鐵路設計應用BIM的思考

逯宗田

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

工程設計是工程建設的龍頭。在過去的20多年中，CAD(Computer Aided Design)技術的普及推廣使建筑師、工程師們從手工繪圖走向電子繪圖。甩掉圖板，將圖紙轉變成計算機中2D數據的創建，可以說是工程設計領域第一次革命。CAD技術的發展和應用使傳統的設計方法和生產模式發生了深刻變化。把工程設計人員從傳統的設計計算和手工繪圖中解放出來，提高設計效率十幾倍到幾十倍，大大縮短了設計周期，提高了設計質量[1-10]。BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)是用來解決2D表達給建筑業進一步發展帶來的挑戰的，BIM將會給建筑等行業帶來一次巨大變革[2]。建筑信息模型(BIM)使建筑、結構、給排水、空調、電氣等各個專業基于同一個模型進行工作，從而使真正意義上的三維集成協同設計成為可能[1]。BIM建筑信息模型作為一個重要項目，早在“十一五”期間被科技部列入國家科技攻關計劃，現階段有了長足發展，鐵路行業及鐵路信號領域也應及時跟進，研究應用。

2 BIM及其應用

二維圖紙作為產業鏈成員之間傳遞溝通信息的載體已經使用了幾百年的時間，勞苦功高的同時，其弊端也隨著項目復雜性和市場競爭的日益加大變得越來越明顯。例如，即使圖紙完全正確，施工或運營現場也還可能產生錯誤。引起錯誤的原因很多，但是其中一個最主要的原因就是現場人員對圖紙的理解有誤及獲得的信息不正確，尤其是在時間要求很緊的情況下，這種理解錯誤發生的概率就更高。美國國家標準研究院(NIST-National Institute of Standards and Technology)2005年初發布的一份報告指出，僅僅由于項目成員之間數據互通性的要求而產生的成本就使建設項目效率降低6%左右。

BIM采用的是服務建設項目“從搖籃到墳墓”的思想方法[4]。BIM服務于項目完整的生命周期：把整個項目從概念到施工到運營到改建拆除的整個過程作為服務對象。而CAD只提供項目設計、施工和竣工的文檔。

BIM產生的二維和三維圖形是真正智能化的。BIM在設計階段、施工階段及運營管理階段為開發商帶來極大的效率和效益：設計師可以像用GIS那樣查詢BIM模型中的信息。BIM模型元素知道自己是什么，知道自己有哪些特性，同時能夠模擬自己真實的狀態。建筑師和工程師可以在一個真實的虛擬環境中進行設計以及看到各種設計成功地集成在一起。設計師是在真正地設計那些建筑系統和組裝支持這些系統的數字，而不是僅僅放置圖形。這些數據是在項目生命周期的過程中慢慢生長起來的，這些信息在其他系統(例如項目交付給客戶)上的組織和繁殖也將是BIM組織的一個重要部分。

把BIM模型和進度計劃軟件的數據集成，讓業主及團隊能利用三維的直觀優勢，可以按月、按周、按天看到項目的施工進度并根據現場情況進行實時調整，分析不同施工方案的優劣，從而得到最佳施工方案[11]。 把BIM模型和施工方案利用虛擬環境作數據集成，便可以在虛擬環境中作施工仿真，對項目的重點或難點部分進行全面的可建性(Constructibility可施工性)模擬以及安全、施工空間、對環境影響等等分析，優化施工安裝方案。

BIM的應用結合BIM模型、施工計劃和工程量造價于一體，可以實現建筑業的“零庫存”(限額領料)施工，最大程度發揮業主資金的效益[11]。

近十年世界各地的理論研究和工程實踐證明，信息有效互用是BIM給建筑業帶來的主要價值之一，應用BIM可以幫助消除上述額外成本的發生。

BIM應用為建筑業工業化不但解決了信息創建、管理、傳遞的問題，而且BIM模型、三維圖紙、裝配模擬、采購制造運輸存放安裝的全程跟蹤等手段為工業化建造方法的普及也奠定了堅實的基礎。建設項目的產業鏈包括業主、勘察、設計、施工、項目管理、監理、供應商、銷售、運營商等，一般的項目都有數十個參與方，大型項目的參與方可以達到幾百個甚至更多。對工程的各個參與方來說，減少錯誤對降低成本都有很重要的影響。而因此減少建造所需要的時間，同時也有助于降低工程的成本。應用歐特克建筑資訊模型著名成功案例有德國慕尼黑的寶馬世界(BMW Welt)、梅賽德斯-奔馳博物館(Mercedes-Benz Museum)，以及位于斯圖加特的保時捷博物館等許多世界知名案例，均為使用該項技術來完成整個設計項目[2]。2008年北京奧運會的“奧運村空間規劃及物資管理信息系統”即采用了以BIM建筑信息模型為基礎的數據信息管理。設計師將奧運村空間規劃及設施以三維圖形方式處理并創建BIM建筑信息模型數據，在完成奧運村空間規劃的同時，就自動產生與奧運村三維圖形對應的奧運村物資、設施數據庫，這確保了奧運村的資產管理、物流服務直觀、準確、高效。該信息管理系統以BIM為基礎，同時配合專業的協同作業軟件，使得奧運村的空間規劃、物流服務可以實現在線設計與管理。

