数字化隧道三维建模分析
隧道点云拼接与BIM参数化建模研究
隧道点云拼接与BIM参数化建模研究随着城市化进程的不断加快，地下交通隧道建设成为解决城市交通拥堵问题的重要手段。
隧道的建设需要依靠大量的现代化技术手段来完成，其中包括点云拼接和BIM参数化建模技术。
本文将结合这两项技术，探讨其在隧道建设中的应用及发展前景。
一、隧道点云拼接技术点云是由大量离散点组成的三维空间数据，它可以反映出现实世界中物体的真实形态。
在隧道建设中，传统的测量和勘察方法需要大量的人力物力，并且精度有限。
而点云技术可以通过激光扫描仪等设备快速获取隧道内部的三维数据，实现对隧道内部的高精度测量。
点云技术还可以实现对现有隧道结构的三维重建，为后续的隧道设计、施工提供可靠的基础数据。
在隧道点云拼接技术中，主要存在着数据采集、数据处理和结果呈现三个关键环节。
首先是数据采集，需要利用激光扫描仪等设备对隧道内部进行全方位的扫描，获取大量的点云数据。
其次是数据处理，通过数据配准、滤波、拼接等技术将不同扫描位置的数据进行整合，形成完整的点云模型。
最后是结果呈现，通过点云数据的可视化呈现，以及对点云数据的提取分析，实现对隧道内部的结构和变形进行全方位的监测和分析。
二、BIM参数化建模技术BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型，是一种基于三维模型的数字化建造技术。
它将建筑物的各个要素以及相关的信息集成到一个统一的平台之中，实现建筑物从设计、施工到运营全过程的数字化管理。
在隧道建设中，BIM技术可以帮助工程师们更好地理解隧道的结构特征，更高效地组织施工流程，并且实现对隧道运营及维护过程的全方位监管。
在BIM参数化建模技术中，主要涉及到建筑信息模型的构建和参数化建模的两个方面。
首先是建筑信息模型的构建，需要依托BIM软件平台对隧道内部的结构、设备、管线等进行三维建模，形成包含隧道全部信息的数字化模型。
其次是参数化建模，通过设定相关的参数和规则，实现对隧道的自动化设计、优化和分析。
BIM三维隧道设计
BIM三维隧道设计第1章三维隧道设计系统软件功能设计1.1三维隧道设计系统技术路线概述地质模型的建立涉及到大量的地质专业知识，从目前的实际形势看，在现有的设计平台中开发一套地质模块的功能，面临的技术风险、耗费的时间和费用都将是十分巨大的。
有鉴于此，我们认为地质模型最好要建立在一套完善的地质平台之上，利用已有地质软件生成的地质网格模型进行优化后，转换成一个符合地质实体拟合需要的中间数据格式，以方便后续进行地质实体的重构和调整。
从这一点来看，我们对地质模型平台没有特别要求，只要它最终能输出符合实体重构需要的数据格式，并附加地质实体对应的物理属性，就可以和后续的地质实体重构、隧道建模、隧道设计、隧道工程量统计、隧道工程施工图进行无缝接合。
考虑到目前的技术积累和我们在数据转换方面已经有比较完整的数据接口，如果能采用武汉坤迪的地质模型建模平台，将可以节约开发时间和开发费用；当然如果采用其他地质系统，只要它能输出符合我们需要的中间交换数据，或者提供数据读取接口，都可以将地质实体和信息转入到三维设计平台中。
以下以采用坤迪平台作为地质模型平台为例来说明整体方案及实施流程。
图1.1 三维隧道设计系统数据流程1.2在GeoEngine软件中构建网格地质模型根据地质勘测信息、点云扫描信息、探孔信息、地下水位信息等数据在地质软件中构建网格地质模型，如下图所示。
图1.2 网格地质模型最后，从地质中导出网格地质模型为我们定义好的地质数据交换格式，为后续Rhino平台上的实体地质模型拟合的准备数据。
1.3在Rhino软件中构建真实的实体地质模型由于点云和网格拟合生成三维地质地形实体技术复杂、对三维几何造型功能要求很高、要求能够对三维地质地形实体进行灵活的人工干预、要求对大体量数据的高效计算能力，鉴于以上的技术特点，提议将点云和网格拟合为实体的功能独立出来在Rhino平台上进行，以便能让Inventor平台以及后续可能考虑的Revit平台共享该部分功能。
隧道盾构法施工的三维有限元数值模拟分析
隧 道 盾 构 法 施 工 的 三 维 有 限 元 数 值 模 拟 分 析
程 彬
（ １ ． 中煤科工集团西安研究院有限公司 ， 陕西 西安
卢 靖
７ １ ０ ０ ７ ７ ； ２ ． 中铁西安勘察 设计研 究院有限责任公 司， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ５ ４ ）
