BIM technology applied to intelligent integrated cabinet
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摘要: 针对建筑信息模型（BIM，Building Information Model）技术在智能一体化机柜中的应用需求，以Revit建模软件为平台进行了BIM建模辅助软件的二次开发，完成了一体化机柜布置、柜内设备布置、机房布局生成这3个功能模块的开发；在此基础上，结合实际工程阐述了实现流程。实例应用表明，该辅助设计软件能够实现智能一体化机柜BIM的快速建立，并为BIM技术在智能一体化机柜中的全生命周期应用提供参考。Abstract: According to the application requirements of Building Information Modeling(BIM) technology in intelligent integrated cabinet, this paper carried out the secondary development of BIM modeling auxiliary software based on Revit software, and implemented the development of three functional modules: integrated cabinet layout, equipment layout in cabinet and computer room layout generation; On this basis, combined with the actual project, the paper expounded the implementation process of software function. The example application shows that the aided design software can realize the rapid establishment of BIM of intelligent integrated cabinet, and provide reference for the full life cycle application of BIM technology in intelligent integrated cabinet.
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随着智能铁路和智慧城轨的不断发展，信息化业务产生的数据量和需要的计算量随之不断增加，铁路机房布置模式也从传统的集中数据处理模式向边缘计算部署模式推进[1]。传统的小型信息机房、配线及设备间的供配电设备、空调设备和机柜分立设置，导致集成度不高、设备占用空间大、配套房屋及机电设备投资较高。为了找到更灵活、更经济的解决方案，本文借鉴模块化机房的设计思路，对机柜、配电、空调、防雷等设备设施进行整合，并采用建筑信息模型（BIM，Building Information Model）技术，搭建了智能一体化机柜[2]。该机柜可以为设备提供更好的运行环境，在铁路行业具有良好的应用前景。
1 研究背景
1.1 BIM技术简介
BIM技术可以构建数字化模型，其信息贯穿项目的全生命周期，例如设计、施工、运维管理等环节。BIM包含对项目中的构件外观尺寸信息和功能信息的数字化表达，采用信息化的方式创建、共享和管理项目信息。
1.2 BIM技术应用
BIM技术能够应用于产品的设计、布置方案、施工交底、运维管理等方面，具有可视化、模型精确、信息完整等优点[3-5]。BIM技术在铁路智能一体柜的主要应用如下。
（1）验证智能一体化机柜布置方案的合理性。结合建筑房屋的三维模型，在三维空间中对铁路智能一体化机柜的布置方案进行展示，其中，机柜模型的参数与真实机柜一致。BIM技术应用于布置方案合理性验证有以下优势：能够结合相关规范，对布置方案的合规性进行判断；在交流布置方案设计时，可以作为对接资料，便于直观地判断布置方案是否满足运维管理要求。
（2）为智能一体化机柜的设计和生产提供直接参照。BIM作为产品生产设计的直观样板，可用于布置方案在对接时的讨论和确认。BIM技术在产品生产设计的应用可确保设计方案和实施方案一致。
（3）为运维管理提供基础资料。BIM技术能够提供更准确精细的产品模型，以及完整的产品和工程信息，这些资料在运维管理中具有重要意义。铁路智能一体化机柜的运维管理不仅可以利用BIM模型来实现静态物资信息管理，还可以利用BIM数据进一步开发深层应用，与基于BIM技术的物联网系统集成，实现动态信息的传递和协同应用。
1.3 BIM建模辅助软件
根据铁路智能一体化机柜设计的应用需求，本文在Revit建模软件的基础上，开发了BIM建模辅助软件，并创建了参数化Revit模型库，其中，模型库中包括机柜、服务器、交换机、不间断电源（UPS，Uninterruptible Power Source）等信息设备和运行环境设备模型。该软件的主要功能是生成铁路智能一体化机柜的BIM、设备模型（如机柜、配线架、交换机、路由器、服务器、终端设备、存储设备、UPS、蓄电池组、配电单元、空调等），以及体现设备布置后机房的状态生成功能。BIM建模辅助软件由以下3个模块组成。
