BIM 技術在交通領域應用分析

殷愛國 劉明輝

(1.中鐵七局集團有限公司勘測設計院，鄭州 450016;2.華北水利水電大學土木與交通學院，鄭州 450045)

前言

21 世紀初BIM 的實際應用始于美國，后逐步推廣到歐洲、日本、韓國、新加坡、中國香港等國家和地區，并相繼制定了各自的BIM 標準［1-2］。緊跟著中國各個行業逐步掀起了學習和應用BIM 的熱潮，有些行業還根據自身特點制訂了宏偉的推進路線圖，各類介紹BIM 技術的書籍、期刊、文獻等層出不窮，為學習研討提供便捷途徑。國內對BIM 技術的研究剛剛起步，且主要集中在建筑工程領域。開展這項工作仍面臨很多困難，其中以數據標準化問題最為迫切，目前僅建筑行業取得了初步成果。

交通行業有別于建筑行業，不同于工點式的單體建筑，多呈帶狀分布，與地形結合緊密，區域范圍廣，結構形式復雜，涉及專業多，數據海量，每一項突破都是一次革命。另外，交通工程領域的設計師們往往既是“建筑師”又是“結構師”，設計師不僅要負責方案設計，還要進行建模計算，工作量巨大。作為交通領域的主力軍，我國鐵路部門于2014 年全面啟動了《中國鐵路BIM 標準體系框架研究》，中國中鐵編寫完成了《鐵路工程信息模型(REIM)應用統一標準》(初稿)，各層級的BIM 標準和手冊制定工作正穩步推進。

雖然交通工程行業發展和應用BIM 技術面臨的困難更大，但行業人士對BIM 技術應用將是未來發展必然趨勢的認同是一致的。BIM 技術在鐵路行業的應用起步雖晚，但啟動較快。目前行業主管部門大力推動BIM 技術在鐵路工程建設中的應用，于2013 年啟動了鐵路工程建設信息化關鍵技術的研究，各大鐵路科研院所、設計院、工程局都組建了自己的BIM 研發團隊，致力于BIM 技術的應用研究和配套標準的制定工作，其中以各大設計院的研發和應用工作最有成效，取得的代表性成果有:基于航空遙感影像數據和地形數據的帶狀大范圍工程設計三維真實感場景技術;基于數字地球的鐵路三維空間選線系統及二、三維結合的測繪數據集成共享平臺;基于GIS、網絡、虛擬現實、數據庫等新技術的數字化三維協同設計系統研究與開發;基于航空攝影與遙感技術、虛擬現實技術的鐵路線路設計矢量圖形系統，這些研究工作為在交通領域應用BIM 技術起到了引領作用［3-6］。

1 BIM 技術在交通領域推廣應用所存在的問題

BIM 技術具有眾多優點不容置疑，但要在交通領域全面推廣應用，還面臨無標準或標準不統一、軟件不成熟、硬件配置不能滿足要求、投資回報期長等一些問題和困難。

1.1 涉及專業種類多且差異性強

建筑工程是工點工程，交通工程是線路工程。一個公路或鐵路項目涉及的專業種類很多，尤其以鐵路項目最為繁雜，主要包括勘察(地質、測量)、土建(線路、橋梁、隧道、路基、軌道、站場)、機械(機車、車輛)和“四電”(通信、信號、電力、電氣化)等工程類別。上述專業既具有典型的行業特色，又具有顯著地自身特點，這種細化的分工導致專業接口多，專業間界面復雜，信息很難在整個項目中實現集成和形成閉環。如何實現同一項目不同專業間信息的充分共享和關聯，對BIM 技術提出了更高的要求。

1.2 行業標準不成熟

BIM 需要在項目整個壽命周期不同參與方的各種軟件間交換信息，如CAD 軟件、性能分析軟件、施工管理軟件、運營管理軟件以及審核WEB 平臺。在BIM 應用方面起步較早的一些國家相繼制定了各自的BIM 標準，但均局限于建筑工程領域，并未涵蓋交通行業［7-8］;當前國際上比較主流的BIM 核心建模軟件都集中在國外，國內各行業普遍缺乏大型軟件開發商，在制定BIM 數據標準方面面臨很多尷尬和困難也是不爭的事實。