摘
要： 根据有 限元的基本原理 ， 对隧道盾构法施工过程进行 了三维 数值模 拟分析 ， 研 究了盾构施工推进过程 中隧道 围岩 的应 力、
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
位移和地表 的沉 降及衬 砌结构受力情况 ， 为以后的设计和施工提供相关依据 。
关键词 ： Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ， 有限元 ， 数值模拟 ， 隧道 ， 盾构法
中图 分 类 号 ： Ｕ ４ ５ ５ 文献标识码 ： Ａ
随着大型有 限元 软件 的迅猛发展 ， 近年来 隧道 的设 计水 平也 第③ 层为弱风化砂岩 ， 厚度大于 ２ ０ ｍ。隧道埋 深约 １ ５ ｍ， 洞身位
相应得到 了很大 进步 ， 通 过计算 机 的三维 数值模 拟 分析 ， 使我 们 于第 ② 层 强 风 化 砂岩 中 ， 隧道 衬 砌 内径 为 ５ ． ４ ｍ， 衬 砌 厚度 为
在施工前后可 以进行 工程 风险评 估 ， 建 立施工 动态数 据 信息 ， 减 ０ ． ６ ｍ。各 围岩的分布及主要物理 、 力学性 质见表 １ 。 小施工 风险 ， 同时对设计工作 提供更进一步的依据 。 国内外 专家学者对盾构法施工 的研究方法 可归 纳为 ： 经验公
④衬砌
⑤ 注浆层
２ ． ５
２ ． １
２ ８ Ｏ ０ ｏ
ｌ ０ ０ ０
Ｏ ． ２
Ｏ ． ２
１ 工 程概况
城市隧道工程设计服务的仿真与数字化技术应用
城市隧道工程设计服务的仿真与数字化技术应用随着城市化进程的加速和交通需求的不断增长，城市隧道工程的建设显得尤为重要。
而在隧道工程设计过程中，仿真与数字化技术的应用正日益成为一种不可或缺的工具。
本文将着重探讨城市隧道工程设计服务中仿真与数字化技术的应用，包括其优势、具体应用案例以及未来的发展趋势。
一、仿真技术在城市隧道工程设计中的优势1. 提高设计效率：传统的隧道设计往往需要大量的试验和实地调查，耗费大量时间和资源。
而仿真技术可以在计算机模拟环境下，通过对隧道工程中各种参数的调整和优化，快速得出设计方案，从而大大提高设计效率。
2. 提升设计质量：仿真技术可以准确模拟隧道工程在各种工况下的行为和响应，帮助设计团队更好地理解工程的特点和挑战。
通过仿真分析，可以快速识别潜在问题，并提前采取相应的预防措施，从而大幅降低设计缺陷和风险。
3. 降低成本：传统的隧道试验和实地调查需要大量的人力、物力和时间投入。
而仿真技术可以在计算机模拟环境下进行，显著降低了试验成本。
此外，仿真技术还可以通过对不同设计方案的对比，选择更经济、适应性更强的方案，从而进一步降低总体工程成本。
二、仿真技术在城市隧道工程设计中的具体应用案例1. 地质条件分析：仿真技术可以通过模拟不同地质条件下的隧道和岩土结构物的行为，准确评估地质风险，并提供合理的工程设计方案。
例如，可以通过仿真分析来评估地层的稳定性、洞室的变形和支护结构的受力，从而指导隧道工程的设计和建设。
2. 施工工艺优化：仿真技术可以模拟不同施工工艺下的隧道施工流程和施工风险，提供合理的施工方案。
例如，可以通过仿真分析来评估不同爆破方式下地质的破坏程度和周围建筑物的影响，从而优化施工工艺，减少对周围环境的干扰。
3. 设计优化：仿真技术可以通过模拟不同设计方案下的隧道结构和材料的响应，评估其性能和可行性。
例如，可以通过仿真分析来评估不同材料厚度和支护结构类型的影响，从而选择最优方案，提高隧道的结构安全性和使用寿命。
隧道工程中的三维地质建模与分析
隧道工程中的三维地质建模与分析在现代隧道工程中，三维地质建模与分析是不可或缺的一环。
通过对隧道区域的地质进行三维建模和分析，可以为隧道施工提供重要的支持和保障。
下面将从三维地质建模方法、应用及优势等方面来探讨隧道工程中的三维地质建模与分析。
一、三维地质建模方法在隧道工程中，三维地质建模主要通过地质调查、地质勘探、地质资料分析及地质模型构建等方式实现。
首先进行的是地质调查和地质勘探，该过程主要是为了了解地下环境的物理和化学属性，包括地质构造、岩性、褶皱、断层、水文地质条件等。
其次是地质资料分析，该过程主要是将地质资料转化为数字格式以进行简化和分析，包括地质剖面、地质图、地图时序影像和地层描述等信息。