（1）机柜布置模块：该模块支持机柜类型的选择、机柜尺寸和机柜数量的输入，并根据这些信息自动载入相关设备模型，完成机柜内设备的布置。机柜类型分为内置空调机柜和外置空调机柜，内置空调机柜采用冷通道封闭架构，其机柜架构和外置空调机柜不同。机柜尺寸包括机柜的宽度、深度和高度。按机柜数量的不同，智能一体化机柜分为智能一体化单机柜和多联机柜，不同规格的机柜适用不同的设备安装方案。
（2）柜内设备布置模块：BIM建模辅助软件建立柜内设备族库。当载入柜内设备族后，用户选择设备模型，并输入布置位置（即位于机柜的哪个位置），完成铁路智能一体化机柜柜内设备布置。
（3）机房布局生成模块：该模块能够展示满足机柜布置条件的最小机房模型，以及机柜布置后机房的整体状态。根据机柜的布置情况，用户输入满足规范要求的通道距离后，机房布局生成模块自动生成机房模型（包括天花板、墙、门等）。
2 BIM建模辅助软件的开发
2.1 开发平台
本文选择Revit进行BIM建模辅助软件的开发，主要原因如下。
（1）铁路智能一体化机柜布置在信息机房、通信机房或配线及设备机房中，这些机房属于建筑内部环境。考虑BIM数据的完整性，BIM建模辅助软件对设备模型及建筑模型都能提供很好的支持。Revit在建筑领域的应用范围广，因此，比较适合作为BIM建模辅助软件的开发环境。
（2）Revit以族的形式建模，在参数化建族和添加族库非几何属性信息时操作便捷，适用于机柜及空调、UPS、配电设备、蓄电池等设备模型的创建和使用。
（3）Revit的开放性较好，便于进行二次开发，提供较为完善的二次开发接口，允许用户通过“.NET”兼容的语言进行编程，支持访问模型的图形和参数数据、修改模型、增强用户界面（UI，User Interface）、重复工作自动化等操作。
2.2 开发环境
本次采用C#语言，在软件Visual Studio 2019上进行BIM建模辅助软件开发。Revit 应用程序接口（API, Application Program Interface）包含二次开发所使用的命名空间和类库，是Revit与外界程序交互的接口[6-8]。Revit API有外部命令和外部应用两种开发方式：（1）外部命令是对函数Execute()的重载，通过Revit SDK将开发的功能加载并嵌入Revit。在程序调试阶段，该方式能够方便地进行程序修改。（2）外部应用通过配合使用函数Onstartup()和Onshutdown()，使用时需要加载外部应用，加载的应用和Revit同时启动和关闭，利用外部应用方式可以在Revit的面板中增添不同功能的按钮，在程序调试成功后，利用外部应用方式将程序作为插件添加到Revit的启动项中。
2.3 软件功能
2.3.1 机柜布置
机柜布置功能根据用户输入的参数来调用相应的设备模型，同时修改模型的参数，进行机柜布置。智能一体化机柜布置功能支持的机柜类型及其规格如表1所示。
表 1 智能一体化机柜类型及其规格机柜类型 机柜规格 类型1 机柜内不包含空调，智能一体化单机柜/智能一体化多联机柜布置
均适用类型2 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合作为智能一体化单机柜 类型3 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合作为智能一体化多联
机柜的最左侧位置机柜类型4 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合作为智能一体化的中间位
置机柜的中间位置机柜类型5 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合的最右侧位置机柜联机柜
的最右侧位置机柜在机柜布置功能中，类型1~类型5机柜的选择主要有以下标准：机柜内是否包含空调；智能一体化机柜的机柜数量，以及机柜在智能一体化多联机柜中的位置。
机柜布置功能支持根据用户输入的机柜参数来修改机柜模型参数。机柜布置功能还可以根据机柜模型的尺寸、起点位置、铁路智能一体化机柜所包含的机柜数量等信息来计算出机柜布置区域，并进行实例化。机柜布置功能的实现流程如图1所示。
2.3.2 柜内设备布置
铁路智能一体化机柜的内部空间分为：信息设备的布置空间和运行环境设备的布置空间。
当进行柜内设备布置时，用户首先完成设备模型库的建立并载入到项目空间中，再选择需要布置的机柜，确认无误后依次输入各设备的名称和位置（位置即机柜的单元位置），直至完成该机柜内全部设备的输入。柜内设备布置的方法流程图，如图2所示。
2.3.3 机房布局生成
机房布局生成功能实现机房模型的生成（包含天花板、墙、门等），机房尺寸根据满足规范的最小通道距离来确定。完成机柜布置功能后，BIM建模辅助软件生成机房布局。
当进行机房布局生成时，用户通过BIM建模辅助软件过滤出项目文件中的机柜族实例并统计机柜个数，同时提取各机柜布置点坐标、机柜宽度、机柜深度等参数；计算出房间4个顶点的坐标，生成房间模型，具体流程如图3所示。
3 应用实例
3.1 工程应用
以某铁路车站视频监控系统的设备布置为例，介绍智能一体化机柜和BIM建模辅助软件。该系统所需设备如表2所示，这些设备主要包括交换机、服务器、存储设备等，需要布置在铁路智能一体化机柜中。
表 2 某铁路车站视频监控系统所需设备序号 设备名称 设备规格 数量/台 用电量/W 散热量/kJ 1 视频监控PoE①
交换机24个10/100 Mbit·s−1 RJ45端口，
支持PoE供电12 200 200 2 视频监控汇聚
交换机24个100 Mbit/s RJ45端口，
2个1 000 Mbit/s光口2 200 200 3 视频服务器 设备尺寸为2 U，满足分转发
