基于青連鐵路四電工程BIM技術的應用研究

閆立忠

(青連鐵路有限責任公司,青島 266499)

BIM技術在我國鐵路行業的研究和應用已全面展開，各個鐵路項目逐漸將BIM技術作為衡量工程管理與施工質量的重要指標，推廣應用BIM技術是建設數字鐵路、智慧鐵路、精品鐵路的必然選擇[1]。

青連鐵路四電工程作為中國鐵路總公司工程管理中心選取的建筑信息模型技術(BIM)應用試點項目之一，為中國鐵路BIM技術推廣應用進一步積累了技術、管理經驗，并培養人才，發揮BIM技術應用示范帶頭作用。

1 項目概況

1.1 試點工程范圍

(1)青連鐵路膠南中繼站至董家口段，里程范圍DK89+000～改DK105+450，線路長度16.45 km。

(2)膠南牽引變電所相關工程，里程范圍DK72+000～DK74+000，DDK1+000～DDK3+000，線路長度4 km。

1.2 試點工程概況

試點工程包含兩部分，一部分為段落DK89+000～改DK105+450，線路全長16.45 km，段落中包含車站1座即董家口車站；分區所1座即董家口分區所；特大、大中型橋梁10座；路基長度共9 454.31 m。另一部分為膠南牽引變電所以及相應的站前配套工程。

1.3 參與專業

鑒于四電工程的專業特點，青連鐵路四電BIM試點工程需站前、房建以及其他站后工程參與，作為四電工程的基礎，試點項目為站前、站后全專業協同設計。

本次BIM設計工作參與專業為通信、信息、信號、電力、牽引變電、接觸網專業，站前線路、軌道、橋梁、路基專業，以及房建、給排水專業。

1.4 軟件平臺

基于鐵路四電工程以及其他多專業協同的特點，本試點工程采用達索公司的軟件平臺以及二次開發來實施：項目采用達索物理服務器2017x系統，協同設計采用3DEXPERIENCE平臺，模型采用CATIA建模軟件，協同管理采用ENOVIA平臺，通過二次開發實現屬性賦予、驗證、數據交互等工作。

2 BIM技術在協同設計中的方法研究

設計階段的BIM應用是整個鐵路四電工程建設的基礎，其應用質量關系到整個施工圖的質量、模型交付質量等，影響到下一階段的BIM工作開展。通過BIM技術進行協同設計，在同一項目環境中建立通信、信息、信號、電力、接觸網、牽引變電專業主體工程BIM模型，滿足空間布設合理性分析及檢測，綜合管線、設備設施碰撞檢查等BIM應用，有效解決傳統設計溝通和信息傳遞不及時的問題，提高設計質量和效率。協同工作流程及內容見圖1。

圖1 BIM協同工作流程及內容

2.1 多方全面參與，為BIM協同設計提供保障

通過3DEXPERIENCE設計協同平臺設置賬戶權限以及版本管理等功能，為項目參與各方開通獨立賬戶，設置角色權限，創建協同空間，配置數據成熟度等措施，保證BIM協同設計持續穩定、高效有序推進。

(1)人員賬戶

在3DEXPERIENCE系統平臺中的用戶，擁有獨立的用戶名和密碼。可隸屬于某個組織，擁有某些角色，為某個協同空間工作。

(2)角色權限

達索3DEXPERIENCE系統中角色常用的包括Reader、 Author、 Leader，不同的角色代表著對不同對象有不同的權限范圍，Reader表示有訪問權限，Author表示有創建和設計修改功能，Leader表示有管理設計資源的功能，包括模板庫(Catalog)、模板(Template)等。

(3)協同空間

協同空間包括模板空間和項目空間，協同空間按照保密等級分為4種：私有的，受保護的，公共的，標準的。

(4)數據成熟度及版本管理

數據成熟度常用的包括設計狀態(Under Global Design)、發布狀態(Released)、廢棄狀態(Obsolete)。

2.2 統一的數據庫及平臺，為BIM設計及應用提供同一數據源

達索軟件本身不具備鐵路設計功能，更沒有四電專業主要設備模型和標準構件，通過建立四電專業本工程主要設備、構件模型，并積累補充國鐵一級鐵路標準的專業模板，為整個項目設計協同及應用管理提供統一的基礎環境：在3DEXPERIENCE平臺中登錄系統時，各專業組織選擇對應專業，協同工作空間選擇青連線。青連鐵路工作空間分為項目空間和模板空間[2]。各專業在進行與項目有關的工作時，選擇在“QingLianLine”項目空間進行，各專業相關模板和標準設備存放在“Standard-專業”模板空間內(圖2)。

