BIM在鐵路建設項目中的應用分析

盧祝清

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國鐵路進入高速發展階段，一大批鐵路項目開工建設，對鐵路工程的工期、質量和技術要求越來越高。然而鐵路建設項目是個復雜的系統工程，需要各階段相互銜接、各專業協同設計。現在的鐵路建設大多都是采用二維平面設計，然后以郵件、會議等形式來傳遞圖紙和說明等形式協同工作。在信息溝通、資源調配、進度控制、設計標準化等方面的統一管理復雜且低效。各專業間信息溝通不及時、不順暢;設計意圖表達和理解不明確、不完整;設計成果對于鐵路運營、維護和管理的服務效果不明顯。現代鐵路工程的技術更加復雜、周期要求短、需要眾多設計人員頻繁交換信息。建筑信息模型(BIM)以包含多層信息的三維模型為基礎，通過模型與設計人員的信息交流實現協同設計，能夠有效滿足鐵路建設發展的要求。

1 BIM的基本概念

1.1 BIM的基本概念

BIM是“建筑信息模型”(Building Information Model)的簡稱，BIM技術是指將建筑工程項目中的單一構件或物體作為基本元素，將描述基本元素的幾何數據、物理特性、施工要求、價格資料等相關信息有機地組織起來，形成一個數據化的建筑模型，作為整個建筑工程項目的數據資料庫。這些圍繞建筑物構件或物體組織起來的數據不僅只是簡單地反映了建筑元素的幾何特征、物理屬性等特性，相互之間還保持著作為建筑整體一部分的空間關系和邏輯關系，作為虛擬空間的數字化建筑物，形成了完整的、有層次的信息系統。這個模型不僅可以用于設計，還可以用于設備管理、工程量統計、成本計算、運營維護管理等。可以在整個建筑業中發揮作用，管理建筑生命周期的全部信息。如圖1所示。

圖1 虛擬建筑模型在建筑生命周期中的信息共享

1.2 BIM的核心特征

建筑信息模型BIM采用參數化來描述建筑單元，以墻、窗、梁、柱等建筑構件為基本對象而不是CAD中的點、線、面等幾何元素，并將建筑單元的各種真實屬性通過參數的形式進行模擬[1]。如圖2所示為普通CAD軟件與BIM所包含建筑信息的比較。

圖2 CAD繪圖軟件與BIM軟件所包含建筑信息的比較

1.3 BIM技術特點

(1)信息多元化。在建筑信息模型中，建筑構件并不只是一個虛擬的視覺構件，而是可以模擬除幾何形狀以外的一些非幾何屬性，物理信息、功能信息、甚至全生命周期信息。

(2)參數驅動。是指模型的所有圖元之間的關系。BIM軟件立足于數據關聯的技術上進行三維建模，模型建立后，可以隨意生成各種平、立、剖二維圖紙。對數據庫中數據的任何更改，都馬上可以在其他關聯的地方反映出來。

(3)遵照統一標準，實現多種軟件的信息互訪。BIM的數據是開放的，所有采用BIM技術的軟件都支持國際標準組織認可的工業基礎分類(IFC)標準。當BIM采用IFC格式輸出數據時，其他支持IFC標準的軟件就可以直接讀入這些數據進行數據處理。

(4)參與各方協同合作。隨著建筑工程復雜性的增加，跨學科的合作成為設計的趨勢。建筑信息模型為傳統建筑各專業提供了一個良好的技術協作平臺。BIM內嵌的大型數據庫支持多人在同一建筑數據模型下在建筑生命周期3個主要階段即設計、施工和管理的每個階段中，訪問模型關鍵信息。

2 BIM的應用現狀

2.1 BIM的應用現狀

目前，BIM的應用在歐美發達國家正在迅速推進，如美國已推出國家BIM標準，規定房屋建筑設計必須應用BIM技術，推行集成項目交付IPD管理模式。比較成熟的BIM軟件例如Graphisoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的 Microstation.TriFoma，和 Autodesk公司的Revit這些軟件都以數字化的建筑實體和構件作為設計元素，并能自動計算和反映這些元素之間的空間關系、功能聯系等，為設計師想象力的發揮提供了極大的空間。在國內，基于BIM技術的建筑設計、節能設計、成本預測、施工優化、施工安全分析等建筑工程軟件有了深入研究。在建筑、公路、地鐵、機場等領域，BIM技術都得到了廣泛應用。

