鐵路行業(yè)BIM技術應用難點分析及對策建議

摘 要：總結(jié)BIM技術在鐵路行業(yè)應用中出現(xiàn)的難點和問題，分別針對BIM協(xié)同軟件平臺的發(fā)展、地形模型和地質(zhì)模型的交叉融合、BIM+GIS為基礎的管理系統(tǒng)進行分析，提出政策引導、資源整合、面向市場等對策，為BIM技術在鐵路行業(yè)的應用提出建議。

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）03-0014-03

近年來，以BIM技術為代表的三維設計技術的應用，在縮短工程周期、降低工程成本、提高設計水平和質(zhì)量方面具有促進作用，并日益成為勘察設計企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段之一。越來越多的項目業(yè)主、設計企業(yè)和施工單位都想通過應用BIM技術實現(xiàn)自身的轉(zhuǎn)型升級。幾年來，鐵路行業(yè)各大設計院、施工單位在工程設計、施工等方面開展了形式多樣的BIM應用研究，并取得了一定程度的突破。從這些工程應用的效果看，BIM技術在鐵路行業(yè)的應用還存在很多難點和問題，主要有：BIM應用平臺不完備、地形地質(zhì)模型與構(gòu)筑物模型難以深度結(jié)合、BIM與GIS技術結(jié)合的應用還不成熟等。這些難點和問題在一定程度上阻礙了BIM技術在鐵路行業(yè)的應用，也降低了其應用價值。

1 BIM應用中的難點分析

1.1 關于BIM平臺

1.1.1 建模軟件平臺

目前BIM軟件平臺比較多，在樓宇、異型建筑、水電站等領域案例較多，應用較好，但應用到鐵路行業(yè)又各有不足，體現(xiàn)在以下兩方面。

一是不能滿足鐵路特有專業(yè)本身的設計需要。主要體現(xiàn)在軟件本身沒有適應于鐵路行業(yè)的模型標準，其內(nèi)含的模板、構(gòu)件、樣式、出圖格式等不能滿足鐵路設計要求。在模板（族類型）方面，沒有適應鐵路行業(yè)的橋梁、隧道、路基、軌道等基礎模板。用戶自定義的模板不具備內(nèi)在的關聯(lián)與約束，增加了使用難度。在構(gòu)件（族庫）、樣式、出圖格式等方面，鐵路行業(yè)的內(nèi)容非常缺乏，需要用戶自己去逐步開發(fā)、定義、配置，這不但加大了工作量，而且對用戶的要求很高，致使軟件普及困難。另外，有些軟件還存在范圍限制、容量限制等問題。

二是不能滿足專業(yè)間的接口需要。由于目前BIM軟件各有千秋，不同的專業(yè)需要不同的軟件來完成BIM工作，而不同軟件之間的接口還很不暢通，造成專業(yè)間協(xié)同困難。首先是模型不能互相識別，即不能實現(xiàn)接口；其次是即使可以通過一些方式實現(xiàn)對接，但存在模型信息丟失問題；再次是模型導入軟件后，往往不能對各種屬性及幾何形狀進行編輯，如有更改，則需要重新在原軟件中編輯，重新導入。這些接口及兼容問題，不僅在不同廠家的軟件之間存在，而且同一廠家不同軟件之間也存在，給專業(yè)之間的協(xié)同帶來了極大的困難。

要解決這些問題，需要大量而艱苦的開發(fā)工作，大體有3個層次：

（1）軟件平臺自身完善開發(fā)。從BIM設計的角度看，需要在軟件的基礎類型、模板、樣式等方面增加鐵路專業(yè)的內(nèi)容，或便于擴展為鐵路專業(yè)的內(nèi)容。從接口的角度看，在鐵路行業(yè)發(fā)布統(tǒng)一的IFC標準后，各軟件需要支持該標準，逐步實現(xiàn)模型信息的無損接口。

