BIM在鐵路設計中的應用探討

韓秀輝，袁　鋒，羅世輝，葉航行

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都　610031；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

?

BIM在鐵路設計中的應用探討

韓秀輝1，袁鋒2，羅世輝1，葉航行1

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

通過闡述建筑信息模型(BIM)概念，分析基于BIM技術的全生命周期理念的建筑優勢，并介紹BIM技術在國內外建筑業及國內鐵路行業的發展現狀，提出鐵路設計應用BIM的5個關鍵點：與GIS技術結合、綜合管線碰撞檢測、站場運營管理、協同設計與作業、項目各階段的銜接，總結國內BIM發展存在的問題：行業標準缺失、三維協同設計理念缺乏、專業軟件不足、市場認知與人才培養問題，并提出對應的推行BIM策略，最后提出BIM將引領鐵路建設向信息化、智能化發展。

BIM；鐵路設計；發展現狀；全生命周期；協同設計

1　概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)理念最早于20世紀70年代由喬治亞理工大學的Chunk Eastman教授提出。BIM是利用先進的數字技術集成了建筑物的物理及功能特性等各種相關信息的工程模型，既包括幾何信息，還包括非幾何屬性信息，能為工程項目的規劃、設計、施工、運營維護直至拆除的全生命周期信息進行存儲和運用，為工程決策提供更好的依據，最大限度地實現工程價值。相比于傳統CAD模型，BIM引入時間軸和費用軸，即5D模型，既可實現項目虛擬建設及管理，又可實現工程計量和費用計算的自動化。據斯坦福大學調研表明，BIM可以減少設計變更40%，提高施工現場勞動率20%～30%[1]。鐵路是一個龐大的系統工程，隨著計算機技術的快速發展，BIM應用于鐵路工程建設已是大勢所趨。

2　國內外BIM發展現狀

2.1建筑業BIM發展

美國作為全球BIM發展與應用的領導者，GSA組織于2003年確立了3D-4D-BIM計劃，并于2007年要求所有重大項目都要應用BIM技術；在英國，政府于2011年提出《UK Government Construction Strategy》，旨在推行BIM技術在政府工程項目中的應用，明確強調了BIM在未來英國建筑業的重大作用；新加坡發行了《Singapore BIM Guide》(2012)，并成立了專門基金用于激勵企業相關項目的BIM技術實施；韓國于2010年先后發布了《建筑領域BIM應用指南》、《設施管理BIM應用指南》[2]，提出應用BIM時需注意的方法及要素，用于指導工程各階段進展，并要求國內公共設施建設在2016年全面應用BIM技術。

在中國，建筑業發展迅猛，市場競爭異常激烈，信息化建筑理念逐漸被重視，BIM的發展雖不如以上國家，但BIM的優勢正在被廣泛認可。2009年，香港成立了BIM學會，同年房屋署發布了BIM應用標準，確定了2014-2015年將BIM技術全面應用于房屋項目；2013年，北京正式啟動《民用建筑信息模型(BIM)設計基礎標準》編制工作，這是國內第一部地方BIM標準；2015年6月，中國住建部印發了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》[3]，要求實現建筑項目全生命期的BIM應用，通過設計資源共享充分發揮BIM在全生命周期中的優勢。BIM在中國的發展情況見圖1。

圖1　BIM在中國的發展

2.2鐵路行業BIM發展

2013年12月，中國鐵路BIM聯盟成立，由中國鐵道科學研究院等8家單位共同發起，旨在為中國鐵路設計、施工、運營管理全生命周期管理提供支撐平臺[4-5]；2015年9月，國內知名鐵路高校西南交通大學BIM工程研究中心揭牌成立，契合鐵路工程業界需求，為深入開展鐵路行業BIM研究工作做準備；2015年9月，鐵道第三勘察設計院正式啟動陽(泉北)大(寨)鐵路BIM技術研發工作，成立了陽大BIM應用小組，意在提高工程總承包項目信息化管理水平；2015年11月，由中鐵四局主建的(北)京沈(陽)客專TJ-5標，是國內首個鐵路BIM技術施工試點項目，標志著鐵路施工大數據時代的到來；2015年12月，廣東省發布了《2015年度城市軌道交通領域BIM技術標準制訂計劃》，目的是推進廣東省城市軌道交通向智能化發展[6]。綜上所述，一場基于BIM技術的鐵路行業革命已經到來。