圖2 青連鐵路BIM協同設計平臺

各專業基于同一數據源同步開展設計，為設計過程資料的傳遞帶來了便利，也避免了傳統設計上下序專業因使用版本不一致產生差錯。同時，基于達索3DEXPERIENCE平臺和統一的數據庫，開展建模、管理、分析、展示、仿真等工作，各種應用可直接使用BIM設計模型數據。

2.3 協同響應機制是協同設計的核心

(1)自頂向下、骨架驅動

利用3DEXPERIENCE平臺和CATIA軟件開展鐵路各專業的三維設計，遵循“自頂向下逐級展開、骨架驅動模型”的設計思路，將每段BIM設計先按不同專業進行劃分，專業內再按工點進行工程分解，形成總裝結構樹。以線路空間曲線為主骨架，各專業內再設計專業骨架，最后創建專業模型的方式，開展專業設計。青連鐵路四電BIM試點項目的總裝結構樹如圖3所示。

圖3 青連鐵路工程結構樹

(2)發布引用、更新同步

達索系統中下序專業要使用上序專業的資料，通過上序專業發布骨架元素、下序專業參考引用的方式實現，并且內含自動響應機制，當上序發布的骨架發生調整后，會以特殊的圖標自動通知下序專業，需要更新骨架，下序專業更新時會以先更新各級專業骨架，然后再按更新專業模型的順序逐步更新。

通過梳理傳統二維設計上、下序資料，研究在BIM環境下，站前專業與四電專業的上下序資料內容和接口形式。在BIM設計環境下，四電專業通過協同設計管理平臺，向站前專業提出土建要求，站前專業在進行BIM設計時，以點、線、面、實體、坐標系等形式，為四電專業預留相應骨架。四電專業確認骨架資料無誤之后，進行四電專業BIM設計[3]。

基于達索軟件平臺，建立BIM模式下協同設計的流程框架，進行建設項目設計同一專業內部、不同專業之間的協同設計(圖4)，如橋梁專業按照接觸網專業下序資料要求為其預留的支柱定位元素(圖5)，站場提供的道岔關鍵點位元素和信號專業根據道岔關鍵點位元素設計的信號機機位(圖6)。

圖4 橋梁與接觸網專業間接口應用流程

圖5 橋梁提供接觸網支柱基礎定位元素

圖6 站場提供道岔關鍵點位元素和信號專業設計的機位

3 BIM技術在項目管理中的方法及應用

3.1 基于ENOVIA平臺的項目管理

使用達索ENOVIA協同管理平臺進行整個青連鐵路工程建設項目在設計、施工、建設管理以及運營維護等多方參與下的全生命周期管理，包括人員、權限、任務、流程、交付等。任務管理采用自頂向下逐級分解模式，總體建立總任務節點、各專業互提信息要求的子任務和各專業總任務子節點，并將不同任務分別指派給各專業負責人，由專業負責人再分下一級任務并指派，直至任務分解完成。

為加強項目過程控制，依據WBS分解原則，對青連鐵路四電BIM試點項目的相關工作進行任務分解。任務管理包括標準、骨架、模板、模型、二次開發、專業間發布、文檔等，原則上分解粒度為每項工作用時不超過3 d，并將各項工作具體落實到人，過程中責任人動態進行填報。工作任務分解如圖7所示。

圖7 ENOVIA平臺各專業工作任務分解

通過使用ENOVIA項目管理平臺使工程總體進度可控，過程中能及時發現控制點并提前做好協調工作。協同平臺記錄所有工作過程、交付物及審批流程，對交付物進行完整的版本控制，確保資料的正確性。

