車爽

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 電化電信工程設(shè)計研究院，天津 300251）

0 引言

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路行業(yè)設(shè)計方式也在隨之改變。BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用是一項重大技術(shù)革新[1]。利用BIM等信息化技術(shù)的可傳遞性，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在設(shè)計、施工、運維過程中的有效傳遞和共享，將設(shè)計單位、施工單位、設(shè)備廠家、運營單位有機地結(jié)合起來，增強了設(shè)計成果和基建施工的準確性，提高了運營、維護的管理水平[2]。目前，鐵路信號工程設(shè)計利用二維圖紙，而三維可視化技術(shù)可實景再現(xiàn)設(shè)計成果，并交付施工及運維單位。利用BIM技術(shù)實現(xiàn)三維場景重現(xiàn)的過程，需要更精準地體現(xiàn)空間位置關(guān)系，進而準確表達設(shè)備之間的空間位置關(guān)系，滿足專業(yè)間配合的需求[3]。因此，大幅提高BIM設(shè)計效率，使BIM技術(shù)應(yīng)用能夠適應(yīng)快節(jié)奏、高效率的生產(chǎn)模式也成為關(guān)鍵性核心技術(shù)[4]。以下從當前設(shè)計手段存在的問題、解決的思路及新技術(shù)的深遠意義3個方面進行論述。

1 鐵路信號工程傳統(tǒng)二維設(shè)計及BIM設(shè)計現(xiàn)狀

現(xiàn)階段鐵路信號工程設(shè)計主要基于AutoDeskCAD軟件，交付成果以平面圖紙及相關(guān)說明文件為主[5]。但在設(shè)計過程中和最終交付的成果中，對于設(shè)備位置描述，僅以相對信號樓的單一方向絕對距離進行標注。采用上述方式開展設(shè)計，設(shè)計人員無法直觀了解現(xiàn)場實際情況，對曲線段、坡度段、咽喉區(qū)復(fù)雜環(huán)境等都無法直觀地掌握，僅能通過專業(yè)間互提的二維設(shè)計資料分析、了解設(shè)計要素[6]。各專業(yè)各自為單體獨立開展設(shè)計，設(shè)計圖紙往往只能反映本專業(yè)的設(shè)備及管線布設(shè)情況，而各專業(yè)間的系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計并沒有明確的集成圖紙，導(dǎo)致施工中經(jīng)常出現(xiàn)各專業(yè)、各系統(tǒng)間的碰撞與遮擋等問題[7]。例如，信號與接觸網(wǎng)、通信、電力，以及橋梁、隧道等多個專業(yè)都具有碰撞和遮擋的可能性，甚至發(fā)生站場、線路范圍內(nèi)整體上專業(yè)間配合不到位，交叉、返工的問題都將遺留到施工階段，造成部分工程廢棄。

目前采用的BIM技術(shù)已經(jīng)可以在三維空間內(nèi)進行有效的設(shè)計和表達，使各類設(shè)備的空間位置相對更精確，整體布局更清晰，設(shè)計成果更具指導(dǎo)意義和價值[8]。但現(xiàn)有BIM設(shè)計技術(shù)依賴于在三維設(shè)計軟件中，人為進行大量的空間幾何關(guān)系設(shè)計、計算、輸出和定位，即設(shè)計者需要通過制作大量的空間點、線、面等初始幾何元素，并通過對初始幾何元素進行相交、相切、投影、鏡像、裁切、旋轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)操作手段得到二次或多次計算結(jié)果，最終得到所需的定位點、基準線、參考面等[9]。對于車站站場范圍內(nèi)區(qū)域性零散分布的信號設(shè)備尚可以應(yīng)對，如果對每個設(shè)備都進行上述步驟，不僅在過程中很可能出現(xiàn)誤差和錯誤，還要付出很多時間和精力。該設(shè)計模式即便最終形成了輸出成果，但設(shè)計效率低下是最大問題，嚴重制約了BIM技術(shù)在信號專業(yè)設(shè)計的進一步應(yīng)用[10]。