（2）專業(yè)BIM軟件開發(fā)。專業(yè)公司或設計企業(yè)，根據(jù)專業(yè)特點和需求，對通用的軟件平臺進行二次開發(fā)，形成如鐵路橋梁、隧道、站場、路基等專業(yè)的輔助設計軟件。

（3）企業(yè)自身的應用工具開發(fā)。BIM設計應用企業(yè)，根據(jù)自身的專業(yè)特點、管理特點、數(shù)據(jù)接口特點和應用需求，對軟件平臺進行適當?shù)亩伍_發(fā)，形成工具軟件，以提高局部的設計效率。

1.1.2 項目管理平臺

隨著BIM技術在工程項目中的應用，對項目管理平臺的要求也不斷提高，基于BIM的項目全生命周期管理平臺也提上日程。該平臺的主要特點有：（1）項目周期完整，項目周期包括概念設計、勘察設計、建設管理（包括施工）、運營維護乃至報廢管理等全過程管理；（2）項目信息齊全，包括項目實體信息（BIM）、設計施工圖紙、各類文檔資料等，囊括了與項目相關的各類信息；（3）信息可繼承、可追溯，項目每一個周期的信息資源不僅需要完整保存，同時要在后面的各周期能夠繼承和使用；（4）物理模型和數(shù)據(jù)信息深度關聯(lián)，可通過BIM模型檢索到各類信息。

具備上述特點的項目管理平臺開發(fā)難度大、周期長，由一個企業(yè)或一個團隊承擔不具優(yōu)勢。中國鐵路BIM聯(lián)盟可組織有關方在一定標準框架內(nèi)，分別完成項目全生命周期內(nèi)不同階段的項目管理平臺，然后經(jīng)過整合，形成完整的鐵路項目全生命周期的管理平臺。目前，鐵路工程管理平臺正在研發(fā)，鐵路IFC標準也開始研究，可在該平臺研發(fā)技術和應用經(jīng)驗的基礎上，逐步拓展至其他建設階段。

1.1.3 協(xié)同設計平臺

由于鐵路項目多專業(yè)、多進程的特點，需要專業(yè)間相互配合、密切協(xié)作。協(xié)同設計平臺是方便專業(yè)協(xié)作、提高設計質(zhì)量的有效途徑。在BIM技術條件下，各專業(yè)的設計成果更為直觀，專業(yè)之間的協(xié)同也更為緊密，對BIM協(xié)同設計平臺的需求日益迫切。一個理想的BIM協(xié)同設計平臺應具備的基本要素有：各專業(yè)的BIM模型能夠集成，并可利用相應的工具進行模型檢查；專業(yè)變更能夠快速反映到模型中，相關專業(yè)能夠及時了解；具備設計成果的權限與版本控制功能；具有設計流程控制和質(zhì)量控制措施。

目前，市場上的類似軟件要么缺少BIM模型集成功能，要么缺少流程控制功能，其主要困難一方面在于不同專業(yè)使用不同的BIM軟件，其設計成果的集成十分困難，即使集成起來，要修改變更也非常麻煩；另一方面，主流BIM設計軟件都是國外的產(chǎn)品，在三維設計方面比較突出，但在設計流程控制、質(zhì)量控制等方面比較缺乏，而國內(nèi)軟件在三維模型的處理方面又有很大不足。

由于以上各種因素，BIM協(xié)同軟件平臺的發(fā)展比較緩慢。盡管任務艱巨，困難重重，仍需要設計企業(yè)及軟件廠商緊密結(jié)合，大力推進。目前，在制定協(xié)同標準的情況下，可先解決主要專業(yè)之間的三維協(xié)同（應用的軟件平臺一致最好），再逐步完善過程控制，并陸續(xù)覆蓋其他專業(yè)，循序漸進地實現(xiàn)BIM協(xié)同設計平臺的建設。