3.2 進度管理

鐵路四電工程施工現場千變萬化，有時候由于各方面的原因會造成進度管理上的問題，比如：設計圖紙的滯后帶來的進度管理問題；施工進度計劃編制不合理造成的進度管理問題；現場人員的素質不高造成的進度管理問題；因參與者眾多，溝通和銜接不暢導致的進度管理問題以及施工環境的問題等[4]。正是由于在項目進度管理中存在諸多問題，因此，通過BIM技術將四電3D模型附加時間，構成4D模擬，按照工程項目的施工計劃模擬現實的施工過程，通過虛擬建造，發現實際進度與進度計劃之間的差異，從而調整進度計劃，把控項目的進度管理。

通過將鐵路四電BIM模型與四電施工進度計劃關聯和場地狀況進行4D動態模擬，4D動態模擬可以形象地反映出施工過程中施工現場狀況以及各項數據的變化。通過對日期、工序的選擇，可直觀展示當日、當前工序工程進展情況以及工程量變化情況。比如通過分析接觸網各工序布置與施工進度之間、各種施工設施之間、材料供給與需求之間等諸多復雜的依存關系。將四電BIM模型和施工進度計劃連接起來，可實現BIM模型與進度軟件之間的雙向數據交流和反饋[5]。

3.3 成本管理

鐵路四電工程單位工程量內的成本很高，而且線纜敷設和接線工作細致繁瑣，專業性要求高，由于不同專業的特點和線纜特性產生的人工成本差異較大。在傳統的鐵路四電成本管理和造價核算中存在材料浪費，盲目采購，檢查、驗收、領用控制不嚴，成本核算混亂、賬目不清晰，各環節相分離等現象[6]。

基于四電IFC以及BIM模型中的材料、尺寸等設計信息，ENOVOA平臺對設備進行統計匯總并生成設備數量清單(Bill of Material，BOM)，根據BOM及《鐵路工程預算定額》，逐步形成工程數量及工程預算統計結果。這種基于BIM的算量方法，將算量工作大幅度簡化，也為圖紙上沒有體現的線纜路徑提供了算量依據，減少了因人為原因造成計算錯誤，大量的節約了人為的工作量和所花費時間[7]。同時依據BOM對物資采購和工人領料作出嚴格精細化的管控，避免零散采購和材料浪費。

在傳統的成本核算方法下，一旦發生設計優化或者變更，變更需要進行審批、流轉，造價人員就需要手動檢查設計變更，更改工程造價，這樣的過程不僅緩慢，而且可靠性不強。而BIM依靠強大的工程信息數據庫，實現了二維施工圖與材料、造價等各模塊的有效整合與關聯變動，使得設計變更和材料價格等變動可以在BIM模型中進行實時更新。變更各環節之間的時間被縮短，效率提高，更加及時準確地將數據提交給工程各參與方，以便各方及時做出有效的應對和調整[8]。

3.4 質量安全管理

鐵路四電工程點多、線長、面廣、施工工序復雜、設計標準高、工藝要求精，配合部門多、施工人員分散、技能水平層次不齊，質量安全管理工作繁瑣，是一項多方參與，多專業協調，多方位推進，多工種交叉作業的系統性工程。

通過工序模擬，對錯漏碰缺、交叉作業等影響工程質量的位置進行重點分析，提前避免工程質量問題。對于線纜走向，設備安裝方向嚴格按照四電BIM模型進行施工和安裝，利用工單管理系統分配到個人的任務進行有針對性的質量管理和檢查，通過施工前三維交底、過程中實時查閱BIM模型、完工后拍照上傳等基于BIM模型和平臺技術的手段，對過程中精準有效的把控，保證并提升工程質量，為全線靜態驗收、聯調聯試等工作奠定基礎。

鐵路四電工程的施工安全管理，可歸納為生產過程中對人、設備、環境風險因素的評估、消除和控制的綜合管理[9]。將BIM技術引入鐵路四電工程施工安全管理和風險控制當中，規避施工過程中的安全風險，通過CATIA建立精確的BIM模型模擬安全防護現場，尋找安全防護的關鍵部位，得出有效防護措施，安全性得以提高，提前規避風險。

3.5 變更管理

鐵路四電工程各個專業之間相互交叉、相互涵蓋，相互預留接口，每一個專業的變更都不是獨立的，往往是牽一發動全身，不僅對專業施工有影響，同時和進度、工序、成本等都有密不可分的聯系。

