鐵路工程BIM 協同設計與構件共享研究

劉北勝，尹遜霄，郭 歌，李 慧，顧 爽

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 北京交通大學 科學技術處，北京 100044）

鐵路工程設計是一項龐大復雜的系統性工程，其項目多、專業多、人員多、需要設計單位內部、外部團隊密切協同，協同工作難度大[1]。這對鐵路工程設計工作的協同化以及設計數據的共享提出了更高的要求。目前，鐵路各專業設計過程及最終的設計成果均采用了二維圖紙，面對龐大復雜的系統工程會出現設計意圖表達與理解不明確、數據傳遞不順暢等問題。建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）設計具有數字化、可視化、多維化、協同性和模擬性等特點，可貫穿設計、施工、運營和維護整個鐵路生命周期。讓多專業協同設計，實現多階段無縫銜接，信息共享，減少施工階段因設計變更等造成的成本浪費，提升項目管理能力，使項目管理更加精細化、決策更加科學化[2-3]。

BIM 技術作為智能鐵路建設的發展方向，已經得到了廣泛的認可并取得了實質性的進展[4-5]。2013年起，由中國鐵路BIM 聯盟主導，在主要理事單位共同努力下，初步完成了《鐵路工程實體結構分解指南》、《鐵路工程信息分類與編碼標準》、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》等BIM 標準[6-7]，取得了國際BIM 組織及達索等國際知名BIM 軟件廠商的支持。2015 年，聯盟啟動了京沈高速鐵路等多條鐵路BIM 應用示范工程[8]。中鐵二院研發了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，結合石鼓山隧道開展了隧道BIM 三維設計應用研究，重點開展了隧道專業BIM建模及交付標準研究[9]。結合北盤江大橋開展了橋梁BIM 三維設計應用研究，實現了部分橋梁類型的三維設計。結合西成線開展了路基勘測、設計及施工全過程BIM 應用研究，重點開展了基于BIM 模型的鐵路路基施工工藝研究。中國鐵路設計集團有限公司成立了BIM 研發項目部，組織鐵路勘察設計各專業人員開展了BIM 技術在鐵路各專業的研究及應用，基 于 地 理 信 息 系 統（ GIS， Geographic Information System）、網絡、虛擬現實和數據庫等技術，進行了“數字三維協同設計系統研究與開發”。

BIM 設計在鐵路行業進行了很多有益嘗試，但是實踐表明，現有軟件功能、資源均不足以支承BIM 技術在鐵路行業的大范圍推廣，相比二維設計，BIM 設計的優勢并未顯現出來，主要體現在：BIM設計協同能力差、BIM 設計資源難以有效利用和共享。本文對BIM 設計中面臨的協同工作流程及構件資源共享問題進行研究，提出BIM 設計協同方法、BIM 模型構件庫等解決方案，將鐵路工程BIM 設計方法體系化、標準化，為后續鐵路BIM 設計提供借鑒思路。

1 協同設計流程

1.1 現行設計流程

鐵路工程建設項目設計過程一般分為項目前期、項目實施、項目投產3 大階段，又可細分為11 個環節：規劃研究、預可行性研究、初測、可行性研究、定測、初步設計、補定測、施工圖設計、配合施工、竣工驗收、項目建成銷號。鐵路工程設計是多專業協同設計，站前專業：測繪、地質、路基、線路、站場、軌道、橋梁、隧道等；站后專業：四電、建筑、工經、給排水、機輛等。站前、站后各專業在項目實施階段的定測環節到施工圖設計環節協同工作、互為上下序，開展資料互提、審簽和數據共享等工作。設計工作流程，如圖1 所示。

圖1 多專業協同設計工作流程

目前，鐵路設計工作有任務分解派發、任務執行、提交設計文件等管理流程，多以會議方式在重要時間節點面對面制定并發布任務分解和執行進度計劃，項目小組使用通信軟件實時在線溝通任務執行進度、提交設計文件。這種管理方式在實際管理中容易造成任務分解版本不一致、提交設計文件版本管理工作量大，任務執行進度不易實時掌握的問題。

1.2 BIM 模式下設計工作任務管理

任務流程是由多個單位或人員為實現共同的目標而順序或同時需要完成的一系列規范化的任務組成。流程管理是為了提高這些流程任務的組織和執行效率而使用的系統化方法[10]。BIM 模式下設計數據和文件存儲在平臺服務器，數據與文件通過一個整體的BIM 進行組織和關聯，易于設計文件版本統一管理和控制，各專業設計人員在平臺上協同工作，執行設計任務。項目總體負責人在平臺上創建和分配設計任務，設計人員在平臺上查看需要執行的任務、在任務上添加平臺中設計文件的鏈接、填報任務執行進度。當某個專業的設計人員更新并提交了本專業的BIM 時，基于同一平臺的其他專業設計人員可及時接收到最新的模型更新內容并做出響應，從而避免由于溝通不暢造成的BIM 偏差、錯漏或版本不統一等問題。

BIM 模式下的設計任務流程管理，如圖2 所示。

設計工作任務管理的分解派發、任務執行、進度填報和設計文件提交，人員管理都在統一的平臺，為設計項目的所有參與人員提供了有效的協同模式，有助于提高設計工作任務管理效率。

圖2 BIM 模式下設計流程管理

2 BIM 構件庫

實現BIM 設計協同的另一個關鍵問題是BIM 資源共享，資源共享的前提建立統一的BIM 構件庫[11]。設計單位根據標準創建一些通用的構件并上傳至構件庫，構件庫對標準構件進行審核、分類、存檔和維護，之后進行發布并提供給設計單位使用，使BIM 設計資源能夠有效地傳播和復用，提升BIM 設計標準化水平。為保證設計資源能夠正常流轉和使用，BIM 構件庫需要建立完善的管理和保障機制。