3　鐵路設計中BIM技術應用關鍵點

隨著我國鐵路的高速發展，大批鐵路工程建設項目正在進行。因鐵路項目具有投資大、工期長、技術復雜等特點，對設計質量提出很高要求。傳統的CAD二維設計僅關注項目中的某一階段或某一方面[7]，易導致某階段各專業間或不同階段間各參與方信息難以共享、傳遞，容易形成信息孤島，無法滿足復雜鐵路項目的設計要求，而BIM技術注重的是項目整體進程，可實現多方協同設計與作業，保證信息的及時傳遞，大大降低返工次數，提高工作效率、節約成本，目前已得到國內各鐵路相關單位重視。

建筑業BIM應用日趨成熟，但鐵路行業BIM應用尚處于初級階段[8]，遠未發揮BIM在全生命周期中的工程價值，盡管已取得部分成果，但仍應注意以下幾個關鍵點。

3.1與GIS的結合

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是一種特定的空間信息系統，能查詢和分析建筑物所處的地理相關環境信息，對環境進行預測與模擬[9]。與其他建筑物相比，鐵路是一種線狀結構，地理空間跨度大，在選線時GIS能提供鐵路設計所需的數據以便進行決策分析，確定最合理的走線方案，并通過三維形式展現出來。選線確定后，GIS技術可以對工點內環境進行預測與分析，如確定工點存放臨時設備的最優位置、工點內危險區域，跟蹤監測建筑材料如何通過供應鏈等。

BIM注重項目本身“內環境”，GIS則負責項目周圍“外環境”，兩者結合可以為工程設計與施工發揮更大作用。此外，鐵路工程建設涉及多個專業，通過GIS可以將各專業BIM模型整合并表現出來，實現全線路的BIM展示。

3.2綜合管線碰撞檢測

綜合管線是車輛基地的專項設計內容，其涉及專業廣且信息繁雜，最能體現工程的經濟性與質量水平。一直以來，車輛基地內系統眾多且復雜，機電管線更是異常龐雜，傳統二維管線綜合設計中水暖電3個專業分別獨立進行，各專業內圖紙又會分為若干張，檢查管線排放的差錯漏碰問題往往比設計更花費時間和精力，同時二維圖紙表達不夠直觀、系統，圖紙內很多問題難以發現，從而為工程埋下隱患。

將BIM技術應用于管線綜合，可以在設計時通過三維模型直觀表述設計意愿，初期可通過觀察發現碰撞問題，后期可通過碰撞檢測軟件檢查，如用Navisworks進行全面檢測并生成報告，可清楚表達所有碰撞問題，以便快速調整修改，避免了后期設計過程中出現大量的調整和返工。

3.3站場運營管理

站場是鐵路工程建設的節點，也是鐵路客貨服務運營管理的中心。基于BIM技術的三維模型，在建模初期就集成了非幾何屬性信息。BIM模型在設計、施工階段錄入的站場設備信息，如設備型號、管理單位、維修周期與內容等，為后續運營維護提供了數據支持，顯著提高了運營管理階段對前期工程信息的利用率。

此外，BIM模型通過結合互聯網技術可及時發送、傳遞信息，幫助管理人員辦理客、貨運業務，管理列車接發、會讓等。相比傳統二維設計與運營管理階段的割裂，BIM為站場檢修設備及管理等提供了有力的信息支持，充分發揮了BIM中“I”的優勢。

3.4協同設計與作業(圖2)

鐵路工程建設涉及專業多達二十幾個，站前專業如線路、站場、橋梁、路基等，站后專業如暖通、給排水、機械、電力等專業[10-11]，每個專業內或不同專業間都要密切配合與協作，確保信息溝通順暢、準確。傳統的二維設計抽象復雜，多專業圖面零亂繁雜，很難直觀表述模型的設計意圖，特別是工程進行時因圖紙差錯導致的返工，單專業錯誤可能導致其他專業的圖紙變更，大幅增加了設計工作量，嚴重影響工程進度，甚至增加項目成本。

圖2　基于BIM技術的協同設計與作業

應用BIM技術能夠使各專業協同設計與作業，在設計初期及時溝通，進行模型匯總整合，及時修正錯誤，確保設計信息及時準確的呈現，將傳統方式下項目后期出現的問題提前解決。完善的BIM模型可最大限度降低圖紙變更帶來的損失，從根本上減少因此而產生的人力、物力的浪費。

