城市軌道交通工程BIM標準體系的研究與實踐

李俊松，黃亮亮

(1.中鐵二院工程集團有限公司，成都 610031；2.中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，杭州 310004)

目前軌道交通工程建設如火如荼，正處于飛速發展時期。BIM技術是推動我國土建工程創新發展的重要技術手段，對建筑、鐵路、軌道交通、市政等工程的技術進步和轉型升級產生了巨大的影響。

機械制造及建筑行業的BIM技術起步較早、發展較快，相應BIM標準體系的建設也較為系統、科學。鐵路行業在鐵路BIM聯盟的帶領下，在鐵路系統各科研院校、設計單位、施工企業的共同協作下，近幾年也相繼頒布了一系列BIM標準，形成了包括數據存儲、信息語義、信息傳遞等方面的標準體系。

城市軌道交通工程建設階段仍處于離散的資源管理模式，信息壁壘、孤島林立，管理手段也較為落后，缺乏BIM技術的系統應用，缺少完善的BIM標準體系。因此，充分發揮BIM的優勢，打通既有生產方式下存在的信息壁壘、管理桎梏，形成規范化的BIM標準體系建設，提高生產效率，成為破解軌道交通工程中BIM應用困局的有效途徑。

1 既有標準體系綜述

建筑、鐵路行業與城市軌道交通工程同屬土建工程領域，在建設周期、管理模式、技術手段等方面比較類似，其標準體系的建設思路、編制維度對城市軌道交通標準體系的建設具有指導性意義。

1.1 建筑BIM標準現狀

建筑行業信息化發展的時間已有十余年時間，在政府的重視和支持下，近幾年發展迅速。如今，BIM技術在建設行業備受關注，BIM應用及標準體系建設也逐步深入、系統。

住房和城鄉建設部高度重視BIM技術在建筑行業的應用推廣工作，2011年、2016年相繼發布了《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》[1]、《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》[2]，提出了兩個五年計劃的BIM技術發展方向，要求基本實現建筑企業信息系統的普及應用，推動信息化標準建設，促進具有自主知識產權軟件的產業化。2014年7月出臺的《關于推進建筑業發展和改革的若干意見》[3]中明確指出，應推進建筑信息模型(BIM)等信息技術在工程設計、施工和運行維護全過程的應用。2015年6月頒布了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》[4]，提出建筑行業部分設計單位及施工企業應掌握并實現BIM和信息技術的集成應用。2017年7月頒布了《建筑信息模型應用統一標準》[5]，規定了BIM在工程項目全生命期各個階段建立、共享和應用的原則，包括模型的數據要求、交換共享要求、應用要求及其具體實施要求等。2018年1月頒布了《建筑信息模型施工應用標準》[6]，從深化設計、施工模擬、預制加工、進度管理、預算成本管理、質量安全管理、施工監理、竣工驗收等方面，提出建筑信息模型的創建、使用和管理要求。2018年5月頒布了《建筑信息模型分類和編碼標準》[7]，規定了各類信息的分類方式和編碼辦法，這些信息包括建設資源、行為和成果。2019年6月頒布了《建筑信息模型設計交付標準》[8]，規定了交付準備、交付物、交付協同三方面內容，包括建筑信息模型的基本架構、模型精細度、幾何表達精度、信息深度、交付物、表達方法、協同要求等。2019年6月頒布了《建筑工程設計信息模型制圖標準》[9]，用以指導基于BIM的建筑工程設計過程中，各階段數據的建立、傳遞和解讀，特別是各專業之間的協同，工程設計參與各方的協作，以及質量管理體系中的管控等過程。另外，即將發布的《建筑工程信息模型存儲標準》，基于IFC針對建筑工程對象的數據描述架構(Schema)做出了規定，規定了數據存儲和交換的標準格式。

