实现全BIM出图，每根配线均可通过BIM 进行三维仿真模拟和查找，提升运维能力和效率。

2.3.1 第一阶段

目前信号系统对信号设备平面布置图、室内信号设备布置图、综合管线布置图等采用CAD 设计出来的图纸均为示意图，通过线条的粗细、图形的形状和文字标识示意出信号设备的相对位置，并不能真正反映出设备安装在现场的情况。因此在施工的过程中，时常由于设计经验不足或调查不到位，造成信号设备无法安装、电缆无法敷设等问题。针对上述问题，采用BIM 设计则可非常方便的解决上述问题。

在站前提供的BIM 设计成果基础上完成信号设备平面布置图、室内信号设备布置图、综合管线布置图，通过三维图形则可很直观的表达出设计意图、设计情况、设计结果，尤其是信号与其他专业设计叠加在一起以后的情况，这是二维图纸抽象信息所未能表达的。

如图1 所示，在传统的二维CAD 设计上结合BIM 技术，接受站前专业的开放资料后进行信号系统工程的室内外设备及电缆径路设计，并在站前BIM 设计成果上采用BIM 技术进行翻模，得到信号系统各设备及电缆径路的三维信息。通过BIM 技术传递的信息能够对二维设计以下几点问题进行有效的核查。

图1 第一阶段结合BIM技术设计流程图Fig.1 Design flow diagram combining BIM technology in the first stage

1）与其他专业接口

a.核查预留接口是否符合信号专业设备布置需求，如“转辙机基坑、预留的电缆槽、过轨槽”等。

b.核查存在的碰撞问题，如“信号设备限界条件、与其他专业设备之间距离”等。

2）核查本专业设计存在的差、错、漏等问题，如“信号机显示距离不足、电缆径路无法实现、电缆防护方法不当”等

通过以上核查，优化信号系统专业及与相关专业间接口等设计，可有效减少在施工时或施工后进行重复设计、重复施工、返工、变更设计等情况出现；以及频繁跑现场交底、核对等无故耗费人力物力的情况发生。

如图2、3 所示的信号室内设备二维、三维布置图，将信号专业传统CAD 图纸与BIM 模型一同交付，应用于施工阶段，直观的反应信号系统全局设计，为施工方提供各信号设备安装的三维信息。

图2 信号室内设备布置二维示例Fig.2 Two-dimension example for layout of signaling indoor equipment

图3 信号室内设备布置三维示例Fig.3 Three-dimension example for layout of signaling indoor equipment

该设计方式符合目前许多轨道交通项目在设计阶段要求提交BIM 同步设计，但仍然需要二维图纸出图，且以二维图纸为准，BIM 咨询单位通过二维图纸校核BIM 模型的交付方式。

2.3.2 第二阶段

随着初期结合BIM 技术并深入研究后，信号系统电路原理及配线设计目前软件无法实现，仍采用CAD 二维图纸进行设计；其次，信号设备布置包含更多的信息量，例如一个绝缘节、信号机设置，如图4、5 所示，不仅只有二维图纸中的公里标或相对位置，还包含了符合相关规范的设备尺寸、空间定位等信息。

图4 进站信号机绝缘节处信号设备二维示例Fig.4 Two-dimension example for signaling equipment at insulation joint of home signal

图5 进站信号机绝缘节处信号设备三维示例Fig.5 Three-dimension example for signaling equipment at insulation joint of home signal

从图4、5 可以看出BIM 技术可以带来更多的信息同时，还可以通过模块化的族库信息，减少设计的工作量。如再能配合辅助软件，把限界条件限制等纳入进来，在设计人员进行信号设备布置时，辅助软件实时提醒是否侵限。

此阶段的重点是完善和丰富族库内容，使之满足信号系统设计的要求。同时继续深入完成室外电缆径路及设备的布置图、组合柜内部布置图、机柜组合排列图等细部图纸，为最终全BIM 设计打下基础。主要工作有以下几点。

1）完善信号设备族库

信号设备种类较多，如信号室外设备3 大件— 信号机、道岔、轨道电路，仅信号机因类型、机构、基础不同就可达数十种之多，从而使得族库较为庞大，无法一次建立。从项目1，……，到项目n，完善信号设备族库是一个不断积累的过程，如图6 所示。

图6 信号设备族示例Fig.6 Example for signaling equipment

2）基于既有BIM 软件上开发适合信号系统工程设计特点的相关辅助插件

通过分析当前采用BIM 技术进行室外信号设备布置设计，大部分仍然以里程去定位信号设备布置的位置，再根据该点信号设备的组成及安装要求进行空间定位的偏移或旋转操作。其里程确定后，偏移、旋转均可根据相关规范要求获得，具有相对唯一性。因此，可通过开发辅助插件进行符合规范要求的相关空间定位操作，减少设计人员的设计工作量及失误，提升设计效率和准确率。