最后是地质模型构建，该过程主要是将地质信息进行数值化计算，以构建三维地质模型。
三维地质模型基于地质资料的分析和建模，提供了高精度和可视化的地下信息，以供隧道施工各阶段的工程设计和施工过程中的风险评估。
二、三维地质建模的应用目前，三维地质建模主要应用于隧道工程的各个方面，包括土层和岩石的勘探和评价、隧道掘进设计、地面和地下水流动模拟、爆破振动分析等。
在隧道设计阶段，三维地质模型可以提供有关地下物理和化学属性的大量详细信息，以协助工程师进行隧道设计。
隧道施工期，三维地质模型将面临大量的爆破振动、地面和地下水流入及坍塌等难题，该模型可以帮助隧道技术人员进行风险评估，优化隧道设计，提高隧道施工的效率和安全性。
三、三维地质建模的优势相对于二维和传统的三维地质建模，三维地质建模具有以下明显优势：（1）高精度性：三维地质模型提供了高精度和可视化的地下信息，为工程师和隧道技术人员提供更准确的数据来源。
（2）更自然地模拟地下环境：三维地质模型可以更好地模拟复杂的地下物理和化学环境，如褶皱、断层、岩性和土层结构等，更好地反映了地下的真实环境。
（3）强大的综合应用能力：三维地质模型可以支持多种应用精度，例如大规模的施工模拟，地下水流动模拟以及岩石或土层稳定性评估等。
数字化隧道三维建模分析
数字化隧道三维建模分析
宋仪１郭年根２李俊波２李凤蓉１万和平３
１．中铁隧道勘测设计院有限公司，天津３００１３３２．铁道部信息技术中心，北京１００８４４
３．立得空间信息技术发展有限公司，武汉４３００７４
摘要：为解决既有隧道数字化三维建模的难题，比较后认为应采取利用构件模型库组装隧道的技术路线，提出三维数字隧道建模需要解决的４个关键问题，并明确给出解决问题的思路，同时提出可以依托隧道建模程序，继续开发三维隧道设计软件的构想。
关键词：隧道；数字化隧道；三维设计
信思。
以隧ｊｌｌ道横、竖向此
能够根据需要
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数字化隧道三维建模分析
作者：宋仪， 郭年根， 李俊波， 李凤蓉， 万和平
作者单位：宋仪,李凤蓉(中铁隧道勘测设计院有限公司,天津300133)， 郭年根,李俊波(铁道部信息技术中心,北京100844)， 万和平(立得空间信息技术发展有限公司,武汉430074)
本文链接：/Conference_7917817.aspx。
地铁渡线隧道施工性态的三维数值模拟与分析
场, 开挖效果的模拟采用空单元法来实现 , 这种方 法在开挖过程中所求的应力场为真实的应力场, 而 所求的位移场需与初始位移场进行矢量求和才为 真实的位移场, 这与通常的反转等效节点力法模拟 开挖正好相反 , 具体是通过 ANSYS 软件提供的单 元# 死∃ 功能来实现, 即在保证方程不出现病态的情 况下 , 把要挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比 例因子 , 使其刚度贡献变得很小可忽略不计 , 同时 使其质量、 载荷等效果的值也设为零, 这样便可在 整个开挖计算过程中采用同一种有限元剖分网格。 初期支护和临时支护的实现是通过程序提供的单 元# 生∃ 功能来实现, 也就是在合适的载荷步中使先 前处于# 死∃ 状态的单元的刚度、 质量、 载荷等在当 前的构型 ( 通过程序提供的有限变形的拉格朗日描 述来实现 ) 中恢复其原始的数值, 此外, 模拟二次衬 砌和注浆加固效果的块体单元需要在合适的载荷 步中( 二次衬砌单元需要先使其处于# 生∃ 状态 ) 通 过程序提供的改变材料的属性功能来实现。开始 计算前使初期支护和临时支护板壳单元处于 # 死∃ 状态 , 模拟分析完全反映实际施工的动态过程。 3. 3 计算结果分析
通过三维弹塑性有限元分析可知, 施工完成 时地表最大沉降量约为 27. 534 mm, 地表沉降槽关 于计算模型的中心线基本呈正态曲线对称分布, 见 图 6 所示, 由此可知, 施工期间地表的沉降量满足 环境控 制要求 ( ! 30 mm) 。施工期间隧道围 岩的 最大沉降值位于大断面喇叭形隧道的拱顶部位以 及三 连拱 隧 道中 柱 上方 部 位, 最大 下 沉值 约 为 38. 46mm, 最大隆起也位于这些部位 , 最大隆起量 约为 23. 95mm, 见图 7 所示, 变形计算结果一方面 表明施工期间围岩处于稳定状态 , 另一方面也表明 这些部位是施工中的薄弱环节, 应引起高度重视和 密切关注 , 加强这些部位的监控量测工作。 为了验证计算结果的合理性和可靠性 , 本文选 取三孔三线中心里程 SK3+ 395. 145 处横断面地表 沉降的计算值和现场量测值进行比较 , 比较结果见 图 8 所示, 由图 8 可知 , 二者数据吻合较好 , 从而说 明文中的分析结果是合理的。