2 基于空間點云的鐵路信號工程BIM設(shè)計方法

空間點云即在三維空間內(nèi)首先構(gòu)建網(wǎng)格體系，并利用空間網(wǎng)格的交匯點作為目標模型的定位點云，進而快速完成設(shè)備定位點的設(shè)計和選取。建立空間點云，首先，在三維空間內(nèi)根據(jù)需求，在一定區(qū)域范圍內(nèi)或廣域范圍以固定的幾何原點作為參考原點，根據(jù)空間位置的不同，以等間距或不等間距模式，構(gòu)建向X、Y、Z3個方向偏移的軸線偏移網(wǎng)格體系。在空間網(wǎng)格體系中，2個相鄰偏移網(wǎng)絡(luò)軸線的方向和距離根據(jù)設(shè)計需要進行定制。當各個偏移軸線生成并形成網(wǎng)格后，網(wǎng)格的每個交點都可被選取，并作為設(shè)備模型實體的定位點，從而實現(xiàn)區(qū)域性設(shè)備定位點云的快速部署。

與現(xiàn)有基于空間幾何關(guān)系進行計算方式相比，采用空間點云方式進行BIM設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢較為明顯。采用點云方式開展信號工程BIM設(shè)計，完全拋開人為進行空間幾何計算的過程，大幅降低設(shè)備定位過程中因過多人為干預(yù)產(chǎn)生的錯誤和偏差?；诳臻g幾何位置進行計算的方式，往往以人工計算方式展開，一般情況下，設(shè)計者將按照既定設(shè)計規(guī)則和規(guī)范，以信號樓所在位置為參考原點，逐一計算各設(shè)備的相對距離，并利用BIM設(shè)計軟件中的三維設(shè)計模塊為每個計算結(jié)果投射相應(yīng)的空間點，進而再實現(xiàn)設(shè)備安裝。以點云方式開展設(shè)計時，同樣以信號樓為原點，在站場區(qū)域內(nèi)以某個常見水平面為基礎(chǔ)，橫向按等間距（如1 m）或不等間距（設(shè)備間的相對距離）為間隔，縱向以股道間距、咽喉岔線間距等為間隔，豎向以信號設(shè)備安裝高度、管線埋深標高等為間隔，依次生成站場范圍內(nèi)的區(qū)域性空間立體網(wǎng)格?？臻g網(wǎng)格體系生成后，設(shè)計者只需在空間內(nèi)對區(qū)域內(nèi)分散的交點進行按需抽樣點選，被點選的分散點經(jīng)過實體化后形成站場范圍內(nèi)的設(shè)備點云，繼而在完成各設(shè)備模型的選取和裝配后，就完成了1次車站范圍內(nèi)信號設(shè)備布置工作。同樣，對于信號管線來說，設(shè)計者只需在網(wǎng)格體系內(nèi)按需、按順序選取抽樣點，并將其實體化后放置于同一幾何圖形集中，再利用軟件自帶功能，將管線點云依次連接生成最終的管線徑路，即可完成管線的制作和封裝。上述過程，操作者完全在可視化的狀態(tài)下完成，并可根據(jù)需要調(diào)整不同的視角，便于快速、準確點選所需抽樣點?？臻g網(wǎng)格的生成與定位點云的精確選取見圖1。

圖1 空間網(wǎng)格的生成與定位點的精確選取

3 利用空間點云開展鐵路信號工程BIM深化設(shè)計

采用點云方式進行BIM設(shè)計可更超前、更直觀地發(fā)現(xiàn)并解決信號設(shè)備的碰撞、顯示遮擋及管線徑路選擇等問題。對于空間信號設(shè)備的碰撞、遮擋問題，利用制作定位點云方式開展設(shè)計可超前發(fā)現(xiàn)并及時解決。由于制作定位點云的過程是在多專業(yè)協(xié)同狀態(tài)下進行的，區(qū)域內(nèi)各參與專業(yè)均在進行相關(guān)設(shè)計，通過為不同專業(yè)設(shè)定不同顏色的點云顯示，完全可以在尚未裝配設(shè)備階段直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的碰撞、遮擋等問題，通過協(xié)調(diào)解決問題后還可以更新點云，進一步驗證調(diào)整后的定位點云是否滿足設(shè)計需求，基本實現(xiàn)邊設(shè)計邊校驗的過程，設(shè)計成果一次成型概率可接近100%，極大降低了設(shè)計返工和修改的概率，縮減了設(shè)計耗時。