2.1 BIM 構件庫特點

BIM 構件庫是BIM 標準構件的有序集合，它應具備以下特點：

（1）應對BIM 構件建立統一的入庫標準，主要是對構件的文件格式以及屬性數據進行規范，并在構件入庫前進行檢查。

（2）鐵路工程BIM 構件分為不同專業，專業內部按照用途又可細分為不同類別，構件庫應對構件進行分類，方便檢索，另外構件庫應盡可能涵蓋各類型的常用構件。

（3）構件中所包含的屬性信息應符合相應的應用場景要求，避免屬性信息不完整影響使用效果。

（4）BIM 構件庫應設置數據訪問權限，用戶只能訪問其權限范圍內的模型構件信息，最大限度的保證數據安全。

（5）BIM 構件庫應有專門的管理人員進行定期維護，更新或刪除不再適用的BIM 構件。

2.2 BIM 構件庫的意義

BIM 構件是寶貴的BIM 資源，對BIM 構件進行收集、維護和管理能夠發揮其應有的價值，使資源得到復用，建模效率大幅提高，提升模型創建的標準化水平，其意義體現在以下方面：

（1）通過對構件資源進行整合形成BIM 資產，在鐵路工程建設項目全生命周期內傳遞和共享，提高BIM 設計的效率。

（2）BIM 構件資源能夠為BIM 擴展應用系統提供有效數據源，例如基于BIM 的仿真分析、碰撞檢測、運行維護等。

（3）BIM 構件庫是BIM 標準化工作的重要環節，為建立企業級BIM 資源庫提供借鑒思路。

2.3 BIM 構件庫設計

本研究在分析路外企業對BIM 建模需求的基礎上，結合鐵路行業工程建設項目特點和專業設置，將BIM 構件庫的功能設置如下：

（1）支持BIM 構件的上傳、下載、在線瀏覽及批量操作等常規功能。

（2）建立完整的構件分類體系和編碼標準，為構件建立索引。

（3）采用傳輸加密、存儲加密以及用戶身份認證等技術手段保護數據安全，對構件資源的訪問進行權限控制。

（4）為其它BIM 擴展應用提供數據接口。

基于以上需求，對BIM 構件庫進行架構設計，系統采用B/S 模式，前端基于JavaScript、WebGL 構建瀏覽器三維顯示引擎，用戶可使用手機端App 或PC 端瀏覽器查看BIM 構件與屬性信息。服務端基于C/C++構建模型參數生成與Web 服務。基于面向對象數據庫存儲模型與業務數據。前后端之間的數據傳輸采用JSON 協議格式。系統架構圖，如圖3 所示。

圖3 構件庫架構

2.4 BIM 構件創建和利用

BIM 構件的創建以滿足各階段的BIM 應用為原則，構件的創建過程包含三維模型建立、幾何信息添加、非幾何信息添加等，還包括構件的分類、管理、維護等信息的添加，構件的創建內容主要包括：

（1）各專業分別建模，每個專業根據約定的交付成果創建構件模型。

（2）各專業的BIM 構件創建應當以三維模型為基礎，根據構件信息深度要求添加必要的幾何及非幾何信息，最終形成構件模型。

（3）BIM 構件的創建還包括對構件的持續性修改、管理、維護和記錄。

在BIM 構件的利用方面，依托BIM 構件庫系統功能，實現了構件的下載、編輯和上傳構件功能。使現有BIM 建模軟件平臺可以連接統一的BIM 構件庫，進行多樣化查詢、瀏覽構件的信息和各種屬性信息、同步更新構件，以及將相應的版本的鐵路BIM 構件載入到BIM 應用軟件中進行編輯、使用與更新。

3 應用效果

三維BIM 模型構件庫在京張高鐵全線的BIM 設計和三站三隧的精細化設計中進行了應用驗證，為建立三維BIM 設計協同設計模式和構件級設計資源共享積累了有益經驗，具體應用效果如下。

鐵路公共建筑與鐵路其它專業在同一平臺作業的設計工作并實現數據格式統一，專業間可以做到相互調用，相互參考，及時發現問題并反饋問題，及時更改。

各專業的設計信息均呈現在一個平臺上，打破信息壁壘，避免因信息不對稱造成的滯后，專業設計過程中需要其他專業的設計參數可以進行實時抓取，并產生關聯關系記錄。信息變更提醒功能，某設計信息變化后，與其關聯的相關設計內容均收到變更提醒，避免信息滯后產生的差錯漏碰。

在清河站、張家口南站等站房中利用BIM 模型構件庫管理和復用BIM 構件，進行三維BIM 場景構建，從而在設計過程中最大限度提高資源效率。成果經驗可復制到全路高鐵建設項目上，復雜的建造過程透明化、可視化，推動鐵路建設從信息化、數字化走向智能化。

4 結束語

本文以鐵路工程建設項目BIM 設計協同為研究對象，分別從BIM 協同設計流程、BIM 構件庫的建立兩個方面開展研究。對BIM 模式下協同設計工作流程進行了梳理，提出BIM 構件庫的設計方案，在京張鐵路工程建設項目進行了應用。應用效果表明，全專業在同一工作環境下開展協同設計，以三維模型為載體對設計信息進行維護，可實現信息集中管理和共享。依托BIM 構件庫，可實現BIM 構件資源的整合和復用，為裝配式建模提供數據源，從而提高設計工作的效率和標準化水平。