(整理)隧道三维模型1
某隧道三维有限元模拟一、模型简介隧道开挖轮廓左、右、下各取50m，上取至地表(隧道埋深30m),纵向长度14m。
台阶长度6m，进尺为0.5m，两台阶五步开挖。
围岩用等参20 结点的三维实体solid95单元模拟，共20552个；喷射混凝土用4节点空间壳shell181单元模拟，共1008个；锚杆用link1单元模拟，共2100个。
围岩材料采用德鲁克—普拉格(D —P) 模型,支护结构按弹性计算。
分析的目标断面为9m处断面。
由于计算机容量原因，模型中已计算7个开挖循环，即上台阶开挖到13m处，下台阶开挖到7m处。
图1 有限元模型二、模拟步骤1、自重应力场模拟2、上台阶第一步开挖6m（释放荷载50%）3、上台阶已开挖处初期支护（喷射混凝土、锚杆）4、上台阶核心土开挖开挖6m（释放荷载50%）此时，形成6m的上下台阶，此后为开挖循环5、上台阶第一步开1m（释放荷载50%）6、上台阶已开挖处初期支护（喷射混凝土、锚杆）7、上台阶核心土开挖开挖1m（释放荷载50%）8、下台阶核心土左侧开挖1m（释放荷载50%）9、下台阶核心土左侧初期支护（喷射混凝土、锚杆）10、下台阶核心土右侧开挖1m（释放荷载50%）11、下台阶核心土右侧初期支护（喷射混凝土、锚杆）12、下台阶核心土开挖1m（释放荷载50%）13、下台阶核心土初期支护（喷射混凝土）5到13步为一个开挖进尺，按此开挖步骤向前掘进。
图2 隧道纵断面示意图(单位: m)三、模拟结果1、拱顶沉降及拱低隆起图中绘出了拱顶和拱底的开挖步与位移关系曲线，从图中看出，开挖到此步时，拱顶沉降量为8.66mm，拱底隆起量为8.21mm。
图3拱顶及拱底变形曲线2、围岩应力图3.1—3.6为围岩y方向应力，拱脚y方向应力达到2.66Mpa。
图3.1 第二个循环图3.2 第三个循环图3.3第四个循环图3.4 第五个循环图3.5 第六个循环图3.6 第七个循环3、锚杆轴力从图中看出，目标断面的锚杆施作之后，锚杆轴力越来越大，但增大的速度有所减缓。
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数 字 化 隧 道 三 维 建 模 分 析
宋 仪 ， 郭年根 ， 李俊波 ，李凤 蓉 ， 万和 平
ｐ ｒ ｏ ｐｏ ｓ ｅ ｄ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｍｏ ｄｅ ｌ ｉ ｎ ｇ； ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ｔ ｕ ｎｎ ｅ ｌ ；３ Ｄ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
０ 引 言
近年来 ， 随着 我 国铁路 工程建 设 的大规模 开 展 ， 利
理 、 三维地 图 等领 域 有一 定程 度 的应 用 ， 其方 法 多 是采用航测 、 激光扫描 、 数 字三维 照像等技术 ， 对 已经 建 成 的道路 、 桥梁、 建筑 物等进行 扫描 ， 得到 目标 的外形 信 息， 并形成数字化 三维模型 。这种 方法 只适用 于 已经 建
（ １ ． 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 ３ ０ ０ １ ３ ３ ； ２ ．铁道部信息技术中心， 北京 １ ０ ０ ８ ４ ４ ； ３ ． 立得 空 间信 息技 术发展 有 限公 司 ，湖北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
摘 要 ：为解决 既有 隧道数字化三维建模 的难题 ， 提出利用构件模 型库组装 隧道 的技 术路线 。整 理 出隧道构件模 型库 的分 类 ， 并完 成各类构件模型的参数设计 工作 ； 提 出由构件搭建三维隧道模型 的具体步骤并将其 固化为 ６个功能组 ， 分析 出每个 功能组 的作 用 、
