BIM技術(shù)在智能一體化機(jī)柜中的應(yīng)用

張妍君

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300300）

隨著智能鐵路和智慧城軌的不斷發(fā)展，信息化業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和需要的計(jì)算量隨之不斷增加，鐵路機(jī)房布置模式也從傳統(tǒng)的集中數(shù)據(jù)處理模式向邊緣計(jì)算部署模式推進(jìn)[1]。傳統(tǒng)的小型信息機(jī)房、配線(xiàn)及設(shè)備間的供配電設(shè)備、空調(diào)設(shè)備和機(jī)柜分立設(shè)置，導(dǎo)致集成度不高、設(shè)備占用空間大、配套房屋及機(jī)電設(shè)備投資較高。為了找到更靈活、更經(jīng)濟(jì)的解決方案，本文借鑒模塊化機(jī)房的設(shè)計(jì)思路，對(duì)機(jī)柜、配電、空調(diào)、防雷等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行整合，并采用建筑信息模型（BIM，Building Information Model）技術(shù)，搭建了智能一體化機(jī)柜[2]。該機(jī)柜可以為設(shè)備提供更好的運(yùn)行環(huán)境，在鐵路行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景。

1 研究背景

1.1 BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM技術(shù)可以構(gòu)建數(shù)字化模型，其信息貫穿項(xiàng)目的全生命周期，例如設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理等環(huán)節(jié)。BIM包含對(duì)項(xiàng)目中的構(gòu)件外觀尺寸信息和功能信息的數(shù)字化表達(dá)，采用信息化的方式創(chuàng)建、共享和管理項(xiàng)目信息。

1.2 BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM技術(shù)能夠應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、布置方案、施工交底、運(yùn)維管理等方面，具有可視化、模型精確、信息完整等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。BIM技術(shù)在鐵路智能一體柜的主要應(yīng)用如下。

（1）驗(yàn)證智能一體化機(jī)柜布置方案的合理性。結(jié)合建筑房屋的三維模型，在三維空間中對(duì)鐵路智能一體化機(jī)柜的布置方案進(jìn)行展示，其中，機(jī)柜模型的參數(shù)與真實(shí)機(jī)柜一致。BIM技術(shù)應(yīng)用于布置方案合理性驗(yàn)證有以下優(yōu)勢(shì)：能夠結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對(duì)布置方案的合規(guī)性進(jìn)行判斷；在交流布置方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以作為對(duì)接資料，便于直觀地判斷布置方案是否滿(mǎn)足運(yùn)維管理要求。

（2）為智能一體化機(jī)柜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供直接參照。BIM作為產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)的直觀樣板，可用于布置方案在對(duì)接時(shí)的討論和確認(rèn)。BIM技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用可確保設(shè)計(jì)方案和實(shí)施方案一致。

（3）為運(yùn)維管理提供基礎(chǔ)資料。BIM技術(shù)能夠提供更準(zhǔn)確精細(xì)的產(chǎn)品模型，以及完整的產(chǎn)品和工程信息，這些資料在運(yùn)維管理中具有重要意義。鐵路智能一體化機(jī)柜的運(yùn)維管理不僅可以利用BIM模型來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)物資信息管理，還可以利用BIM數(shù)據(jù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)深層應(yīng)用，與基于BIM技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息的傳遞和協(xié)同應(yīng)用。

1.3 BIM建模輔助軟件

根據(jù)鐵路智能一體化機(jī)柜設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求，本文在Revit建模軟件的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了BIM建模輔助軟件，并創(chuàng)建了參數(shù)化Revit模型庫(kù)，其中，模型庫(kù)中包括機(jī)柜、服務(wù)器、交換機(jī)、不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power Source）等信息設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境設(shè)備模型。該軟件的主要功能是生成鐵路智能一體化機(jī)柜的BIM、設(shè)備模型（如機(jī)柜、配線(xiàn)架、交換機(jī)、路由器、服務(wù)器、終端設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、UPS、蓄電池組、配電單元、空調(diào)等），以及體現(xiàn)設(shè)備布置后機(jī)房的狀態(tài)生成功能。BIM建模輔助軟件由以下3個(gè)模塊組成。