1.2 鐵路BIM標準現狀

根據鐵路工程建設信息化的總體規劃，中國國家鐵路集團工管中心引領BIM技術在鐵路工程上的應用研究與BIM標準的制定。中國鐵路BIM標準體系包括技術標準和實施標準兩大部分[10]，技術標準主要包括數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準等方面，實施標準從資源、行為、交付物三方面指導和規范了鐵路行業規劃、設計、施工、建設管理、運營企業實施BIM標準。依托于中國鐵道科學研究院創立的《鐵路技術創新》期刊，先后發布了一系列鐵路BIM標準。2015年1月頒布了《鐵路工程實體結構分解指南》[11]，采用系統分析方法將鐵路工程對象分解為既相互獨立又存在關聯關系的項目單元，規范了模型的建立。同月還頒布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[12]，基于IFD全面整理了鐵路工程信息模型的分類、編碼，實現了鐵路工程全生命周期信息的交換、共享。2016年1月頒布的《鐵路工程信息模型數據存儲標準》[13]和同年7月頒布的《鐵路四電工程信息模型數據存儲標準》[14]，結合鐵路工程的特點對常規IFC進行了擴展，統一了鐵路工程模型及信息的存儲標準。2017年9月集中頒布了《鐵路工程信息模型表達標準》[15]、《基于信息模型的鐵路工程施工圖設計文件編制辦法》[16]、《鐵路工程信息模型交付精度標準》[17]、《面向鐵路工程信息模型應用的地理信息交付標準》[18]、《鐵路工程WBS工項分解指南》[19]、《鐵路工程數量標準格式編制指南》[20]和《鐵路工程信息交換模板編制指南》[21]，規定了模型命名規則、模型幾何表達等級、模型的拆分與組合、視圖表達、外部參考等，明確了采用BIM技術設計的鐵路工程施工圖文件的組成和內容，規范了鐵路工程BIM設計交付物的幾何精度和信息深度，基于線分法實現了對鐵路工項按設計單元的系統分解。2018年12月頒布了《鐵路工程信息模型設計階段實施標準》和《鐵路工程信息模型施工階段實施標準》，均從鐵路工程信息模型的行為、協同和資源3個基本維度，制定了鐵路工程信息模型的設計、施工實施方法，推動了鐵路工程信息模型在鐵路設計、施工階段的深入應用。

2 城市軌道交通工程標準體系建立

成熟的標準體系可指導參與建設的單位少走彎路，準確鎖定應用目標，較短時間獲取BIM應用所帶來的實際價值。在借鑒建筑、鐵路行業標準體系研究經驗的基礎上，依托于“軌道交通工程BIM技術應用標準體系研究”、“基于BIM的建設管理平臺關鍵技術研究”、“城市軌道交通工程施工BIM管理平臺研發”等科研項目，開展了系統的城市軌道交通工程標準體系的制定工作，取得了一定的階段成果。

2.1 總體規劃

結合城市軌道交通工程的建設模式，參考建筑行業標準分類辦法，將標準體系至上而下分為綱要→導則→指南→手冊四個層級(表1)。

表1 標準體系層級

(1)發展綱要主要給出行業發展方向、方針、政策，制定切實有效的研究、應用步驟與計劃。

(2)實施導則在綱要的基礎上，明確行業BIM應用的技術路線，提出各單位的BIM實施內容框架，從資源、行為、交付等方面制定準則。

(3)應用指南從技術和實施兩方面著手，結合行業需求，在構件編碼、模型建立、附加信息、后期交付等方面制定行之有效的標準指南。

(4)技術手冊主要是結合BIM應用的技術細節，對應用指南進行細化與補充，制定出每一項技術應用的操作手冊和實施要點。

2.2 發展綱要

綱要引領行業BIM技術發展的方向和深度，也是BIM標準體系建設的頂層規劃。綱要應響應國家發展、智慧城市建設的戰略需求，滿足行業、企業自身發展的現實需求，編制內容如下。

