張妍君

（中國鐵路設計集團有限公司 電化電信工程設計研究院，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)務產生的數(shù)據量和需要的計算量隨之不斷增加，鐵路機房布置模式也從傳統(tǒng)的集中數(shù)據處理模式向邊緣計算部署模式推進[1]。傳統(tǒng)的小型信息機房、配線及設備間的供配電設備、空調設備和機柜分立設置，導致集成度不高、設備占用空間大、配套房屋及機電設備投資較高。為了找到更靈活、更經濟的解決方案，本文借鑒模塊化機房的設計思路，對機柜、配電、空調、防雷等設備設施進行整合，并采用建筑信息模型（BIM，Building Information Model）技術，搭建了智能一體化機柜[2]。該機柜可以為設備提供更好的運行環(huán)境，在鐵路行業(yè)具有良好的應用前景。

1 研究背景

1.1 BIM技術簡介

BIM技術可以構建數(shù)字化模型，其信息貫穿項目的全生命周期，例如設計、施工、運維管理等環(huán)節(jié)。BIM包含對項目中的構件外觀尺寸信息和功能信息的數(shù)字化表達，采用信息化的方式創(chuàng)建、共享和管理項目信息。

1.2 BIM技術應用

BIM技術能夠應用于產品的設計、布置方案、施工交底、運維管理等方面，具有可視化、模型精確、信息完整等優(yōu)點[3-5]。BIM技術在鐵路智能一體柜的主要應用如下。

（1）驗證智能一體化機柜布置方案的合理性。結合建筑房屋的三維模型，在三維空間中對鐵路智能一體化機柜的布置方案進行展示，其中，機柜模型的參數(shù)與真實機柜一致。BIM技術應用于布置方案合理性驗證有以下優(yōu)勢：能夠結合相關規(guī)范，對布置方案的合規(guī)性進行判斷；在交流布置方案設計時，可以作為對接資料，便于直觀地判斷布置方案是否滿足運維管理要求。

（2）為智能一體化機柜的設計和生產提供直接參照。BIM作為產品生產設計的直觀樣板，可用于布置方案在對接時的討論和確認。BIM技術在產品生產設計的應用可確保設計方案和實施方案一致。

（3）為運維管理提供基礎資料。BIM技術能夠提供更準確精細的產品模型，以及完整的產品和工程信息，這些資料在運維管理中具有重要意義。鐵路智能一體化機柜的運維管理不僅可以利用BIM模型來實現(xiàn)靜態(tài)物資信息管理，還可以利用BIM數(shù)據進一步開發(fā)深層應用，與基于BIM技術的物聯(lián)網系統(tǒng)集成，實現(xiàn)動態(tài)信息的傳遞和協(xié)同應用。

1.3 BIM建模輔助軟件

根據鐵路智能一體化機柜設計的應用需求，本文在Revit建模軟件的基礎上，開發(fā)了BIM建模輔助軟件，并創(chuàng)建了參數(shù)化Revit模型庫，其中，模型庫中包括機柜、服務器、交換機、不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power Source）等信息設備和運行環(huán)境設備模型。該軟件的主要功能是生成鐵路智能一體化機柜的BIM、設備模型（如機柜、配線架、交換機、路由器、服務器、終端設備、存儲設備、UPS、蓄電池組、配電單元、空調等），以及體現(xiàn)設備布置后機房的狀態(tài)生成功能。BIM建模輔助軟件由以下3個模塊組成。

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

（2）柜內設備布置模塊：BIM建模輔助軟件建立柜內設備族庫。當載入柜內設備族后，用戶選擇設備模型，并輸入布置位置（即位于機柜的哪個位置），完成鐵路智能一體化機柜柜內設備布置。

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

2 BIM建模輔助軟件的開發(fā)

2.1 開發(fā)平臺

本文選擇Revit進行BIM建模輔助軟件的開發(fā)，主要原因如下。

（1）鐵路智能一體化機柜布置在信息機房、通信機房或配線及設備機房中，這些機房屬于建筑內部環(huán)境?？紤]BIM數(shù)據的完整性，BIM建模輔助軟件對設備模型及建筑模型都能提供很好的支持。Revit在建筑領域的應用范圍廣，因此，比較適合作為BIM建模輔助軟件的開發(fā)環(huán)境。

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

（3）Revit的開放性較好，便于進行二次開發(fā)，提供較為完善的二次開發(fā)接口，允許用戶通過“.NET”兼容的語言進行編程，支持訪問模型的圖形和參數(shù)數(shù)據、修改模型、增強用戶界面（UI，User Interface）、重復工作自動化等操作。

2.2 開發(fā)環(huán)境

本次采用C#語言，在軟件Visual Studio 2019上進行BIM建模輔助軟件開發(fā)。Revit 應用程序接口（API, Application Program Interface）包含二次開發(fā)所使用的命名空間和類庫，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用兩種開發(fā)方式：（1）外部命令是對函數(shù)Execute()的重載，通過Revit SDK將開發(fā)的功能加載并嵌入Revit。在程序調試階段，該方式能夠方便地進行程序修改。（2）外部應用通過配合使用函數(shù)Onstartup()和Onshutdown()，使用時需要加載外部應用，加載的應用和Revit同時啟動和關閉，利用外部應用方式可以在Revit的面板中增添不同功能的按鈕，在程序調試成功后，利用外部應用方式將程序作為插件添加到Revit的啟動項中。