圖1 中國交通BIM 標準發展路徑

結合帶狀的交通工程線長點多、結構形式不一、場地條件多變、涉及專業眾多、軟件需求差異化大等特點，行業標準的制定必然是一項系統而又復雜的工程。目前實際情況為，同一大型軟件開發商開發的系列軟件之間數據交換很方便，但不同廠商軟件之間缺乏交互性，實現上述不同階段、不同功能的主流軟件又屬于不同的軟件廠商，如CAD 系列軟件屬于AUTODESK 公司，用于性能分析的Ansys、Midas、橋梁博士等軟件則分屬于其他公司，這些軟件間大部分沒有BIM 接口，不同軟件建立的三維模型數據格式也不相同，不能實現數據間直接調用。

目前交通行業缺乏明確而權威的BIM 標準格式。交通領域BIM 標準應該在與國際標準接軌的同時，要優先滿足國家BIM 標準的要求，然后借鑒建筑行業BIM 標準方面一些成熟的做法，以形成一個完整的標準體系，必須支持軟件開發和工程應用，包括技術標準和實施標準(圖1)。技術標準包括數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準［9］，其主要目標是為了實現項目建設全生命周期內不同參與方間的互操作性，用于指導和規范交通領域BIM 標準軟件開發。實施標準是技術標準的使用規范，主要用于指導和規范規劃、設計、施工、建設管理、運營維護等具體操作層面實施BIM 標準。

1.3 綜合數據處理技術急需提高

BIM 與GIS(Geography Information Systems，地理信息系統)的融合是BIM 技術在交通行業應用的一個方向。交通領域工程項目不同于工點式的單體建筑工程，呈帶狀分布，與沿線地質、水文、地形等空間地理信息密切相關，每一類別空間地理信息因素的異同都可能引起線形、橋位、橋型等設計方案的巨大反差，而建立和處理滿足設計深度要求的空間地理信息數據是海量的，一定程度上超過專注于主體結構的BIM 模型本身，需要采用云計算技術，二者的融合對現有軟硬件技術都提出了挑戰。目前及今后在開展交通領域輔助設計軟件開發時，要統籌兼顧BIM 和GIS 的數據標準和集成平臺等關鍵技術，實現二者的優勢互補和良好融合。

GIS 是一個專門管理地理信息的計算機軟件系統，它不但能分門別類、分級分層地去管理各種地理信息，而且還能將它們進行各種組合、分析等。目前，GIS 標準化和數字化程度高，比較成熟，可以輔助BIM 模型搭建周邊地理環境的大場景，提高BIM 模型的建筑性能信息完備性。一定意義上來說，GIS 技術也屬于BIM 技術范疇，但由于其專業特點而自成一體，暫按兩塊內容來理解。

2 應用前景分析

2.1 協同設計

交通工程項目涉及專業較多，專業之間的配合與協調如何影響總體設計質量的高低。BIM 模型要求工程設計必須實現三維設計，能夠根據3D 模型自動生成各種圖形和文檔，而且始終與模型邏輯相關，當模型發生變化時，與之關聯的圖形和文檔將自動更新［10］。在BIM 模型中，設計過程中所創建的對象存在著內在的邏輯關聯關系，當某個對象發生變化時，與之關聯的對象隨之變化，這樣就實現了不同專業設計之間的信息共享。當某個專業設計的對象被修改，其他專業設計中的該對象會隨之更新，這樣各專業之間的設計過程或成果將統一實時呈現在BIM 模型上，實現信息自然交互，也就實現了各專業之間的協同設計。

2.2 設計可視化

BIM 本身作為一種可視化程度很高的工具，包含了項目的幾何、物理、功能等信息，加之與各類分析計算模擬軟件的集成，將大大拓展其可視化的表現能力。在一定的階段，BIM 模型是隨著關聯要素的改變而不斷實時動態自動更新的過程，其可視化效果與設計也是始終保持一致的。結合碰撞檢查功能，BIM 軟件可以真實生動地把錯、碰、漏、缺等問題呈獻給設計人員，故今后設計院審圖工作的重心會逐步從以往偏向于查找問題轉向如何解決問題。

2.3 數字化施工

施工階段是項目全生命周期的一個非常重要階段，而數字化施工是BIM 技術在該階段應用的基礎，從這個意義上講數字化施工也是BIM 價值的重要體現。施工企業要在設計階段BIM 模型的基礎上，通過數據平臺實時添加施工階段所產生的各種施工數據，實現BIM 模型的實時動態更新，以滿足建設、設計、施工、監理等項目參與方進行實時信息交流［11］。當然，該期間其他項目參與方如有數據的修改或補充也可通過上述流程實現。