3.5項目各階段的銜接

鐵路工程項目要經歷立項、設計、施工、運營幾個階段[12]，以二維圖紙表述的建筑設計，使項目各階段內無法及時更新圖紙信息，為其他參與方提供準確數據。在項目工程進行中，每一方設計變更都會導致另一方在相應文件中做出調整，一旦出現修正不及時，都會使工期延長，傳統方法建造過程中，設計、施工單位的隔離與信息閉塞，使雙方溝通困難，讓設計方案無法按時施工或出現錯誤。

BIM模型彌補了鐵路項目每個階段各參與方可能存在的問題，通過項目在各階段的信息共享，使各方更緊密的合作。BIM將設計、施工和運營知識結合在一起，順暢銜接并共同服務于項目，打破傳統企業間的壁壘[13]。

4　鐵路設計中BIM存在問題與發展對策

4.1存在問題與障礙

盡管BIM相比CAD技術有多方面的優勢，但目前在鐵路行業發展過程中仍存在不少問題與障礙。

4.1.1行業標準缺失

國內的BIM標準還不夠完善，處于研究和制定階段，相對滯后，部分應用鐵路建設的BIM案例都是根據項目或企業自身情況而定，僅用于某類工程試點，無法廣泛應用，缺少行業標準的指導某種程度制約了BIM的普及。

4.1.2三維協同設計理念缺乏

2D設計作為鐵路設計交付成果已是行業慣例[14]，即各專業在設計過程中單獨完成各自部分，匯總后反復修改核對后再交付。這種離散分步設計方式費時費力，嚴重影響鐵路項目整體進程[15]。BIM帶來的三維協同設計理念促進了鐵路設計各專業學科交叉與密切合作，但項目協同化設計要求在同一環境和同一標準下，各專業并行工作且溝通及時，而現實中各專業的軟件平臺難以兼容、遵循標準及理念不同、信息安全無法保證等問題阻礙了BIM這一理念的發展。

4.1.3專業軟件不足

現在市場上功能完善的BIM軟件多為國外軟件，國內自主開發BIM軟件較少，且適合應用于鐵路工程項目的更少，國外軟件與中國鐵路設計規范不匹配，突出了軟件的本土化問題，不少鐵路設計院也在嘗試進行BIM軟件二次開發，但方向主要集中于方便建模、出圖及展示等，無法真正發揮BIM的優勢，另外開發專業軟件周期長、難度大，前期投入較多，短期無法實現收益，讓很多企業望而卻步，也是亟待解決的一個問題。

4.1.4市場認知問題

目前鐵路行業BIM基本只用于設計環節，主要是應業主需求而試用于鐵路上某些特殊需要的項目，為業主作可視化展示。全生命周期的BIM應用要求投入成本高，需要相關軟硬件設施的配合，可供參考BIM案例較少，使相關中小型企業因技術和實力不足在接受新技術獲得改變的過程中會猶豫不決，還處于觀望態度，無法感受BIM帶來的實際價值。

4.1.5人才的缺乏

人才先行是BIM推廣和應用的關鍵。BIM技術實現從軟件開始，現在鐵路行業接受培訓學習BIM軟件的往往是新人，學習軟件能力強，但缺乏實際工程經驗，而老員工通常覺得先進技術不如經驗做事效率高，觀念落伍，學習意愿不足，導致實際培訓效果不理想，嚴重限制了BIM在企業中的發展，企業迫切需要一套完整的人才培訓體系與方法。

4.2發展對策

鐵路建設具有專業眾多、技術繁雜的特點，BIM應用與推廣難度大。要想使BIM在鐵路行業廣泛使用，可以結合鐵路行業特點，效仿鐵路工程試點成功案例，組織制定鐵路標準框架和體系標準；還應兼顧各專業特點，建立良好的三維協同設計管理體制及執行計劃，增強各專業協調工作能力，另外保證模型信息安全性尤為重要；同時BIM的軟件推行需要政府支持，政府可以采取激勵措施，鼓勵企業自主開發專業軟件，保護國內自主開發BIM軟件版權，構建產品服務支持體系；當今BIM技術主要應用于房屋建筑，鐵路作為基礎設施，其BIM技術的應用剛剛開始，BIM利于鐵路的智能建造、鐵路信息智能管理，適應國家鐵路科技發展規劃需求，政府部門應配合并出臺相關政策扶持，提高其在中小企業中的認知；同時也要要求各企業制定培訓計劃和考核制度，重點培訓新老員工的BIM技術水平，強化BIM專業知識和軟件應用能力，逐漸使BIM應用普遍化、全面化。

