BIM在鐵路設計中的應用初探

朱 江

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

鐵路設計是一項龐大復雜的系統性工程,需要設計團隊內部的多專業間密切配合,頻繁地進行多種形式設計信息的交互,并且與業主、施工單位、監理等多個建設參與方進行溝通協作來完成,共同將設計成果實現為鐵路建筑物實體。當前,參與鐵路設計的各專業都有專門的輔助設計軟件,但在設計過程中以及最終的設計結果都采用傳統的二維平面圖形式,這種方式雖然在一定程度上提高了設計效率,但用二維的手段來表達龐大復雜的空間三維鐵路實體，并不符合人類的認知和思維習慣,軟件只是起到了輔助設計的作用,達不到“所見即所得”的可視化效果,工程師在進行設計時不能發揮最大的創造性。由此引發的鐵路建設過程中產生一系列問題,主要表現為以下幾個方面：

專業間信息溝通不及時、不順暢。鐵路設計各專業都是在獨立的知識和軟件平臺中進行設計,專業間接口繁多,設計過程中相當一部分的信息共享和交換是由人工完成的,不能實現設計信息的集成和自動化傳達,這就使得工程師們有時需耗費大量時間來處理和理解其他相關專業提交的設計數據,并經常發生由于設計變動的更新延遲而導致返工的人力、時間浪費現象,影響鐵路設計效率的進一步提高。

設計意圖表達和理解不明確。鐵路項目在勘測設計過程中需要與業主、當地政府進行設計方案影響因素的采集和協商,最終的設計成果需要施工單位去嚴格和準確地執行,才能保證設計成果的科學性和設計意圖的正確實現。設計方將成果向業主和施工方交底時,絕大部分采用的是二維平面圖的形式,甚至有的附屬工程設計只有文字說明,施工方不能準確地理解設計意圖,這將直接影響到工程建設的進度和質量,導致合理的設計意圖得不到合理的實現,并造成人力物力財力的浪費。例如,當前客運專線排水工程中存在著一些問題和隱患[1-2],一部分原因就在于：施工技術員在復雜的現場情況下對二維的排水設計圖紙和文字說明理解不透徹,從而隨意指導施工甚至不施工。

設計成果不能有效地服務于鐵路運營、維護和管理。鐵路在建造完成后,其運營時期將長達十幾年甚至幾十年,在此期間通常需進行多次大規模的鐵路養護和維修。當前鐵路養護雖然采用了一些較為先進的機械裝備,如軌檢車、起道撥道設備等,但多數鐵路問題的發現還依賴于人力,并且養護過程中需要在海量的設計圖紙中來查找問題路段的設計資料,由于設計單位通常不參加鐵路養護,設計成果有時不能得到正確的理解,導致養護維修工作效率低下。

以上幾個問題雖只是針對鐵路建設而提出的,但其在建筑行業中具有普遍性,相似的現象在建筑、公路、電信、管道、市政設施等其他工程建造業的設計過程中也同樣存在。為此,借鑒裝備制造業的成功經驗,國內外學者和軟件開發商將工程項目生命周期各階段的信息以面向對象的方式集成起來[3],提出了“建筑信息模型”(Building Information Modeling,BIM)的概念和解決方案。

1 BIM的概念和應用

1.1 BIM的概念[4-8]

建筑信息模型(Building Information Model)是以三維數字技術為基礎,集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型,這個概念的定義最早是由美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)博士于30年前提出的：“建筑信息模型綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構件性能,將一個建筑項目整個生命周期內的所有信息整合到一個單獨的建筑模型中,而且還包括施工進度、建造過程、維護管理等的過程信息”。

國際標準組織設施信息委員會(Facilities Information Council)對BIM的定義是：BIM是在開放的工業標準下對設施的物理和功能特性及其相關的項目生命期信息的可計算/可運算的形式表現,從而為決策提供支持,以更好地實現項目的價值。在其補充說明中強調：BIM將所有的相關方面信息集成在一個連貫有序的數據組織中,相關的計算機應用軟件在被許可的情況下可以獲取、修改或增加數據。

2002年,歐特克(Autodesk)公司針對建筑行業率先提出了BIM的一攬子解決方案[2],目前已逐漸擴展到其他工程建設行業,并在全球范圍內得到工程業界的廣泛認可。歐特克公司指出BIM是基于最先進的三維數字設計解決方案所構建的“可視化”的數字建筑模型,為設計師、建筑師、設備工程師、業主乃至最終用戶等各環節人員提供“模擬和分析”的科學協作平臺,幫助他們利用三維數字模型對建筑項目進行設計、建造及運營管理。

雖然不同的組織針對BIM有不同的解釋,但綜合起來BIM主要包括以下兩大核心理念：

(1)BIM中工程信息包含了建筑工程的幾何和功能屬性以及與之相關的項目全生命周期信息,通過一個綜合協同的n(n≥3)維仿真數字化、可視化平臺,使得這些信息服務于建筑工程的規劃、設計、施工、運營乃至拆除的全過程。