目前在國外很多國家已經有比較成熟的BIM標準或者制度了。

3 鐵路設計與BIM

3.1 應用BIM的必要性

設計單位用BIM的目的是從業主那里拿到設計項目，然后又好又快地把設計任務完成。實際上，BIM就是通過數字化技術，在計算機中建立一座虛擬建筑，一個建筑信息模型就是提供了一個單一的、完整一致的、邏輯的建筑信息庫。BIM不僅僅是另外一個工具或者甚至就是另外一套CAD軟件，事實上BIM是一個過程，在這個過程中建立了一個包含信息的模型，用來回答生命周期中關于這個項目的所有問題。BIM數據超越了設計過程，在整個項目生命周期中不斷壯大，特別是在運營和維護階段。因此，設計單位應用BIM有以下幾方面的優點。

(1)提高設計水平和設計質量。如，方案設計階段，使用BIM技術能進行造型、體量和空間分析外，還可以同時進行能耗分析和建造成本分析等，使得初期方案決策更具有科學性；初步設計階段，建筑、結構、機電各專業建立BIM模型，利用模型信息進行能耗、結構、信息流變化等分析，進行各種干涉檢查和規范檢查，以及進行工程量統計；施工圖階段，各種平面、立面、剖面圖紙和統計報表都可從BIM模型中得到。

(2)提高協同作業能力。設計需要幾個、十幾個甚至幾十個專業協調，包括設計計劃、互提資料、校對審核、版本控制等；BIM主要協調不同專業設計師的情況，包括建筑、結構、機電、造價、綠色、數據、通訊、安全等，保障高質高效提供各類設計圖紙，以及為了實現這個目的和業主的溝通交流，和承包商的施工配合等。

(3)設計工作重心前移。目前設計師50%以上的工作量用在施工圖階段，以至于設計師得到了一個無奈的但又名副其實的稱號——“畫圖匠”，BIM可以幫助設計師把主要工作放到方案和擴初階段，恢復設計師的本來面目。

(4)提高市場競爭力。工程總承包是建設市場發展的必然趨勢和客觀要求。我國絕大多數勘察設計與施工集團企業不具備完善的總承包管理體制和完整的項目管理體系，在咨詢設計能力、計算機應用能力、技術支持能力、合約管理能力、專業施工協調能力以及相應的資金運作能力和融資能力等關鍵能力與國際工程總承包商相比有較大的差距。

3.2 需解決的問題

首先要領導重視，沒有領導的重視，一切都無從談起。

其次要組建好團隊。合適的團隊是保證計劃得以成功實施的戰術關鍵，通常需要BIM經理、技術主管和設計師。BIM經理不能承擔具體的生產任務。技術主管不能同時是BIM經理。設計師也不能承擔技術主管的職責，設計師的任務就是做設計。設計師是指設計BIM模型的建筑師和工程師，必須是承擔具體的生產任務的那些人。

第三要明確目標。為BIM項目模型定義實際的目標，然后在以后的項目中逐步提高目標。最最重要的是要定義清楚客戶從BIM流程中需要的東西，每個項目結束以后，和客戶討論分析成功和問題，要做好逐步積累。BIM是一個逐步累進提高的過程，不能指望第一個項目就有一個完全成熟的產品在整個生命周期中使用，對于任何新流程和新技術來說，都得先學會爬，再學會走。

第四要做好協同設計。協同設計最基本的要求就是統一標準，否則無法實現信息共享。在國外，一些大型設計公司都在行業標準的基礎上制定自己的CAD制圖標準。而我國目前只有手工繪圖時代的制圖標準，缺少行業統一的制圖標準或者制圖規則，不僅導致設計公司之間難以交流，而且由于基于CAD的二次開發軟件公司沒有統一的標準，設計單位在使用這些二次開發軟件繪圖時更造成了標準在公司內部的不統一，最后導致在項目中圖層、字體、色彩、工作方式、精度等很難統一。國外早已實現了協同設計，現在只是從二維轉向三維，而我國則要同時完成從二維向三維及協同設計的升級。

3.3 鐵路信號與BIM

目前國內鐵路信號設計僅限于二維的CAD設計模式，并且行業特點突出：(1)專業性強，局限性大;設計軟件少，適用范圍小;(2)協調性差，資源共享度低;(3)強、弱電信號信息瞬時動態變化，系統及場景模擬非常困難;(4)系統直接涉及行車安全;(5)系統復雜，信息量大。

根據國情與行業實際，結合專業領域現狀與特點，提出鐵路信號領域項目設計應用BIM的基本思路：轉變傳統設計思路，應用BIM技術和方法建立信號專業信息模型，實現從二維圖紙到三維圖紙的設計轉型；建立、完善相應的標準和制度。