(1)實施背景：分析行業、企業BIM應用面臨的現狀與需求，提出BIM實施初期可能遇到的問題及挑戰，為后期應用推廣奠定基礎。

(2)應用目標：從行業需求出發，提出BIM應用的總體目標、階段目標、專業目標和整體應用價值目標，為技術研究、應用實施指明方向。

(3)實施內容：從戰略發展角度出發，規定BIM實施的標準編制內容、BIM應用的軟件開發項目、BIM平臺的建設規劃體系，并提出后期應用推廣的實施步驟、組織機構建設原則、BIM成果交付準則。

(4)推廣建議：為了BIM技術能得到切實有效的應用推廣，在快速建模插件、協同設計平臺、專業應用平臺、綜合管控平臺等方面提出培訓實施、資源配置、應用環境的要求。

(5)實施保障：站在行業的制高點，提出BIM技術實施應響應國家、地方出臺的相關政策，應引起項目領導的大力支持，要求項目應給予BIM實施相應的資源保證，以達到BIM技術落地應用的目標。

科學制定發展綱要能保持行業的領先地位，保證BIM技術系統實施與應用，加快行業信息化建設的步伐，推動軌道交通工程建設和管理水平穩步提升。

2.3 實施導則

導則規范BIM技術應用的總體思路，也是標準體系建設中關于實施的重要指引內容。通過深挖企業BIM技術的應用背景，引導企業制定符合國家、行業政策趨向的企業發展路線，包括BIM實施總體思路、實施管理、實施流程、關鍵技術、相關案例的BIM應用實施等內容。

(1)總體思路：結合企業發展現狀，分析研究BIM應用對于企業發展面臨的內部改革及調整，明確企業BIM實施方法，為企業BIM應用發展確定指導規劃。

(2)實施管理：以建設單位(業主)實施模式和總承包商BIM實施模式為主，針對建設期規劃、設計、施工各階段，確定了實施的組織架構、各參建方主要職責，詳細說明了BIM技術在各階段的實施流程，其中施工階段的BIM實施流程如圖1所示。

圖1 施工階段的BIM實施流程

(3)關鍵技術：闡述了BIM在規劃、初步設計、施工圖設計、施工準備、施工建造等階段中應用的技術關鍵點，如規劃階段將BIM技術應用于場地分析、設計方案比選、虛擬仿真漫游等方面，在施工圖設計階段主要應用于綜合模型建立、碰撞檢測、凈空優化等方面。除此之外，還闡述了各階段需要用到的協同設計、施工信息化管理平臺等內容。

實施導則的制定，明確了國家政策、行業標準下的企業發展方向，為城市軌道交通工程建設企業提供切實可行的BIM實施準繩，提升企業在高速發展的社會經濟條件下的競爭力。

2.4 應用指南

結合企業BIM應用的實際需求，參考相關既有企業標準，充分考慮國家、行業的政策規定，從工程實用角度出發，創造性地制定了一系列符合國情的規定，包括分類及編碼標準、數據標準、建模標準、應用標準和交付標準。在指南研究編制過程中，遵循了國際IFC標準制定的7項基本原則：兼容性、可移植性、抽象性、可擴展性、可選擇性、可重復性以及易用性。

(1)分類及編碼標準：為實現標準化BIM建模，在滿足城市軌道交通工程規劃、設計、施工相關標準的前提下，參考工程量清單計價標準，編制了城市軌道交通工程分類及編碼標準，為城市軌道交通工程建設期管理中的信息無損傳遞奠定基礎。圖2節選了BIM模型構件編碼規則作為示例，一級定位占用11位字符表達出某城市某行業某車站某專業，二級定位占用3～4位字符追溯至構件所處的部位，細部構件編碼則根據構件EBS分解準確指向該部位的某類構件，流水號則精準選出某一構件，從而實現每個構件的唯一編碼。