根據變更，在CATIA軟件中對模型進行及時更新，通過ENOVIA平臺在各個專業之間建立一致的變更流程，將變更決策清晰地傳達到所有受影響的專業，編排和同步從項目監管到工程實施的變更場景，同時將變更與對應版本的模型進行掛接，保持嚴格的控制和可追溯性。

4 BIM技術在施工中的應用

4.1 設計優化

各專業模型建完后，在進行專業間協調檢查時，發現了BIM設計過程中及圖紙設計過程中的部分專業接口問題[10]。

通過建立連貫的三維路基、橋梁電纜槽，發現傳統電纜槽各自為政的設計方法存在的弊端，橋梁、路基完成各自區域內電纜槽之后，未進行區間電纜槽過渡段設計，導致電纜槽無法銜接，電纜無法敷設。此類問題在實際設計時也經常出現，路橋隧等站前專業在設計或者施工時，沒有考慮站后電纜槽銜接問題，導致四電施工進場之后，需要對電纜槽進行破壞和修復，造成不必要的損失。見圖8。

圖8 未進行橋梁路基電纜槽過渡段設計模型

針對這一問題，BIM設計人員根據標準圖集，結合工程實際情況，建立橋路、橋隧過渡段電纜槽詳細模板，提交路橋隧等相關專業，完善電纜槽過渡段設計(圖9)。

圖9 完成橋梁路基電纜槽過渡段設計模型

4.2 碰撞檢查

利用BIM設計多專業成果統一、協同的特點，在三維環境中全面檢查各專業設計成果，通過建立設備實際尺寸模型，并布置在三維環境中，可快速發現專業間設備碰撞、沖突，通過與設計團隊密切合作，修改碰撞和沖突，優化傳統二維設計，為施工階段提供高質量的設計圖紙和BIM模型。諸如，橋梁上接觸網下錨墜砣限制架與避車臺沖突，橋梁上接觸網下錨裝置與聲屏障沖突，以及站場接觸網支柱基礎與電纜溝、電纜井、過軌管沖突等。見圖10～圖12。

圖10 橋梁上接觸網下錨墜砣限制架與避車臺沖突

圖11 接觸網支柱與橋梁結構沖突

圖12 接觸網支柱與電纜井沖突

4.3 設備安裝位置合規性檢查

對信號設備外緣限界檢查，以及信號機顯示距離及遮擋檢查。

在此次青連鐵路BIM設計中，對信號設備設施的安全凈距以及信號機顯示距離等內容進行了設計及檢查。利用現有技術條件和專業技術手段建立可視化限界圖例，并進行人工確認檢查，將出現碰撞、遮擋、侵限的關鍵節點進一步修改和處理，確保設計成果的正確性和合規性。

利用此項BIM技術，可以實現信號設備設施的限界、碰撞、視距范圍的可視化，能夠一目了然地了解各個設備設施的安裝情況是否滿足設計規范、是否發生沖突與碰撞、是否出現顯示范圍內的遮擋等設計問題，能夠有效開展多專業協同設計及碰撞檢查，提高設計的準確性和適用性。見圖13～圖15。

圖13 出站信號機顯示距離及外緣凈距范圍

圖14 調車信號機顯示距離及外緣凈距范圍

圖15 進站信號機顯示距離及外緣凈距范圍

4.4 施工模擬

由于鐵路四電工程施工有其特殊的施工順序和作業組織方式，如電力專業和接觸網專業要按鋪軌區段設置作業區段，統籌考慮與站前專業、鋪軌專業交叉配合施工。整體施工組織要按照“大循環，小流水”的程序化方式進行施工；變電專業施工不受線路施工制約，無緊前工序制約，但受大型電氣設備供貨、外電引入、房屋進度等影響。而且由于傳統的二維圖紙只包含本專業的管線以及設備的基本情況，不能了解整個系統內的關系，也不能呈現出集成圖紙的效果，所以在施工過程中會經常發生系統、專業間的沖突碰撞。通過BIM技術的引入，可以對鐵路四電工程進行BIM三維模型可視化的施工模擬[11]。通過模擬四電工程的施工順序和作業組織方式，可以直觀地看到各專業及各系統之間的空間關系及碰撞問題等。在施工之前，及時解決通過BIM施工模擬發現的各方面問題，從而進行方案的改進和優化，提升施工質量，減少浪費，創造價值[12]。