利用定位點云制作站區(qū)管線路徑的優(yōu)勢更加明顯。由于站區(qū)內(nèi)，尤其是大型樞紐站、動車運用所等復(fù)雜場段內(nèi)，各路風(fēng)、水、電線路錯綜復(fù)雜，加之場段內(nèi)可供使用和規(guī)劃的路間空間狹小，經(jīng)常出現(xiàn)交匯、避讓等情況，綜合管線設(shè)計難度極大。利用定位點云可最大程度降低設(shè)計難度。管線綜合集成設(shè)計者可在敷設(shè)管線的區(qū)域內(nèi)建立等間距立體網(wǎng)格，間距選擇可根據(jù)精度要求設(shè)置，立體網(wǎng)格設(shè)置完成后，各專業(yè)可在立體網(wǎng)格內(nèi)通過點選方式選取本專業(yè)管線路徑通過點，并歸集于本專業(yè)幾何圖形集中，設(shè)置相應(yīng)顯示顏色，其他專業(yè)在選取時可以避免選取相同的路徑點，進而避免由于空間幾何位置相同而造成返工。與此同時，風(fēng)、水、電等不同性質(zhì)的管線也可通過顏色的區(qū)別進行設(shè)計避讓，避免由于不符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范而造成設(shè)計返工。

空間定位點云提供的空間選點方式為設(shè)計者提供了一種便捷高效的設(shè)計方法。設(shè)計者可快速地對出現(xiàn)問題的工點進行及時修正和調(diào)整，既保證了最終交付成果的合理性、安全性、合規(guī)性和準確性，又大幅提升了設(shè)計修改的效率，減少了設(shè)計返工，降低了設(shè)計成本。

4 設(shè)計優(yōu)勢

4.1 操作便捷、全過程可視化

利用空間點云方式開展BIM設(shè)計使操作過程極為簡單、便捷，用戶只需在空間區(qū)域范圍內(nèi)按需進行點選即可完成復(fù)雜的設(shè)計工作。設(shè)計過程完全可視化，同時在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的環(huán)境下，可視化設(shè)計過程為操作者提供了準確的設(shè)計依據(jù)和設(shè)計方法。全過程可隨時根據(jù)需要進行調(diào)整和修改，大幅提升了BIM設(shè)計的效率和質(zhì)量，滿足了當前BIM技術(shù)應(yīng)用的迫切需求。同時，根據(jù)最終生成的空間點云，用戶對遮擋、碰撞、侵限、管線路徑選擇等問題的優(yōu)化將有更優(yōu)質(zhì)的體驗。咽喉區(qū)過軌管線的點云選擇見圖2。

圖2 咽喉區(qū)過軌管線的點云選擇

4.2 為鐵路信號專業(yè)未來系統(tǒng)性設(shè)計奠定基礎(chǔ)

目前，在利用空間點云進行BIM設(shè)計的探索中，依然以二維施工圖作為設(shè)計依據(jù)進行參考，空間點云的選取仍然以人工方式進行。對基于BIM技術(shù)的信號工程設(shè)計來說，諸如聯(lián)鎖關(guān)系、信號機顯示關(guān)系等帶有邏輯性的系統(tǒng)設(shè)計邏輯植入勢在必行。未來在利用定位點云體系的基礎(chǔ)上，將聯(lián)鎖、列控關(guān)系等以邏輯代碼形式形成插件封裝，植入BIM設(shè)計軟件中，以機器語言實現(xiàn)聯(lián)鎖、列控關(guān)系等各類邏輯關(guān)系，驅(qū)動軟件自動選取信號設(shè)備點云，并最終形成基礎(chǔ)設(shè)計成果，繼而利用基礎(chǔ)成果衍生出高級設(shè)計成果，逐漸完善鐵路信號工程的系統(tǒng)性設(shè)計，是利用定位點云的最大價值所在。

5 結(jié)束語

通過分析鐵路信號專業(yè)現(xiàn)有二維設(shè)計和BIM設(shè)計存在的不足，闡述采用定位點云方式開展BIM設(shè)計的優(yōu)勢，探討該方式的技術(shù)優(yōu)勢與潛在價值。通過空間點云這一輔助設(shè)計方式將會大幅提升BIM設(shè)計效率和質(zhì)量，全面解決專業(yè)間器材設(shè)備的物理碰撞、遮擋、侵限、管線路徑優(yōu)化等問題，最終實現(xiàn)信號系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。未來，隨著采用空間定位點云方式開展工程項目BIM設(shè)計，將大幅度提升BIM設(shè)計效率，真正實現(xiàn)設(shè)計手段從二維向三維的轉(zhuǎn)變。