1.2 關于地形、地質(zhì)模型

一般工民建項目場址在有限的范圍內(nèi)，其地形、地質(zhì)在完成一定的工程處理后，在BIM模型中可忽略或簡化。而鐵路工程則不然，大量的構(gòu)筑物需要與地形模型和地質(zhì)模型交叉融合，尤其是隧道和路基擋護構(gòu)筑物與二者的交叉融合，尚存在較大的困難。

1.2.1 地形模型

由于鐵路普遍采用航測手段，數(shù)字地模已經(jīng)成熟并大量應用，但工程構(gòu)筑物模型如何完整地嵌入地形模型中，目前還存在一定難度。地形模型通常是表面模型，適合于大場景展示工程項目，這就需要把工程構(gòu)筑物實體模型加載到地形模型中。這種模型融合存在的問題是：一是地下工程無法很好展現(xiàn)，比如加載隧道模型，進出口位置與地形結(jié)合比較困難，需要特殊的處理；二是地形與構(gòu)筑物接觸部位需要特別處理。此外還有模型定位等。

如果把工程分成兩種模型來設計，在地形模型中進行開挖、放坡、平整等場地處理，在實體模型平臺中進行構(gòu)筑物設計，然后通過接口工具進行貼合，使地形與建筑融合為一體，即可解決上述問題。目前條件下，這種方式的操作比較繁瑣。畢竟同一建筑物在兩個平臺中設計，有很多不便的地方，工作效率較低。因此，還需要通過二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)化設計，盡量減少手工的操作，方便設計人員，提高設計效率。

1.2.2 地質(zhì)模型

單獨建立地質(zhì)模型，目前的技術是可以實現(xiàn)的，但將工程構(gòu)筑物融合進去，并且是動態(tài)融合，尚有較大困難。這里“動態(tài)”一是指實施構(gòu)筑物時對地質(zhì)體的開挖與建造，如隧道施工過程中的開挖、量測、變更、支護、襯砌等都是一個動態(tài)過程。如果僅僅是一個靜態(tài)的兩種模型融合，那將失去BIM技術應用的意義。二是指與其他模型軟件的兼容，比如地質(zhì)模型要能夠在設計軟件中，與隧道模型深度結(jié)合，即隧道模型的建立過程，要放在對地質(zhì)模型不斷開挖的基礎上進行，這樣才能真實體現(xiàn)施工過程。

目前，實現(xiàn)這種動態(tài)融合過程還沒有成熟的具體方案和措施，沒有可供參考的工程實踐。然而，地質(zhì)模型單獨存在，則只能瀏覽、觀賞，只有融入其他模型軟件，且實現(xiàn)動態(tài)融合，才有實用價值。因此，還需要集各方力量，對這一問題進行深入研究，爭取在較短時間內(nèi)取得突破。

1.3 BIM與GIS

鐵路工程項目是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，不同于單體或有限范圍內(nèi)的一般建筑。施工是以單體構(gòu)筑物為單元，但要對一條鐵路甚至數(shù)條鐵路線進行整體管理，包括設計、建造、運維各階段的整體管理，則需要一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不同于一般管理系統(tǒng)，而是一個大數(shù)據(jù)量、三維圖形、真實場景于一體的管理系統(tǒng)，需要引入BIM+GIS的做法來實現(xiàn)，這也是鐵路BIM應用不同于其他行業(yè)的重要區(qū)別之一。

BIM+GIS技術，是利用BIM技術整合工程建筑物本身的信息，利用GIS技術整合建筑物外部環(huán)境的信息，把微觀領域的BIM技術和宏觀領域的GIS技術進行融合，既能滿足構(gòu)筑物BIM信息的管理，又能滿足空間信息的管理，特別適合長大鐵路項目的綜合管理，其主要特點有：（1）各種模型在同一平臺上的融合。在需要宏觀管理時，能夠進行大范圍的操作，在需要微觀管理時，則能夠?qū)?gòu)筑物細節(jié)信息操作。（2）信息無損嵌入及拓展、更新。在兩種模型結(jié)合過程中，既不能損失GIS應有的信息與功能，也不能損失BIM的信息和功能，且BIM包含的信息隨著項目生命周期的變化，需要不斷補充和擴展。（3）按鐵路線狀特點，以里程及高程為基準的定位模式。GIS技術以坐標定位，BIM定位還比較復雜，如果實現(xiàn)以鐵路習慣來定位，將更加方便使用。