(2)能夠在綜合數字環境中保持信息共享和不斷更新,即在各種工程信息之間創建實時的、一致性的關聯,對平臺中信息的任何更改,都馬上可以在其他關聯的地方反映出來,使得業主、政府管理機構、設計單位、施工單位甚至用戶都可以清楚全面地了解項目進程,如圖1所示。

圖1 BIM在建筑全生命周期中的信息共享

1.2 BIM的應用

目前BIM在國內的應用尚處于起步和發展階段。而一些國際公司從BIM概念產生開始便大力開發BIM應用系統,并已成功應用于多個工程建筑行業。針對不同建筑行業的特征,Autodesk、Bentley、Graphisoft/Nemetschek AG等國際公司研發了一系列的BIM應用系統,其中尤以Autodesk公司起步最早、應用范圍最廣。如Autodesk針對民用建筑行業推出的Revit系列軟件, Revit Architecture、Revit Structure和Revit MEP分別對應于建筑、結構以及設備幾個不同的專業領域。參數化建筑圖元是Revit的核心,而參數化修改引擎提供的參數更改技術,使得用戶對建筑設計模型任何部分的更改都能自動放映到其他用戶的設計視圖中,引起設計關聯變更。國內某建筑設計研究院應用Revit系列軟件設計了西安地鐵控制運營中心,將后勤系統、空調系統、給排水系統、信號系統等14個常規土建系統和非常規專業系統集成在Revit智能三維平臺中設計,讓建筑師、水暖工程師、結構工程師以及各專業系統的設計師在項目進行的各個階段準確地察看地鐵運營中心的外觀和內部,更好地了解成本、進度和環境影響等重要因素,從而很好地提高了設計方案的質量和效率。圖2為在Revit平臺中顯示的西安地鐵控制運營中心效果圖。

圖2 西安地鐵控制運營中心在Revit平臺中的設計效果

Autodesk公司推出了Civil 3D軟件作為交通、管道、水利等土木工程行業實現BIM的解決方案,如在道路設計方面,AutoCAD Civil 3D模型能夠幫助交通設計專業人員簡化道路設計項目各個階段的流程。在前期設計階段,分析工具能夠用于更快地確定各種方案的問題和可能產生的影響。在最終設計階段,包括水平和垂直幾何體、排水系統、公用設施、用地界在內的項目數據能夠互相或與圖紙進行關聯。強大的可視化和仿真工具能夠對道路的外觀以及未來的運行情況進行預測。

荷蘭某設計公司借助Civil 3D和Revit設計了既有鐵路橋梁的重建工程。首先充分利用Civil 3D提供的現有地理信息系統、鐵路線路和勘測數據,創建了既有鐵路線路模型和附屬工程模型,在此基礎上在Revit中進行既有橋梁模型恢復和新建橋梁的詳細設計。由于能在Civil 3D與Revit的無縫環境中整合和可視化鐵路、橋梁、附屬工程設施,在項目的早期便能檢查設計方案的可行性和可施工性,設計效果如圖3所示。

圖3 鐵路橋梁在Civil 3D與Revit集成平臺中的設計效果

2 BIM在鐵路設計中的應用設想[9-10]

如前所述,鐵路設計是一個龐大復雜、分階段逐步細化的系統性工程,牽涉到業主、設計方、施工單位等多個參與方和設計方的諸多專業,多年以來形成的二維、分專業的設計模式不能一蹴而就地快速轉變為BIM平臺中的三維可視化、協同、智能的設計模式。因此,筆者認為,應從設計流程和設計習慣的標準化和規范化入手,結合三維可視化、地理信息系統、網絡通信等當前發展較為成熟的信息化技術,分階段地將BIM技術應用到鐵路設計領域中來。

2.1 前期規劃階段

在鐵路設計的前期,需通過預可行性研究從宏觀上論證項目的必要性,為項目的投資建設提供必要的準備資料,即在研究鐵路建設項目在路網中的意義和應用以及與鄰接鐵路的關系的基礎上,分析沿線地區社會、經濟等數據,提出對項目的線路走向、接軌方案和主要技術標準等的初步意見。

BIM的應用雖一般多見于建筑的設計、施工和運營階段,而在鐵路的前期規劃階段,也可以利用BIM的思想初步構造出一個集成了地理信息系統的三維可視化電子沙盤,初步思路如下：

(1)收集鐵路項目所在區域的既有路網信息、社會經濟基礎數據,結合反映區域自然特征的小比例尺地形圖建立區域路網三維模型。

(2)在模型中進行客貨運量預測,確定項目功能定位和建設的必要性,初步提出線路的大致走向。

(3)運用GIS的空間分析、專題圖制作等功能,考慮沿線自然特征、影響線路走向的重要因素,確定線路平面方案的帶狀走廊帶。

2.2 外業勘測階段

鐵路外業勘測分為初測和定測兩階段,這兩個階段分別是進行可行性研究和初步設計的重要的基礎性工作。雖然在外業勘測階段不進行具體的鐵路建筑物細部設計,但由于方案的穩定和設計資料的收集主要是在這兩個階段完成,并且在外業階段也需進行一部分的現場選址和設計準備工作,如取棄土場選址、牽引變電所選址、橋梁孔跨布置等等,因此,BIM在外業勘測階段的應用是BIM在鐵路設計中的應用的前提,并且具有一定的共性。