２ ．Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ ｎ ， ） ， ｆ ｏ Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ ｓ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ８ ４ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
３ ．Ｌ ｉ ｄ ｅ Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ４ ， Ｈ ｕ ｂ ｅ ｉ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
输入及输出等关键 需求 ； 提 出继续开发三维隧道设计软件 的构想 。 关键词 ：隧道建模 ；数字隧道 ；三维设计
Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ７ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２—７ ４ １ Ｘ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ０ ２
中 图分 类 号 ： Ｕ ４ ５ ２
文献标志码 ： Ａ
文章 编 号：１ ６ ７ ２— ７ ４ １ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ２— ０ ０ ９ ８一Ｏ ５
Ｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ３ Ｄ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｔｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｓ
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Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｄ ａ ｔ ａ ｂａ ｓ ｅ ｔ ｏ ａ ｓ ｓ ｅ ｍｂ ｌ ｅ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｉｃ ｆ ａ — ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｕ ｎ ｎｅ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｄ ａ ｔ ａ ｂ ａ ｓ ｅ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ．Ｔ ｈｅ ｓ ｐ ｅ — ｃ ｉ ｉｃ ｆ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｏ ｆ ３Ｄ ｔ ｕ ｎ ｎｅ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｔ ｈ ６ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐｓ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ａ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｒ ｅ ｑ ｕｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ．Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎｄ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ３ Ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｓ ｏ ｔ ｆ ｗａ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