3）利用BIM 技术的优势优化传统设计无法优化的工作

信号系统工程设计中许多设计因信息量较少，无法寻找较为优化的设计方案，只能凭借设计人员的经验进行设计。如室外电缆径路及设备的布置图中怎样选取信号设备控制电缆回楼径路使其最短，电缆汇合用的方向盒如何设置电缆芯数及长度能达到最优性价；室内机柜组合排列及内部布置图中机柜如何布置能使总配线最短。

利用BIM 技术带来的大量节点、定位等信息，将部分由经验设计转化为依据设计，进行传统设计无法优化的工作。如上海交通大学有关面向BIM 的铁路信号系统线缆建模及布设的研究，能够有效的通过软件计算得出较为优化的设备布置，从而减少设备之间的电缆走线长，同时根据各电缆走线径路为施工单位提供走线参考。

2.3.3 第三阶段

1）信号系统电路原理及配线的实现

信号系统工程设计的精髓是系统原理图的设计，但BIM 技术是建筑信息模型化，因此原版BIM 应用软件无法完成系统原理图的设计工作，需在BIM应用软件的基础上进行深度二次开发工作。

如何通过深度二次开发的BIM 技术专业软件，完成信号系统原理图、柜间配线图、组合内部配线图、电源环线图等，真正实现全BIM 出图是本阶段要点。如采用分析信号系统电路原理并分割为了若干定型组合后，结合BIM 模型提供的外接配线点信息，通过在BIM 软件中预先设计的底图，收集BIM 模型连接信息后生成完整的信号系统设备电路原理及配线图。

信号系统电路原理及配线的实现，能够有效的通过仿真模拟校核设计、施工过程中的错误，同时能够在运维阶段提供信号系统设备包含三维信息的连接关系。

2）提升运维能力和效率

目前，信号设备运维体系为台账结合监测设备。台账作为设备运维记录及维护计划制定的依据，采用如信号集中监测系统等的监测设备，监测信号设备运行并记录数据，对故障或疑似故障的设备给予相应报警，辅助运维人员查找故障。

BIM 模型可服务于项目全生命周期，包括运营维护阶段。随着BIM 技术在信号系统工程设计中的应用发展，必将BIM 全生命周期的管理理念引入信号系统的日常运营维护中。因此，运维阶段应充分利用信号系统的BIM 模型的同时又不拘泥于BIM 模型，还需考虑扩展接口，获取信号既有的运维系统（集中监测等）信息。信号设备运维应搭建可以实现信息有效传递和高效管理的应用平台，通过平台整合既有台账、监测设备、BIM 模型的数据信息，将既有台账信息、监测数据实时更新至BIM模型，同时接收BIM 模型反馈的直观多模的信息展示，从而提高信息传递的速率，提高故障精确查找及定位。

为实现以上运维目标，信号系统工程设计的BIM 建模，需充分考虑预留反应设备年限、运行状态等相关运维信息接口；同时施工阶段对BIM 模型调整、深化应切合实际，做到一切调整、一切深化均与现场具体情况符合，做到模型即现场，为运维阶段信号设备信息展示的准确性提供坚实的保障。

3 BIM在轨道交通行业中应用的几点建议

在采用BIM 技术进行信号系统工程设计研究探索中，对信号专业乃至整个轨道交通行业采用BIM技术提出以下几点建议。

1）软件技术方面

目前BIM 设计中没有适合信号系统工程的软件平台，因此必须在现有BIM 设计软件平台的基础上，结合信号专业的特点进行软件平台的二次开发工作，从技术上提供设计保障。

2）标准管理方面

BIM 技术应用于轨道交通工程设计领域尚处在起步阶段，对BIM 设计的建模软件五花八门，建模方式和参数等缺乏约束和规范，因此不同的设计单位、厂商、施工单位构建的模型和族库均各自为阵，无法实现信息共享，造成重复和无效工作的情况非常严重。因此必须出台相关轨道交通行业BIM 设计信息模型制图标准，对模型的数据要求、模型的交换及共享要求、模型的应用要求等进行统一规范，将是推动整个轨道交通行业BIM 技术发展迫切需要解决的问题。

3）成果提交方面

结合现有BIM 技术条件，对BIM 设计成果提出相应的要求，逐步提高BIM 成果交付量占比，并加强对BIM 成果提交的规范管理和应用水平，充分利用BIM 技术在轨道交通行业内的技术优势，提高轨道交通行业的设计、施工和管理水平。

4 结束语

BIM 技术在轨道交通行业中的应用应从全局着手，着眼BIM 全生命周期的管理理念，分析设计、施工、管理、运维等方面的需求，结合目前工程设计管理中存在的问题，加快新技术的应用和推广工作。同时BIM 技术在信号系统工程设计中的应用应结合专业的特点，促进二次软件的开发工作，早日实现BIM 技术在信号系统工程设计中的全过程应用。