BIM進行建筑模型的整體搭建，塑造了形體和空間關系，使表達不再是單純的平面圖紙。如圖3(a)為哈爾濱西火車站設計初期，進行三維設計的過程，圖3(b)為設計完成并經過渲染的立體效果圖[2]。

圖3 哈爾濱西站三維設計

2.2 BIM在鐵路領域的應用現狀

在鐵路領域，采用BIM技術的研究與應用也在快速發展。運營、設計及軟件開發等相關部門都在大力推進鐵路數字化發展。從鐵路設計開始到施工，一直到運營維護，都可以用1個完整的模型整合在一起，這樣可確保將鐵路系統從設計階段到運營階段的各個技術項點統一在1個完整的數據平臺之上，為設計者、施工者、運營管理者提供1個有效的數據基礎，讓他們去實現各自在不同環節的工作目標。

3 在鐵路建設項目中應用BIM技術的設想[3～6]

3.1 立項決策階段

在鐵路建設項目的初期，需要經過逐步細化的論證過程。預可行性研究報告是項目立項的依據，根據鐵路中長期規劃，收集相關資料，系統研究項目在路網及綜合交通運輸體系中的作用和對社會經濟發展的作用，初步提出建設方案、規模和主要技術標準，論證項目建設的必要性和可能性。可行性研究文件是項目決策的依據，根據國家批準的項目建議書進行全面深入的論證，提出建設方案、規模等推薦意見，經過基礎性設計和研究后，進行經濟評價，論證建設項目的可行性。

在這一階段，可以利用BIM的思想構建驗證鐵路建設項目必要性的三維可視電子模型。在模型中包括:所在區域既有鐵路網和其他可替代交通方式組成的交通網信息;沿線經濟發展、人口、民族、政治等影響項目的社會信息;包含重大不良地質信息、沿線自然特征的地理信息。

由于模型元素都是參數化和可運算的，因此可以基于模型信息進行分析和計算，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，綜合沿線自然特征、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。

3.2 勘察設計階段

3.2.1 外業勘察階段

外業勘察是鐵路設計的基礎。為鐵路設計提供基礎資料和設計前提。在外業勘察期間除了要進行地形測繪、地質勘探外，還要完成設計資料的收集工作，進行地下管線、道路交叉、電力交叉、重大拆遷工程、水文、土源等調查工作。并完成方案的確定和部分設計工作，比如確定線路走向、道路改移、橋跨形式、涵洞布置和隧道布置等方案。

在勘察階段引入BIM技術，首先是在前期模型的基礎上，建立由外業程序數據庫、外業成果數據庫和流程數據庫組成的外業BIM平臺，將鐵路設計需要的各種信息填充到鐵路模型中。在此平臺上規范各專業外業工作程序，各專業從BIM平臺獲取工作要求及開展工作所需的資料，并將工作細分，確定時間節點、指定工作責任人分別開展。各專業開展工作后，實時將成果資料輸入到平臺數據庫，包括地形地物測繪數據、中線數據、地質情況數據、橋涵水文資料，線路、站場、橋梁、隧道等專業的設計成果并提出下一步設計工作要求。同時，BIM平臺在接收到新數據后，及時按照預定程序將新的數據成果分發給需要的專業和執行人，使相關專業可以隨時了解和查看該專業相關數據變化的結果，采用各專業間資料交流的電子接口，實現各專業工作的聯動。并能通過網絡實現各測段的信息交流和外業與內業設計的實時交流。

3.2.2 設計階段[7]

利用BIM進行設計，是BIM技術應用最成熟的階段。BIM最初就是從汽車、飛機等工業產品設計采用的三維技術應用到建筑工程設計進行軟件開發的過程中提出的概念，鐵路設計涉及20多個專業，包括線路、站場、路基、橋梁、隧道等站前專業和通信、信號、電化、給排水、機械、牽引、車輛等站后專業等。各專業間需進行頻繁和海量的設計信息溝通。