（1）機(jī)柜布置模塊：該模塊支持機(jī)柜類(lèi)型的選擇、機(jī)柜尺寸和機(jī)柜數(shù)量的輸入，并根據(jù)這些信息自動(dòng)載入相關(guān)設(shè)備模型，完成機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的布置。機(jī)柜類(lèi)型分為內(nèi)置空調(diào)機(jī)柜和外置空調(diào)機(jī)柜，內(nèi)置空調(diào)機(jī)柜采用冷通道封閉架構(gòu)，其機(jī)柜架構(gòu)和外置空調(diào)機(jī)柜不同。機(jī)柜尺寸包括機(jī)柜的寬度、深度和高度。按機(jī)柜數(shù)量的不同，智能一體化機(jī)柜分為智能一體化單機(jī)柜和多聯(lián)機(jī)柜，不同規(guī)格的機(jī)柜適用不同的設(shè)備安裝方案。

（2）柜內(nèi)設(shè)備布置模塊：BIM建模輔助軟件建立柜內(nèi)設(shè)備族庫(kù)。當(dāng)載入柜內(nèi)設(shè)備族后，用戶(hù)選擇設(shè)備模型，并輸入布置位置（即位于機(jī)柜的哪個(gè)位置），完成鐵路智能一體化機(jī)柜柜內(nèi)設(shè)備布置。

（3）機(jī)房布局生成模塊：該模塊能夠展示滿(mǎn)足機(jī)柜布置條件的最小機(jī)房模型，以及機(jī)柜布置后機(jī)房的整體狀態(tài)。根據(jù)機(jī)柜的布置情況，用戶(hù)輸入滿(mǎn)足規(guī)范要求的通道距離后，機(jī)房布局生成模塊自動(dòng)生成機(jī)房模型（包括天花板、墻、門(mén)等）。

2 BIM建模輔助軟件的開(kāi)發(fā)

2.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本文選擇Revit進(jìn)行BIM建模輔助軟件的開(kāi)發(fā)，主要原因如下。

（1）鐵路智能一體化機(jī)柜布置在信息機(jī)房、通信機(jī)房或配線(xiàn)及設(shè)備機(jī)房中，這些機(jī)房屬于建筑內(nèi)部環(huán)境。考慮BIM數(shù)據(jù)的完整性，BIM建模輔助軟件對(duì)設(shè)備模型及建筑模型都能提供很好的支持。Revit在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣，因此，比較適合作為BIM建模輔助軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

（2）Revit以族的形式建模，在參數(shù)化建族和添加族庫(kù)非幾何屬性信息時(shí)操作便捷，適用于機(jī)柜及空調(diào)、UPS、配電設(shè)備、蓄電池等設(shè)備模型的創(chuàng)建和使用。

（3）Revit的開(kāi)放性較好，便于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供較為完善的二次開(kāi)發(fā)接口，允許用戶(hù)通過(guò)“.NET”兼容的語(yǔ)言進(jìn)行編程，支持訪問(wèn)模型的圖形和參數(shù)數(shù)據(jù)、修改模型、增強(qiáng)用戶(hù)界面（UI，User Interface）、重復(fù)工作自動(dòng)化等操作。

2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境

本次采用C#語(yǔ)言，在軟件Visual Studio 2019上進(jìn)行BIM建模輔助軟件開(kāi)發(fā)。Revit 應(yīng)用程序接口（API, Application Program Interface）包含二次開(kāi)發(fā)所使用的命名空間和類(lèi)庫(kù)，是Revit與外界程序交互的接口[6-8]。Revit API有外部命令和外部應(yīng)用兩種開(kāi)發(fā)方式：（1）外部命令是對(duì)函數(shù)Execute()的重載，通過(guò)Revit SDK將開(kāi)發(fā)的功能加載并嵌入Revit。在程序調(diào)試階段，該方式能夠方便地進(jìn)行程序修改。（2）外部應(yīng)用通過(guò)配合使用函數(shù)Onstartup()和Onshutdown()，使用時(shí)需要加載外部應(yīng)用，加載的應(yīng)用和Revit同時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉，利用外部應(yīng)用方式可以在Revit的面板中增添不同功能的按鈕，在程序調(diào)試成功后，利用外部應(yīng)用方式將程序作為插件添加到Revit的啟動(dòng)項(xiàng)中。