通過BIM技術，對鐵路四電工程進行三維模型可視化的施工模擬，不但可以解決各專業、各系統之間的工序問題和碰撞問題，還可以解決四電的設備定位、現場空間分析、資源分配計劃等施工階段的各種問題，給四電的施工帶來了巨大的幫助。

5 鐵路BIM標準的應用和驗證

5.1 鐵路IFC標準的應用和驗證

本項目BIM實施依據《鐵路四電工程信息模型數據存儲標準》(1.0版)。在IFC標準類下建立相應的三維模型，并附加相應的IFC屬性集[13]。由于IFC4.0中原有的實體和屬性集未包含在鐵路四電IFC標準中，所以在達索系統中補充鐵路四電IFC相關實體和屬性集，還將原IFC4.0中與四電有關的內容部署在達索系統中[14]。例如在鐵路四電IFC現有的基礎上新增枚舉項定義CANTILEVER腕臂、SUPPORTOR肩架，新增屬性Pset_Cable Carrier Segment Type Cantilever、Pset_CableCarrierSegmnentTypeSupportor。

各專業首先形成了本專業的IFC分類和屬性表，然后在ENOVIA平臺上通過定義擴展類型的方式，完成IFC分類和屬性集在達索系統的部署，并進行了將BIM模型導出成ifc格式的文件的測試驗證，保證創建的BIM模型符合IFC標準，能被其他支持IFC的軟件正確識別[15]。

5.2 鐵路IFD標準的應用和驗證

本項目BIM實施依據《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》。明確編碼原則，并為模型添加IFD編碼[16]。IFD標準的分類多，覆蓋面廣，若應用場景不明確，將難以選用IFD編碼。因此，四電專業根據工程實際情況與設計習慣，制定IFD編碼原則，使本項目中設備和構建編碼規則一致，為查詢和搜索奠定基礎。通過開發IFD查詢與部署工具，將BIM模型賦予IFD編碼，并可自動更新。

5.3 交付精度標準的應用和驗證

本項目BIM實施依據《鐵路工程信息模型交付精度標準》，本項目對照《鐵路工程信息模型交付精度標準》(征求意見稿)[17]，將標準中所要求的幾何精度和信息深度以三維模型和IFC、IFD的形式添加至BIM模型中。

幾何精度：按照工程圖紙，建立四電各專業設備、構件及線統的模型，模型幾何精度均可達到1 mm。

幾何信息：根據工程實際需求，建立工程三維模型，包含設備模型的長、寬、高以及定位信息等[18]。

非幾何信息：通過部署IFC屬性集、IFD分類編碼以及達索系統自帶的模型信息，完成模型的非幾何信息的添加。

5.4 工程結構分解

各專業工程結構分解按照《鐵路工程設計信息模型表達標準》中設計單元的劃分，并結合《鐵路工程信息模型結構分解標準》(暫行)，選取適合專業特點的方法進行分解，形成適合本項目的工程結構[19]。

5.5 對標準的建議

(1)交付精度標準中需要輸入的非幾何信息，需要與IFC的屬性相對應；

(2)交付精度標準中需要輸入的非幾何信息，如廠家信息等無法在設計階段獲取的，需要修改交付精度標準；

(3)針對IFD編碼方式不唯一的情況，建議統一編碼原則；

(4)IFC缺乏對于施工、運維等應用階段的全部描述，其各類設備、纜線等的屬性集不完全適用于

模型全生命周期的應用，建議考慮工程全生命周期的應用。

6 結論與展望

青連鐵路四電BIM試點項目是首次開展以四電為主的全專業的BIM應用項目，站前站后多專業BIM協同設計，實現鐵路四電工程信息模型數據存儲標準(IFC)的部署、驗證和補充，實現鐵路工程信息模型分類和編碼標準(IFD)查詢和部署，探索BIM三維模型的建立，完成四電工程由2D向3D、4D轉變，探索BIM技術在設計、施工、運維中的應用，以數字化、信息化和可視化的方式提升設計精度和深度，并達到施工信息的無縫傳遞、管理協調、安全質量控制等目的。

通過青連鐵路四電BIM試點工程，探索BIM成果驗收、審核、轉發、歸檔等管理模式和實現途徑，為真正實現BIM技術在鐵路四電工程全生命周期中的應用，提供了可參考的案例[20]。