在鐵路設計中使用BIM技術，可以利用勘察設計一體化程序，以外業勘測數據庫為基礎，創建以包含鐵路多層次信息三維模型為核心的專業設計平臺。以該平臺提供各專業所需的設計資料，整合各專業設計軟件，統一數據格式、集中設計成果存儲。與勘察階段一樣，可以通過該工作平臺控制各專業設計作業程序和流程，通過設計人員與模型的數據電子交流接口，實現各專業設計修改聯動的協同設計工作。利用鐵路三維模型，既可以提取出傳統的二維平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖和各種設計圖表、文檔，又可以提供三維模型視圖、局部構造物三維模型視圖等。圖4(a)為使用三維設計軟件進行建模設計得到的某鐵路三維透視圖。設計完成后，經過添加材質及渲染后可以得到如圖4(b)的三維效果圖。

圖4 鐵路三維設計

3.2.3 方案測評階段

在傳統設計過程中，一般都是等線路方案基本穩定之后，交由相關專業進行專業測評。引入BIM技術后，可以勘察、設計甚至立項階段的BIM平臺中整合評測模塊，在勘察設計階段進行環境、水文、振動與噪聲的測評。利用包含鐵路多層次信息的三維模型模擬工程建設過程及運營中周邊敏感點受到的影響，從而為線路走向及各工點設計方案提供設計依據。

3.3 工程實施階段[8]

通過對工程的施工模擬，得出最優的施工方案，并細化施工過程確定施工進度。通過賦予建筑構件材質、光照等屬性，構建施工過程虛擬環境，實現施工進度可視化。為施工過程的進度管理提供對比依據。對施工過程進行施工操作沖突分析與設施碰撞檢測，進行設施之間、施工機械之間以及施工機械與主體結構之間的碰撞檢測。通過施工工序的模擬計算，得出工序工期、人力、機械、場地等資源的占用情況，為施工過程中人、機定額管理和材料消耗數量提供對比，對施工工期、資源配置以及場地布置進行優化。對施工過程中建筑結構、施工工序及場地設施布置等隨進度的變化狀況進行虛擬模擬，并在施工模擬過程中進行實時的人機交互，實現施工計劃、場地布置、機械操作的實時調整。

3.4 竣工驗收及運營維護階段

在驗收過程中，可以通過檢測系統對竣工的鐵路進行數據檢測并將數據輸入鐵路模型，包括對路基、橋梁、隧道等基礎設施的檢測以及列車運行的動態檢測數據。通過對比各項設計指標，評定出鐵路施工質量。

在運營階段，可以基于BIM模型平臺，及時輸入客、貨流量，通過對比分析，實時調整客、貨列車運行。

在維護過程，通過設施監測、檢測系統獲取基礎設施的狀態數據，綜合列車運行情況，制定養護維修計劃。

4 結語和展望

建筑信息模型是對工程項目信息的數字化表達，是數字技術在工程中的直接應用，它代表了信息技術在工程中應用的新方向。BIM在鐵路建設項目中的應用還僅僅是個開始，還存在統一行業標準、開發專用軟件等一系列的問題，但是可以通過在設計等個別階段率先實施、整合現在既有的勘察設計模型、施工管理模型、運營維護模型等渠道，開發實現多階段、多專業一體化的大型BIM平臺，讓BIM在鐵路建設領域中發揮應有的作用。

[1]劉照球，李云貴.建筑信息模型的發展及其在設計中的應用[J].建筑科學，2009(1).

[2]BIM 資訊網.BIM 應用:哈爾濱西火車站[OL].http://www.biminfo.cn/BIM-application/BIM-design/755.html.

[3]祝嘉.在城市軌道交通建設項目中應用BIM技術的設想[J].建筑經濟，2008(S2).

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵路建設管理辦法[S/OL].http://www.china-mor.gov.cnzwzcgzzd/tlgz/201012/t20101229_6020.html.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路建設工程勘察設計管理辦法[S/OL].http://www.china-mor.gov.cn/zwzc/gzzd/tlgz201012/t20101229_6042.html.

[6]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建鐵路吉林至琿春線施工圖:線路篇[Z].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2010.

[7]朱江.BIM在鐵路設計中的應用初探[J].鐵道工程學報，2010(10).

[8]張建平.基于BIM和4D技術的建筑施工優化及動態管理[J].中國建設信息，2010(2).