2.3 軟件功能

2.3.1 機柜布置

機柜布置功能根據用戶輸入的參數(shù)來調用相應的設備模型，同時修改模型的參數(shù)，進行機柜布置。智能一體化機柜布置功能支持的機柜類型及其規(guī)格如表1所示。

表1 智能一體化機柜類型及其規(guī)格

在機柜布置功能中，類型1～類型5機柜的選擇主要有以下標準：機柜內是否包含空調；智能一體化機柜的機柜數(shù)量，以及機柜在智能一體化多聯(lián)機柜中的位置。

機柜布置功能支持根據用戶輸入的機柜參數(shù)來修改機柜模型參數(shù)。機柜布置功能還可以根據機柜模型的尺寸、起點位置、鐵路智能一體化機柜所包含的機柜數(shù)量等信息來計算出機柜布置區(qū)域，并進行實例化。機柜布置功能的實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 機柜布置功能的流程

2.3.2 柜內設備布置

鐵路智能一體化機柜的內部空間分為：信息設備的布置空間和運行環(huán)境設備的布置空間。

當進行柜內設備布置時，用戶首先完成設備模型庫的建立并載入到項目空間中，再選擇需要布置的機柜，確認無誤后依次輸入各設備的名稱和位置（位置即機柜的單元位置），直至完成該機柜內全部設備的輸入。柜內設備布置的方法流程圖，如圖2所示。

圖2 柜內設備布置流程

2.3.3 機房布局生成

機房布局生成功能實現(xiàn)機房模型的生成（包含天花板、墻、門等），機房尺寸根據滿足規(guī)范的最小通道距離來確定。完成機柜布置功能后，BIM建模輔助軟件生成機房布局。

當進行機房布局生成時，用戶通過BIM建模輔助軟件過濾出項目文件中的機柜族實例并統(tǒng)計機柜個數(shù)，同時提取各機柜布置點坐標、機柜寬度、機柜深度等參數(shù)；計算出房間4個頂點的坐標，生成房間模型，具體流程如圖3所示。

圖3 機房布局生成功能流程

3 應用實例

3.1 工程應用

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

表2 某鐵路車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需設備

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

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

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

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

（4）視頻存儲設備為2臺，其設備尺寸為6 U，考慮部分間距，那么需要的機柜空間為14 U。

綜上可知，某鐵路車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設備需要2臺42 U標準機柜。除此之外，該系統(tǒng)還需考慮配線設備、配電箱、UPS主機、蓄電池、機柜專用空調、防雷箱、機房電源、環(huán)境監(jiān)控等設備在機柜的布置。這些設備可以選用1臺42 U標準機柜來布置。因此，某鐵路車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)共需要3臺42 U標準機柜，系統(tǒng)設備在機柜的布置情況如圖4所示。

圖4 某鐵路車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需設備的布置情況

3.2 BIM建模輔助軟件實現(xiàn)

3.2.1 鐵路智能一體化機柜模型

本文通過BIM建模輔助軟件實現(xiàn)鐵路智能一體化機柜BIM布置，對Revit的面板界面進行擴展，增加機柜布置、柜內設備布置、房屋生成這3個功能模塊。擴展后的Revit面板界面如圖5所示。

圖5 擴展后的Revit面版界面

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

表3 機柜參數(shù)

圖6 鐵路智能一體化機柜模型

3.2.2 柜內設備布置

BIM建模輔助軟件通過柜內設備布置功能進行設備布置。用戶按照從左到右的順序依次選擇機柜，并逐一輸入待布置設備的名稱和放置的機柜空間位置，例如，“視頻監(jiān)控服務器”和“16 U”、“視頻監(jiān)控存儲”和“8 U”等。完成一個設備的布置后，用戶繼續(xù)進行其他設備的布置。完成設備布置的鐵路智能一體化機柜模型如圖7所示。

圖7 完成設備布置的鐵路智能一體化機柜模型

3.2.3 機房布局生成

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

圖8 鐵路智能一體化機柜布置方案（單位：mm）

用戶在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柜正面、背面、左側面、右側面到四面墻的距離，即正面墻距、背面墻距、左側面墻距、右側面墻距，生成的機房布局如圖9所示。

表4 鐵路智能一體化機柜到墻的距離

4 結束語

本文以BIM技術在智能一體化機柜的應用為出發(fā)點，在Revit的基礎上開發(fā)了BIM建模輔助軟件。該軟件具有機柜選型、柜內設備布置、機房布局生成等功能，實現(xiàn)了智能一體化機柜布置的快速建模。BIM建模輔助軟件可以作為輔助設計工具，用于鐵路智能一體化機柜的設計、設備布置、機房布局等，為BIM技術在鐵路智能一體化機柜的全生命周期應用提供參考。