5　結語

BIM是建筑業的一次革命，其發展帶來的不僅是技術的進步、建筑效益的提高，更改變了建筑企業的思維模式。鐵路既是國民不可或缺的公共基礎設施，同時也是我國先進技術走出國門的一把鑰匙，其建設更應及時跟進。雖然目前鐵路BIM技術的應用與實踐發展緩慢，還存在諸多問題，但其帶來的工程價值顯著，我們要用正確、長遠的眼光去看待其發展，不能急于求成。相信BIM技術一定會穩步推進鐵路行業建設，在不久的將來取代CAD，引領鐵路建設向信息化、智能化的更高層次發展。

[1]靳金，曹仕雄，黃錳鋼. BIM研究者的應用體驗—廣聯達信息大廈施工階段項目管理BIM應用探索[J].工程建設與設計，2012(10):28-31.

[2]劉占省，趙雪峰.BIM技術與施工項目管理[M]. 北京：中國電力出版社， 2015.

[3]住房和城鄉建設部.關于印發推進建筑信息模型應用指導意見的通知[EB/OL].[2015-06-16].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201507/t20150701_222741.html.

[4]劉厚強，易旭鵬，朱聰.基于BIM的三維鐵路路基建模應用研究[J].鐵道標準設計，2015(7):20-23.

[5]韓元利.論鐵路BIM的認識誤區與實施原則[J].鐵道工程學報，2015(4):118-122.

[6]廣東省住房和城鄉建設廳.關于發布2015年度城市軌道交通領域BIM技術標準制訂計劃的通知[EB/OL]. [2015-12-04]. http://www.gdcic.gov.cn/HTMLFile/shownews_messageid=139967.html.

[7]王珺.BIM理念及BIM軟件在建設項目中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[8]馬嵩.BIM技術在鐵路勘察中的應用分析[J].鐵道勘測與設計，2014(5):9-12.

[9]任曉春.鐵路勘察設計中BIM與GIS結合方法討論[J].鐵路技術創新，2014(5):80-82.

[10]盧祝清.BIM在鐵路建設項目中的應用分析[J].鐵道標準設計，2011(10):4-7.

[11]裴作君.鐵路隧道工程中BIM技術的應用[J].中國鐵路，2014(11):70-73.

[12]徐駿，李安洪，劉厚強，等.BIM在鐵路行業的應用及其風險分析[J].鐵道工程學報，2014(3):129-133.

[13]麥格勞一希爾建筑信息公司.BIM中國調研報告一建筑信息模型:設計與施工的革新，生產與效率的提升[R].北京:麥格勞一希爾建筑信息公司，2009.

[14]陳兵，張燕，張瑩.BIM技術在鐵路地質勘察中的應用[J].高速鐵路技術，2015(1):77-80.

[15]戴林發寶.隧道工程BIM應用現狀與存在問題綜述[J].鐵道標準設計，2015(10):99-102，113.

Discussion on the Application of BIM in Railway Design

HAN Xiu-hui1， YUAN Feng2， LUO Shi-hui1， YE Hang-xing1

(1.Traction Power State Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.The 3rd Railway Survey & Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

By outlining the concept of building information modeling (BIM)， this paper analyzes the advantages of whole life cycle concept based on BIM technology and reviews the development status of BIM technology in the building industry and domestic railway. Moreover， five key points of BIM application should be taken into account in railway design: combination with GIS， comprehensive pipeline collision detection， yard operation management， collaborative design and operation， and coordination in each stage of the project. There are five problems in domestic BIM development: absence of industry standards， lack of 3D collaborative design concept， insufficient professional software， and market cognition and talents cultivation issues. Corresponding strategies of BIM implementation are also put forward. It is concluded that BIM will lead to the informationalized and intelligent development of railway．

BIM; Railway design; Development status; Whole life cycle; Collaborative design

2016-01-16；

2016-01-24

韓秀輝(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：664710613@qq.com。

1004-2954(2016)08-0017-04

U212

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.004