2.4 施工模擬

設計單位通過BIM 模型初步解決了設計項目的可施工性，但實施性施工方案的比選和優化，還需綜合考慮工程地質、水文地質、空間尺寸、機械配置、施工進度、成本控制等多種因素通過虛擬施工后確定［12］。比如針對某輕型橋梁制定的吊車架梁方案(圖2)，我們首先要考慮吊車噸位、起吊能力分析、吊車尺寸、凈空要求、吊車占位及支反力、對關聯條件的影響等，可以通過管理交互平臺調用BIM建模軟件和計算分析軟件來實現，并根據反饋的問題信息優化施工方案，從而真正找到安全、質量、進度、效益的最佳平衡點。

圖2 施工進度及橋梁架設模擬

2.5 運營維護

BIM 技術在運營維護階段的應用核心是通過數據監控和分析為安全運營提供技術保障，同時通過精細利用來實現固有資產的效益最大化。運維階段的BIM 模型為竣工交付模型，含有設計和施工信息，同時在運營過程中還會產生一些新的信息，如日常養護、設施設備管理、安全監測防護、分析評估等數據，也需要集成到BIM 模型上，以實現BIM 模型多源數據的一體化管理。總體來說，通過BIM 進行實時數據訪問、空間分析，實現應急響應和決策。

圖3 橋梁及道路BIM 模型

2.6 案例分析

結合作者在做的某61.8km 既有道路改(擴)建項目，通過Revit(Naviswork)、Civil 3D(Infraswork)等幾種BIM 軟件，建立了設計階段全線道路和主要橋梁結構物的BIM 模型，初步實現了以下應用:

(1)外業1:2000 地形圖測繪帶寬為線路中心線兩側各200m，在此基礎上結合Google Earth 衛星圖像數據對地形帶寬進行了擴展，利用Civil 3D(Infraswork)構建了沿線周邊環境模型，圖3 中BIM 模型所呈現的地形地貌、植被、房屋建筑等周邊環境即為實測信息。

(2)通過建立包含鋼筋型號、混凝土標號及尺寸標注等基本信息的橋梁BIM 模型，并根據出圖要求進行一系列的修正，實現了基于三維BIM 模型直接生成滿足規范和行業習慣要求的二維圖紙;實現了BIM 模型與二維圖紙的數據邏輯關聯(圖4)，當模型發生變化時，與之關聯的圖形和標注將自動更新，避免了多個文件的重復修改。

圖4 具有關聯屬性的整橋布置圖(上)和BIM 模型(下)

(3)利用三維設計軟件的碰撞檢查和可視化設計功能(圖5)，進行了錯、碰、漏、缺檢查，設計人員根據檢查報告進一步完善了設計資料。

(4)利用Revit 建立的各類構件模型均被賦予了尺寸、型號、材料等約束參數，通過BIM 模型可以直接生成不同階段、不同形式的鋼筋、水泥、土石方等工程量清單和材料明細表(圖6)，提高了工程材料管理的效率和質量。

(5)構建了本項目基本的參數化族庫，每個圖族元均含有很多的信息，如尺寸、形狀、類型、材質、可見性和其他的參數變量設置，便于類似項目的重復利用。

圖5 可視化設計

4 結語

鑒于BIM 技術在交通領域的應用注重協同工作，這將是一項巨大、復雜、持續和系統的工程，涉及到政策、經濟、技術、人力、管理等多方面的風險。從某種程度上來說，BIM 技術應用不僅僅是單純的技術問題，而更多的是統籌管理問題。結合作者正在參與的BIM 課題研究，就現階段如何在交通領域更好地推行BIM 技術應用提出以下建議:

圖6 具有鋼筋材料屬性的邊板(梁)BIM 模型(左)和自動生成的材料明細表(右)

(1)BIM 技術的應用可分階段設定不同的目標，循序漸進，做好過程分析和持續改進;

(2)考慮到起步階段的根本目標是將某專業的BIM 三維設計流程走通，不宜選擇復雜程度過高、規模過大的工點，以使團隊不至于將太多的精力放在工點本身的設計上，從而可以專注于BIM 三維設計應用研究;

(3)從行業層面加快BIM 技術標準的制定工作，加強統籌管理，實現BIM 在各階段、各專業間的協同應用;

(4)作為BIM 技術應用的主體，設計、施工企業應做好各自的發展規劃和應用方案，選定適合本身特點的建模分析軟件和人機交互平臺，并做好二次開發;

(5)隨著BIM 技術的逐步推進，對項目全生命周期各參與方帶來全新的挑戰，傳統的思維方式、工作習慣、工作標準、業務流程等均不能滿足要求，需及早、有序地做好相關應對工作。

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