圖2 構件編碼規則

(2)數據標準：結合行業特點，針對城市軌道交通工程建設期的數據特點，統一定義了數據的語義、存儲、傳遞、應用標準，以達到所有參與方對數據理解一致的目的。數據的語義標準主要規定各類數據的含義、標準函數、所屬對象，形成統一的數據字典；存儲標準則規定了各類數據的存儲、結構、字段類型等，為數據接口提供標準的讀寫基礎；傳遞標準則規定了各類接口標準、文件格式，以實現數據在各參與方、各階段、各專業之間的無損傳遞與交付；應用標準界定了各類數據與模型構件之間的從屬關系，以及在建設期應用過程中所處時期和表達方式。

(3)建模標準：按照專業分類定義了各階段BIM模型深度要求，如表2所示。其中施工階段還結合施工工藝、分部分項規定了不同施工時期的建模深細度(表3)，還參考行業相關標準，規定了模型各類構件的建模方法及推薦使用的建模軟件，給出了標準參考族庫及族庫使用規則，規定了各類構件的顏色配比等。

表2 建設期各階段模型深度要求

表3 施工建模深度要求

(4)應用標準：從設計、施工兩方面分別制定了應用標準。設計應用標準包含了規劃設計、初步設計、施工圖設計等時期的標準，從應用模式、人力資源配備、環境資源配備、BIM資源管理等方面規定了BIM設計資源建設，明確了設計項目實施策劃編制方法和內容，規定了協同平臺、內部協同、外部協同等多專業BIM協同工作，規范了準備、分析、檢算、審核、優化等BIM設計行為，詳細闡述了測繪、地質、線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場等21個專業的BIM設計應用內容。施工應用標準界定了BIM應用模式、軟件、硬件等環境資源，規定了應用策劃的編制方法和內容，明確了土建、管線遷改、預制裝配、機電、裝飾裝修、鋼結構等方面的施工BIM應用內容，詳細闡述了建設過程中的安全、質量、進度、成本、技術、物料等管理工作重點。

應用標準的編制可為行業內設計、施工企業BIM工作落地實施提供指導和參考依據，為后期標準化的BIM技術應用奠定基礎。

(5)交付標準：各階段BIM應用都有側重點，對模型深度和信息內容也有著不同的要求，交付標準在參考國內外相關標準的基礎上，結合行業、階段、專業等特點，制定了符合行業要求的交付精度等級，規定了各階段、各專業、各參建方之間的交付原則、范圍、模型幾何精度和模型信息深度。以設計到施工的交付為例，其標準流程如圖3所示。

圖3 設計施工交付流程規定

2.5 技術手冊

BIM應用標準的提出，需要以具體技術指導為基礎。技術手冊以BIM應用點為核心，從設計、施工兩個方面規定每項應用技術的工作要點，為BIM技術的切實可行提供技術保障。

(1)設計手冊：分析目前設計階段應用現狀，確定了規劃、初步設計、施工圖設計等時期的BIM應用目標，定義了BIM實施流程，詳細、完整、系統地闡述了各項BIM應用技術細節。手冊闡述了多專業BIM綜合模型建立的工具、方法和流程，詳細解釋了設計階段各時期的碰撞分析、設計優化技術。同時，設計手冊還詳細描述了正向設計、協同平臺的使用方法和應用案例，可作為一線生產作業人員的工具參考書。

(2)施工手冊：分析了施工階段BIM的應用目標，提出了以綜合模型為應用基礎的概念，明確了施工準備、施工實施、施工驗收等各時期的BIM應用點，詳細闡述了各應用點的技術細節、實現方法、實施步驟及標準成果。同時，施工手冊還介紹了主流施工管理平臺、綜合監控平臺的使用方法及應用案例，分類總結應用過程中的成功經驗和問題教訓。技術手冊的編制，為城市軌道交通工程建設BIM應用的標準化提供了翔實的技術參考，有效提高各技術人員BIM作業水平，提升工程技術管理質量。

3 項目實踐

3.1 工程概況

以廣州城市軌道交通工程指揮部直管的廣州地鐵11號線、13號線二期、7號線二期、綜合管廊等項目為依托，全方位開展標準研究、平臺研發、現場實施等工作，取得了一系列階段成果，也得到了廣州市政府、業主及社會各界的認可。

