鐵路站場BIM技術應用研究

王 鵬

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

我國國家標準GB/T51235—2017《建筑信息模型施工應用標準》將BIM-Building Information Modeling(建筑信息模型)定義為：在建設工程及設施全生命期內,對其物理和功能特性進行數字化表達,并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱[1]。BIM技術近年來發展迅速,已席卷全球的建筑環境行業[2]。建筑行業也已經有較為成功的應用案例和成熟的軟件[3-5]，在鐵路工程中進行BIM技術應用和研究尚屬于起步階段,但近些年來中國鐵路BIM聯盟陸續頒布了一系列的鐵路BIM應用標準,鐵路行業BIM技術發展迅速。鐵路工程專業眾多,分工較細,目前在橋梁、隧道、接觸網、四電等專業都對BIM技術應用進行了深入研究[6-10],并在鐵路聯盟的推動下在實際的鐵路工程中進行了探索性的實踐及驗證。

2 站場專業BIM技術應用現狀及對策研究

鐵路站場設計是一個極其復雜的系統工程,需要項目各方,在各個階段相互銜接,各專業協同設計[11]。站場專業是連接站前與站后專業的紐帶,具有“承上啟下”的關鍵作用,是鐵路車站的總圖專業,站場設計的效率和質量對整個鐵路的建設與運營具有極其重要的影響。目前站場專業BIM技術的應用尚處于利用二維設計成果進行三維信息模型建造的階段[12],效率低下,精度不高,無法體現BIM技術協同高效的價值。以實際工程項目的BIM應用和站場專業將BIM技術作為設計的手段為目的,站場專業BIM技術應用應從以下4個方面進行研究。

2.1 站場專業BIM設計軟件研發

信息模型的基礎是模型,模型是信息的載體。目前主流三維設計平臺有Autodesk、Bentley及CATIA三種,三種軟件平臺各有其優缺點[13]。但由于鐵路站場自身專業特點的獨特性,這三款軟件平臺均不完全適用于站場BIM設計。站場專業設備眾多,各種設備之間在空間、時間上信息高度耦合,只有充分考慮了站場各種設備極其復雜關系的設計軟件，才能適合站場專業BIM技術的應用。這也是目前國內站場專業BIM設計現狀基本停留在利用二維設計成果進行三維信息模型建造的階段的根本原因所在。

站場BIM設計軟件研發有以下兩種方法。

其一,在主流三維設計平臺上做二次開發。將站場設備，設備在空間、時間上的信息耦合關系在該平臺進行定制,形成適合站場專業BIM設計的三維設計平臺。由此開發的平臺功能全面,適用性強,但此方法開發周期長,投入也大。

其二,在現有的站場設計軟件基礎上做延伸開發。筆者參與研發了鐵路站場數字化設計系統[14-16]。該系統將站場專業各設備的幾何信息、非幾何信息及設備之間的空間、時間關系記錄到數據庫,并可實現通過數據庫自動成圖。通過在主流的三維設計平臺上開發站場數字化設計系統的自動建模插件,可實現站場專業信息模型的快速構建[12]。

2.2 鐵路站場BIM設計標準研究

BIM價值的實現貫穿于工程項目從早期的概念設計到末期工程拆除的整個生命周期,而實現這個價值的基礎支柱則是公開的結構化的BIM標準[17]。自鐵路BIM聯盟成立以來,陸續頒發了大量的BIM技術標準,極大地促進了我國鐵路BIM技術的發展。

經過對鐵路BIM相關標準的研究及銀西、西法、西韓、閻機等項目的驗證,站場專業BIM設計標準需對鐵路聯盟相關標準進行擴充完善,以提高其工程適用性。以IFD標準為例,依據站場專業設備特點,結合鐵路工程信息模型交付精度標準及鐵路工程信息模型分類和編碼標準[18-19],對站場IFD標準進行擴充完善。因篇幅限制,本文僅列舉部分擴充完善的IFD標準：對站內路基進行擴充完善,增加了場坪路堤53-111 060、隔水層53-111 070、設計地形實體53-111 080。對基床表層、基床底層和基床以下路基按照站場設備特點進行了再次細分,如圖1所示。

圖1 站場專業IFD標準擴充完善

2.3 站場設計基礎數據適應性調整

傳統基于二維CAD圖紙的站場設計,站場專業輸入輸出資料以二維資料為主。BIM技術的應用將二維設計方式轉變為三維設計方式,設計方式的轉變除了給設計流程造成影響外,也使部分專業接口資料的形式發生改變。接口資料形式的改變會導致傳統的二維設計數據到BIM三維設計數據轉變時產生問題,需要進行適應性調整。

以站場設計時所需地形、橫斷面數據為例進行說明。傳統二維設計,站場施工圖平面設計圖采用1∶2 000的dwg格式航測地形圖。橫斷面設計時采用按照橫斷面樁號實測的1∶500橫斷面地面線實測數據。在進行三維設計時,站場路基三維信息模型的構建參考的是三維數字地面模型。而以1∶2 000的平面地形圖制作的數字地面模型無法滿足站場路基體三維信息模型構建所需的精度要求。鐵路車站點多面寬,全面制作1∶500地形圖會產生大量的附加成本。通過研究及銀西鐵路、陜西城際鐵路等項目的驗證,利用1∶2 000地形圖加橫斷面實測數據融合的方式構建三維數字地面模型可解決這一問題，如圖2所示。

圖2 以融合實測線方式構建數字地面模型

2.4 設計成果交付平臺的研究

BIM價值的最大化實現需要依賴于不同項目成員和軟件之間的信息的自由流動,從而使每一個項目成員在他的專業工作需要的時候，都能夠從上游成員已經收集的信息中及時得到他需要的具有質量保證的信息,同時也能按照規則方便地更新信息[17]。因此設計階段產生的三維信息模型要想實現其BIM價值最大化,需要能夠在保證其信息完整性的條件下往施工、運營及項目拆除階段傳遞。由于項目參與各方所使用的工具可能不同,設計成果的交付需要一個能夠集成模型、模型互操作、模型資料管理并兼容主流設計成果格式的平臺。鐵路工程點多線長,數據量龐大,海量的數據要能在平臺中進行層次分明的組織,就要根據信息模型的特點研究其組織結構規律。站場專業的設備眾多[20],以其設備本身特點為基礎,將站場設備進行系統性分類并為其添加可定位的身份編碼,可將其組織成為結構清晰層次分明的樹狀結構。例如合陽東站警沖標編碼：站場—合陽東車站—標志標牌—警沖標—警沖標1。依據該方法在陜西城際項目自主研發的BIM綜合管理平臺中構建站場專業信息模型組織結構樹,如圖3所示。

圖3 站場專業組織結構樹

3 結語

自鐵路BIM聯盟成立以來,中國鐵路BIM技術應用快速發展,站場專業雖然為鐵路工程中的重要的總體型專業,但在BIM技術應用上相較房建、隧道、橋梁等工點型專業尚有所欠缺。本研究成果對鐵路站場專業BIM技術應用具有較高的參考價值。除專業軟件研發、標準研究、平臺研究外,站場專業BIM技術應用今后尚需在全生命周期的模型有效傳遞、施工及運維應用等方面進行深入研究。