鐵路信號設計應用BIM應從行業和專業兩個層面、分多個階段逐步實施考慮。

(1)明確認識，轉變思想。一要清醒的認識到BIM在國內外各行業發展的不平衡，更要看到國內鐵路行業的應用幾乎為零的現狀。二要清醒地認識到BIM是從二維圖紙到三維設計和建造的信息革命，為工程設計領域帶來了第二次革命。因此，一定要從傳統設計思想中跳出來，盡早完成從信號專業傳統設計思想向BIM思想的轉變。

(2)建立專業信息模型。BIM(Building Infor-mation Model)——建筑信息模型十分豐富，國外很多國家已經有比較成熟的BIM標準或者制度，機電專業的信息模型也有不少，但鐵路信號專業的信息模型目前還是空白。首先應組建好模型設計團隊。然后做好總體規劃，制定計劃，明確目標。既考慮專業與行業對接，也要考慮行業與國內國際對接。由于行業和專業特點，鐵路信號專業的信息模型的建立任重道遠。應該奮起直追，盡早著手基礎性工作，學習借鑒建筑信息模型思想，一步一個腳印，完成專業信息模型建立。

(3)逐步實現設計轉型。以新的平臺和手段，為業主、勘察、設計、施工、項目管理、監理、供應商、銷售、運營商等，提供服務于項目完整的生命周期的有效信息。具體目標如下。

第一步，完成設計轉型。應用BIM技術和方法，完成鐵路信號設計從二維轉向三維的轉型；將專業設計融入項目設計，實現協同設計。完成鐵路信號設計從專業到行業的協同設計轉型。

第二步，實現信息共享。對專業之間的協調問題、設計施工之間的協調問題和業主由于理解偏差等問題進行協調，生成協調數據，以便共享，解決掉這些問題。減少甚至消除因信息不共享造成的額外成本發生。

第三步，做好優化方案。在整個設計、施工、運營的過程中更好地優化項目方案。

第四步，實現專業信息模型可視化。第一階段，使信號項目設計與建設、施工、監理及運營維護過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態下進行。在設計階段的模擬實驗設備布置安裝、系統運行。減少以至于消除“差、錯、漏、碰”，提高設計質量；減輕勞動強度；降低設計成本。第二階段，實現專業信息模型與實際應用系統瞬時動態信息的結合目標，實現真正意義上的專業信息模型的可視化。

第五步，進一步提高服務質量。在工程建設與管理活動中應用4D(3D+時間)及5D(3D+時間+成本)技術和方法，協助行業由經驗管理方法提升為科學化管理方法：如為施工方提供模擬服務，也就是根據施工的組織設計模擬實際施工，從而來確定合理的施工方案來指導施工，減少窩工及返工等，更好地實現成本控制等；為業主提供模擬服務，減少工期延誤，降低人、財、物的浪費，合理控制投資，提高工程質量。

(4)制度建立。逐步積累過程經驗與教訓，建立、完善制度，規范行為。

(5)完成工程設計、咨詢的國際對接。全面實施“走出去”戰略。

4 結語

BIM建筑信息模型的發展，不僅僅是現有設計技術的進步和更新換代，它也將間接表現在生產組織模式和管理方式的轉型，并更長遠的影響人們思維模式的轉變。BIM這場信息革命，對于工程建設從設計、建造、加工、施工、銷售、管理等各個環節，對于整個工程建設領域都將產生深遠的影響。

[1] 何關培.BIM—建筑業的信息革命[EB/OL].2009-05-06. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=2463．

[2] 何關培.BIM總論[M].北京：中國建筑工業出版社，2011．

[3] 何關培，李剛.那個叫BIM的東西究竟是什么[M].北京：中國建筑工業出版社，2011．

[4] 何關培.BIM的重要內容[EB/OL].2010-04-11. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=2423．

[5] 何關培.設計院的BIM不是業主的BIM[EB/OL]. 2009-08. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=1332．

[6] 何關培.檢驗BIM的五大標準[EB/OL].2009-08-22. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=1055．

[7] 王曉玲.歡迎進入四維時代[EB/OL].轉自：《商務周刊》2009-08-07.Ppt中國BIM門戶—chinaBIM.com

[8] 麻煜，王博.BIM在創新型中小設計企業的應用經驗[EB/OL]. 2012-03-06.RLu中國BIM門戶—chinaBIM.com

[9] yang jing.基于設計施工一體化的信息化研究[EB/OL].公路交通技術，2006，8，4 qZz.中國BIM門戶—chinaBIM.com

[10] Autodesk.美國加州運輸局用BIM軟件開展道路和高速公路設計項目[EB/OL].2011-07-13.ubM中國BIM門戶—chinaBIM.com

[11] 何關培，李剛.BIM應用將給建筑業帶來什么變化？[ M/OL].2010-05-10.http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=2467