2.3 軟件功能

2.3.1 機(jī)柜布置

機(jī)柜布置功能根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)來(lái)調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備模型，同時(shí)修改模型的參數(shù)，進(jìn)行機(jī)柜布置。智能一體化機(jī)柜布置功能支持的機(jī)柜類(lèi)型及其規(guī)格如表1所示。

表1 智能一體化機(jī)柜類(lèi)型及其規(guī)格

在機(jī)柜布置功能中，類(lèi)型1～類(lèi)型5機(jī)柜的選擇主要有以下標(biāo)準(zhǔn)：機(jī)柜內(nèi)是否包含空調(diào)；智能一體化機(jī)柜的機(jī)柜數(shù)量，以及機(jī)柜在智能一體化多聯(lián)機(jī)柜中的位置。

機(jī)柜布置功能支持根據(jù)用戶(hù)輸入的機(jī)柜參數(shù)來(lái)修改機(jī)柜模型參數(shù)。機(jī)柜布置功能還可以根據(jù)機(jī)柜模型的尺寸、起點(diǎn)位置、鐵路智能一體化機(jī)柜所包含的機(jī)柜數(shù)量等信息來(lái)計(jì)算出機(jī)柜布置區(qū)域，并進(jìn)行實(shí)例化。機(jī)柜布置功能的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 機(jī)柜布置功能的流程

2.3.2 柜內(nèi)設(shè)備布置

鐵路智能一體化機(jī)柜的內(nèi)部空間分為：信息設(shè)備的布置空間和運(yùn)行環(huán)境設(shè)備的布置空間。

當(dāng)進(jìn)行柜內(nèi)設(shè)備布置時(shí)，用戶(hù)首先完成設(shè)備模型庫(kù)的建立并載入到項(xiàng)目空間中，再選擇需要布置的機(jī)柜，確認(rèn)無(wú)誤后依次輸入各設(shè)備的名稱(chēng)和位置（位置即機(jī)柜的單元位置），直至完成該機(jī)柜內(nèi)全部設(shè)備的輸入。柜內(nèi)設(shè)備布置的方法流程圖，如圖2所示。

圖2 柜內(nèi)設(shè)備布置流程

2.3.3 機(jī)房布局生成

機(jī)房布局生成功能實(shí)現(xiàn)機(jī)房模型的生成（包含天花板、墻、門(mén)等），機(jī)房尺寸根據(jù)滿(mǎn)足規(guī)范的最小通道距離來(lái)確定。完成機(jī)柜布置功能后，BIM建模輔助軟件生成機(jī)房布局。

當(dāng)進(jìn)行機(jī)房布局生成時(shí)，用戶(hù)通過(guò)BIM建模輔助軟件過(guò)濾出項(xiàng)目文件中的機(jī)柜族實(shí)例并統(tǒng)計(jì)機(jī)柜個(gè)數(shù)，同時(shí)提取各機(jī)柜布置點(diǎn)坐標(biāo)、機(jī)柜寬度、機(jī)柜深度等參數(shù)；計(jì)算出房間4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，生成房間模型，具體流程如圖3所示。

圖3 機(jī)房布局生成功能流程

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程應(yīng)用

以某鐵路車(chē)站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備布置為例，介紹智能一體化機(jī)柜和BIM建模輔助軟件。該系統(tǒng)所需設(shè)備如表2所示，這些設(shè)備主要包括交換機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等，需要布置在鐵路智能一體化機(jī)柜中。

表2 某鐵路車(chē)站視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需設(shè)備

由表2可知，設(shè)備的總用電量為5 000 kW，散熱量為5 000 kJ。由設(shè)備的數(shù)量可以計(jì)算出智能一體化機(jī)柜的機(jī)柜數(shù)量，具體過(guò)程如下。