性能要求4 250 250 4 视频存储设备 可用容量不小于50 TB 2 600 600 注：①PoE：Power over Ethernet，有源以太网。 由表2可知，设备的总用电量为5 000 kW，散热量为5 000 kJ。由设备的数量可以计算出智能一体化机柜的机柜数量，具体过程如下。
（1）视频监控PoE交换机为12台，其设备尺寸为1 U，考虑部分间距，那么需要的机柜空间为24 U。
（2）视频监控汇聚交换机为2台，其设备尺寸为1 U，考虑部分间距，那么需要的机柜空间为4 U。
（3）视频服务器为4台，其设备尺寸为2 U，考虑部分间距，那么需要的机柜空间为12 U。
（4）视频存储设备为2台，其设备尺寸为6 U，考虑部分间距，那么需要的机柜空间为14 U。
综上可知，某铁路车站视频监控系统的设备需要2台42 U标准机柜。除此之外，该系统还需考虑配线设备、配电箱、UPS主机、蓄电池、机柜专用空调、防雷箱、机房电源、环境监控等设备在机柜的布置。这些设备可以选用1台42 U标准机柜来布置。因此，某铁路车站视频监控系统共需要3台42 U标准机柜，系统设备在机柜的布置情况如图4所示。
3.2 BIM建模辅助软件实现
3.2.1 铁路智能一体化机柜模型
本文通过BIM建模辅助软件实现铁路智能一体化机柜BIM布置，对Revit的面板界面进行扩展，增加机柜布置、柜内设备布置、房屋生成这3个功能模块。扩展后的Revit面板界面如图5所示。
BIM建模辅助软件通过机柜布置功能来建立铁路智能一体化机柜的模型，输入的机柜参数如表3所示。生成的智能一体化机柜模型如图6所示。
表 3 机柜参数机柜类型 机柜宽度/mm 机柜深度/mm 机柜高度/mm 机柜数量/个 类型3 600 1 200 2 000 1 类型4 600 1 200 2 000 1 类型5 600 1 200 2 000 1 3.2.2 柜内设备布置
BIM建模辅助软件通过柜内设备布置功能进行设备布置。用户按照从左到右的顺序依次选择机柜，并逐一输入待布置设备的名称和放置的机柜空间位置，例如，“视频监控服务器”和“16 U”、“视频监控存储”和“8 U”等。完成一个设备的布置后，用户继续进行其他设备的布置。完成设备布置的铁路智能一体化机柜模型如图7所示。
3.2.3 机房布局生成
BIM建模辅助软件利用机房布局来建成机房模型。对于某铁路车站视频监控系统的机房而言，考虑机柜中的服务器等设备、综合维修距离、安全距离、运输通道等因素，铁路智能一体化机柜在机房的布置方案如图8所示。
用户在BIM建模辅助软件中分别输入表4所示的铁路智能一体化机柜正面、背面、左侧面、右侧面到四面墙的距离，即正面墙距、背面墙距、左侧面墙距、右侧面墙距，生成的机房布局如图9所示。
表 4 铁路智能一体化机柜到墙的距离正面墙距/mm 背面墙距/mm 左侧面墙距/mm 右侧面墙距/mm 1 200 1 000 1 000 1 000 4 结束语
本文以BIM技术在智能一体化机柜的应用为出发点，在Revit的基础上开发了BIM建模辅助软件。该软件具有机柜选型、柜内设备布置、机房布局生成等功能，实现了智能一体化机柜布置的快速建模。BIM建模辅助软件可以作为辅助设计工具，用于铁路智能一体化机柜的设计、设备布置、机房布局等，为BIM技术在铁路智能一体化机柜的全生命周期应用提供参考。
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表 1 智能一体化机柜类型及其规格
机柜类型 机柜规格 类型1 机柜内不包含空调，智能一体化单机柜/智能一体化多联机柜布置
均适用类型2 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合作为智能一体化单机柜 类型3 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合作为智能一体化多联
机柜的最左侧位置机柜类型4 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合作为智能一体化的中间位
置机柜的中间位置机柜类型5 机柜内包含空调（模型包含冷通道），适合的最右侧位置机柜联机柜
的最右侧位置机柜
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表 2 某铁路车站视频监控系统所需设备
序号 设备名称 设备规格 数量/台 用电量/W 散热量/kJ 1 视频监控PoE①
交换机24个10/100 Mbit·s−1 RJ45端口，
支持PoE供电12 200 200 2 视频监控汇聚
交换机24个100 Mbit/s RJ45端口，
2个1 000 Mbit/s光口2 200 200 3 视频服务器 设备尺寸为2 U，满足分转发
性能要求4 250 250 4 视频存储设备 可用容量不小于50 TB 2 600 600 注：①PoE：Power over Ethernet，有源以太网。
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表 3 机柜参数
机柜类型 机柜宽度/mm 机柜深度/mm 机柜高度/mm 机柜数量/个 类型3 600 1 200 2 000 1 类型4 600 1 200 2 000 1 类型5 600 1 200 2 000 1
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