當前鐵路外業勘測過程中,專業間的互提資料以及勘測成果的表達都是以電子或紙質的CAD圖形、文檔甚至口頭說明為載體進行的,各專業技術人員在進行本專業的現場選址和勘測資料整理時經常需要和其他專業反復溝通,影響了外業勘測和后續設計工作的效率和進度。借鑒BIM的設計元素模型化的思想,筆者認為可從以下兩個方面入手將BIM引入到鐵路外業勘測過程中來：

(1) 電子化外業勘測成果,以鐵路三維模型為基礎,建立一個存儲各專業外業勘測數據的中央數據庫,即在同一個BIM平臺中整合紛繁復雜、格式多樣的各種外業勘測數據,如GPS掃描的地形地物數據、橫斷面數據、地質情況數據、橋涵水文資料等。

(2) 規范外業勘測過程中各專業內業工作的流程,細化各專業間互提設計資料的接口,各專業可以在平臺中實時錄入、編輯本專業的勘測數據,并且其他相關專業可以隨時了解和查看該專業數據變化的結果。例如,線路、站場專業可以查看地質專業在平臺中錄入的沿線地質情況數據,以進行方案調整、取土場選址等工作。

2.3 設計階段

利用BIM進行設計,是BIM技術應用最成熟的階段,BIM最初就是從建筑工程設計軟件開發的過程中提出的概念,設計階段是一個既要反映國家或業主方的建設意圖同時也要將設計方案提交給施工單位進行建設的承前啟后的關鍵階段,因此BIM在鐵路設計階段的應用是BIM在鐵路建設行業中應用的突破口。

鐵路設計一般分為初步設計和施工圖設計兩階段,通常涉及到地質、線路、站場、橋梁、隧道等站前專業和通信、信號、電氣化、車輛等站后專業等二十多個專業,各專業間需進行頻繁和海量的設計信息溝通,與2.2中外業勘測中存在的問題類似,當前鐵路設計過程中各專業都是在獨立的平臺中設計后,通過二維的圖表、文字等常規手段將設計結果提交給其他相關專業和施工單位,這種方式不可避免的會產生本文引言中所述的諸如設計信息表達和理解不清晰、低效率等問題。筆者認為,可以從以下步驟著手逐步將BIM思想應用到鐵路設計工作中來：

(1)將各專業的設計流程和設計成果格式的標準化,借助勘測設計一體化研究的部分成果首先實現各專業設計軟件系統的互連互通和設計資源共享。

(2)由于線路、地質、站場、橋梁、隧道等站前專業進行鐵路主要結構物的設計,且相互之間十分緊密,是鐵路設計的基礎部分,因此,可先將站前專業的設計工作整合到同一個三維平臺中,該平臺可以直接調用外業勘測數據庫來進行設計,設計成果存儲于一個統一的站前專業設計成果數據庫中。

(3)站后專業利用站前專業設計成果數據庫為基礎進行后續的通信、信號、電氣化等的設計,建立一種專業間設計信息更改聯動和反饋機制,并將設計成果與站前專業成果一起形成一個多層次整體的三維可視化模型,通過該模型中既可以通過各專業三維模型視圖、局部構造物三維模型視圖和二維的圖表、文檔等多種表達形式提交給施工單位。

3 結論和展望

針對鐵路設計中存在的問題展開探討和分析的基礎上,初步提出了將BIM技術應用到鐵路設計中的設想和規劃。完全實現鐵路行業的BIM設計是一個長期的過程,需要鐵路設計各專業的通力配合與共同創造,它的實現不僅僅是帶來一次設計技術的進步和更新換代,也將促使鐵路施工和運營方式的一次轉型,對整個鐵路行業也會產生深遠的影響。

[1] 鐵建設[2009]172號 鐵路邊坡防護及防排水工程設計補充規定[S]

[2] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司. 武廣客運專線排水工程排查匯報[R].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2009

[3] 趙毅立.下一代建筑節能設計系統建模及BIM數據管理平臺研究[D].北京：清華大學土木工程系,2008

[4] 麥格勞-希爾建筑信息公司.BIM中國調研報告-建筑信息模型—設計與施工的革新,生產與效率的提升[R].北京：麥格勞-希爾建筑信息公司，2009

[5] 建筑信息模型,Autodesk, Inc.[EB/OL].[2000-01-08].http:∥www.autodesk.com.cnadsk/servlet/index？siteID=1170359&id= 10180774

[6] 陳 彥,戴紅軍,劉 晶,等.建筑信息模型(BIM)在工程項目管理信息系統中的框架研究[J].施工技術,2008(2):5-8

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[10] TB 10504—2007 鐵路建設項目預可行性研究、可行性研究和設計文件編制辦法[S]