（1）視頻監(jiān)控PoE交換機(jī)為12臺(tái)，其設(shè)備尺寸為1 U，考慮部分間距，那么需要的機(jī)柜空間為24 U。

（2）視頻監(jiān)控匯聚交換機(jī)為2臺(tái)，其設(shè)備尺寸為1 U，考慮部分間距，那么需要的機(jī)柜空間為4 U。

（3）視頻服務(wù)器為4臺(tái)，其設(shè)備尺寸為2 U，考慮部分間距，那么需要的機(jī)柜空間為12 U。

（4）視頻存儲(chǔ)設(shè)備為2臺(tái)，其設(shè)備尺寸為6 U，考慮部分間距，那么需要的機(jī)柜空間為14 U。

綜上可知，某鐵路車(chē)站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備需要2臺(tái)42 U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。除此之外，該系統(tǒng)還需考慮配線(xiàn)設(shè)備、配電箱、UPS主機(jī)、蓄電池、機(jī)柜專(zhuān)用空調(diào)、防雷箱、機(jī)房電源、環(huán)境監(jiān)控等設(shè)備在機(jī)柜的布置。這些設(shè)備可以選用1臺(tái)42 U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜來(lái)布置。因此，某鐵路車(chē)站視頻監(jiān)控系統(tǒng)共需要3臺(tái)42 U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，系統(tǒng)設(shè)備在機(jī)柜的布置情況如圖4所示。

圖4 某鐵路車(chē)站視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需設(shè)備的布置情況

3.2 BIM建模輔助軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 鐵路智能一體化機(jī)柜模型

本文通過(guò)BIM建模輔助軟件實(shí)現(xiàn)鐵路智能一體化機(jī)柜BIM布置，對(duì)Revit的面板界面進(jìn)行擴(kuò)展，增加機(jī)柜布置、柜內(nèi)設(shè)備布置、房屋生成這3個(gè)功能模塊。擴(kuò)展后的Revit面板界面如圖5所示。

圖5 擴(kuò)展后的Revit面版界面

BIM建模輔助軟件通過(guò)機(jī)柜布置功能來(lái)建立鐵路智能一體化機(jī)柜的模型，輸入的機(jī)柜參數(shù)如表3所示。生成的智能一體化機(jī)柜模型如圖6所示。

表3 機(jī)柜參數(shù)

圖6 鐵路智能一體化機(jī)柜模型

3.2.2 柜內(nèi)設(shè)備布置

BIM建模輔助軟件通過(guò)柜內(nèi)設(shè)備布置功能進(jìn)行設(shè)備布置。用戶(hù)按照從左到右的順序依次選擇機(jī)柜，并逐一輸入待布置設(shè)備的名稱(chēng)和放置的機(jī)柜空間位置，例如，“視頻監(jiān)控服務(wù)器”和“16 U”、“視頻監(jiān)控存儲(chǔ)”和“8 U”等。完成一個(gè)設(shè)備的布置后，用戶(hù)繼續(xù)進(jìn)行其他設(shè)備的布置。完成設(shè)備布置的鐵路智能一體化機(jī)柜模型如圖7所示。

圖7 完成設(shè)備布置的鐵路智能一體化機(jī)柜模型

3.2.3 機(jī)房布局生成

BIM建模輔助軟件利用機(jī)房布局來(lái)建成機(jī)房模型。對(duì)于某鐵路車(chē)站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)房而言，考慮機(jī)柜中的服務(wù)器等設(shè)備、綜合維修距離、安全距離、運(yùn)輸通道等因素，鐵路智能一體化機(jī)柜在機(jī)房的布置方案如圖8所示。

圖8 鐵路智能一體化機(jī)柜布置方案（單位：mm）

用戶(hù)在BIM建模輔助軟件中分別輸入表4所示的鐵路智能一體化機(jī)柜正面、背面、左側(cè)面、右側(cè)面到四面墻的距離，即正面墻距、背面墻距、左側(cè)面墻距、右側(cè)面墻距，生成的機(jī)房布局如圖9所示。

表4 鐵路智能一體化機(jī)柜到墻的距離

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以BIM技術(shù)在智能一體化機(jī)柜的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，在Revit的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了BIM建模輔助軟件。該軟件具有機(jī)柜選型、柜內(nèi)設(shè)備布置、機(jī)房布局生成等功能，實(shí)現(xiàn)了智能一體化機(jī)柜布置的快速建模。BIM建模輔助軟件可以作為輔助設(shè)計(jì)工具，用于鐵路智能一體化機(jī)柜的設(shè)計(jì)、設(shè)備布置、機(jī)房布局等，為BIM技術(shù)在鐵路智能一體化機(jī)柜的全生命周期應(yīng)用提供參考。