具備這些特點的，以BIM+GIS技術為基礎的管理系統(tǒng)，目前還處于探索階段，盡管有一些研究成果，但離實際應用還有一定的距離，還需要繼續(xù)深入地研究。

2 對策建議

2.1 政策引導

中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯(lián)盟作為鐵路行業(yè)BIM技術應用的引領者，經(jīng)過近年來的組織與推動工作，在BIM應用研究方面取得了有目共睹的成績。BIM應用研究工作要得到持續(xù)深入的發(fā)展，政策層面的引導尤為重要：一是規(guī)劃指引。根據(jù)鐵路行業(yè)的建設特點制定BIM技術在一定時期內(nèi)的整體發(fā)展計劃，有利于引領BIM應用研究在設計、施工、運維各環(huán)節(jié)的發(fā)展節(jié)奏，提升整體發(fā)展水平。二是標準制定。尤其是交付標準的制定，可把設計與施工、施工與運維等環(huán)節(jié)的信息傳遞標準化，同時促進設計、施工、運維信息化管理工作的規(guī)范化。

2.2 資源整合

中國鐵路BIM聯(lián)盟提供了一個很好的平臺，可以整合多方面的資源完成BIM應用研究的推動工作。一是集中資源完成行業(yè)頂層設計，制定行業(yè)BIM應用研究的技術發(fā)展路線。二是集中資源完善行業(yè)管理平臺，為設計、施工乃至運維提供接口，促進各階段BIM應用研究的發(fā)展。三是整合資源促進鐵路行業(yè)BIM應用的國際化發(fā)展。在以往的信息化過程中，強調(diào)引用國際標準，更多地是為了兼容性；要強調(diào)行業(yè)技術的國際化，首先要在技術標準的擴展、制定方面得到國際標準組織的認可。四是推動行業(yè)內(nèi)BIM應用研究工作的信息共享與交流工作，同階段不同單位和不同階段不同單位分工合作，共同研發(fā)，互相促進，成果共享，提高應用研究效率。

2.3 面向市場

有了行業(yè)性的政策引導和資源整合這樣的基礎，鐵路行業(yè)的設計、施工、運維企業(yè)，可以更好地面向市場，獲得優(yōu)勢資源，完善自身的發(fā)展需求。設計企業(yè)會從設計的工具平臺、協(xié)同平臺等方面入手，以質(zhì)量和效率為重點，研究產(chǎn)品的BIM交付工作。施工企業(yè)則更注重項目管理與BIM的結(jié)合，進而實現(xiàn)進度、質(zhì)量、成本的精細化管理。運維企業(yè)則以設計、施工運維信息為基礎，把靜態(tài)設施、設備信息與動態(tài)運維過程相結(jié)合，達到高效管控的目的。

3 結(jié)束語

從建筑行業(yè)的BIM應用發(fā)展歷程來看，鐵路行業(yè)的BIM應用工作也將是一個逐步深入發(fā)展的過程，需要克服各種難點和問題。值得欣喜的是，鐵路行業(yè)的BIM應用是在中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯(lián)盟的統(tǒng)一組織下推進的，這是其他行業(yè)不具有的優(yōu)勢，這也是鐵路行業(yè)BIM應用能夠持續(xù)發(fā)展的保障。

魏州泉：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，副院長，教授級高級工程師，陜西 西安，710043

責任編輯 苑曉蒙