3.2 應用規劃

貫徹發展綱要的要求，選定廣州地鐵11號線、13號線二期、7號線二期為BIM試點項目，確定其施工階段BIM應用的目標。根據實施導則明確BIM應用的技術路線和關鍵技術，制定切實有效的實施計劃。

廣州地鐵各條線均為施工總承包工程，因此BIM應用點主要集中于施工階段，重點對施工階段的應用指南和實施手冊進行驗證。結合應用指南確定車站、區間、車輛段等模型建立的編碼規則，確定各類BIM應用點的應用深度、技術方法、實施流程、交付成果等，預先定義出施工管理平臺各類應用之間的接口標準、數據標準等。實施過程中，技術手冊則為一線操作人員提供了技術參考，使各應用點切實有效地落地。同時，在項目應用過程中，結合實踐經驗、教訓，再逐步完善應用指南和技術手冊。

3.3 應用情況

廣州地鐵施工階段擬定的BIM應用點主要包括綜合模型建立、線路優化、場地布置模擬、管線遷改優化、施工方案模擬、工程驗交管理、生產過程管控等，在此選擇具有代表性的車輛段施工模擬作為示例，以此說明標準在施工過程中的應用與驗證。

車輛段施工分蓋內、蓋外兩部分，整體土建面積超過30萬m2，工期僅2年。由于工期緊、任務重，決定采用BIM技術優化工期，通過對施工場地規劃、施工工序、預制件加工安裝、人材機動態配備等方面的詳細模擬，提前虛擬解決施工過程中的差錯漏碰、優化施工方案、降低成本，為施工階段安全、質量、工期、成本等目標的實現提供技術保障。

(1)實施方案

針對現場情況，結合指南、手冊的相關要求，從組織架構、族庫建立、建模標準、施工模擬、驗收交付等方面制定了系統的技術路線，如圖4所示。

圖4 施工模擬技術路線

(2)團隊建立

根據實施指南應用標準的相關規定，明確實施團隊架構，在初步評估項目工作量的基礎上，確定了具備專業知識、6年以上BIM經驗的組長1名、副組長1名，配備了從事了城市軌道BIM應用工作3年以上的組員8名。入駐廣州車輛段現場，開展族庫構建、綜合模型搭建等基礎工作，開展場地布置及優化、土方開挖、預制加工、構件運輸、現場拼裝等十余項模擬工作。

(3)建模軟件及標準

按照實施指南應用標準、交付標準的相關規定，結合廣州市政府、業主的相關要求，實施小組準備采用Revit建立車輛段建筑、結構、場地等模型，采用Catia建立地質、軌道等模型，采用航飛傾斜攝影建立周邊環境實景模型，最后在自主研發的輕量化圖形引擎中合模、碰撞、優化。

綜合運用應用指南的《模型建立標準》、《模型驗收標準》、《模型交付標準》，建立起廣州地鐵適用的結構分解、工作分解、構件編碼等系列標準，使得建立的模型規范、有序，施工管理平臺可自動識別各類構件，為后續的平臺管控奠定基礎。

(4)場地布置模擬

按照實施指南、技術手冊制定詳細的場地布置模擬及迭代優化的實施流程，在建立的車輛段綜合模型的基礎上，按照現場施工組織進行施工模擬，并配置施工步序中每項工作的人料機資源需求。然后，根據預先設置的工期、質量、資源控制標準，循環迭代優化場地中的加工區域、作業區域、臨時道路、存放場地等布置(圖5)，使得場地布置最優。

圖5 車輛段場地布置

(5)施工過程模擬

在場地布置穩定后，就可按照現場施工組織開展土方開挖、圍護結構施工、樁基施工、預制加工、構件運輸、現場拼裝等施工過程模擬工作。本環節主要用到技術手冊作為操作人員的參考資料，提供模擬過程的操作指導。施工過程模擬也是循環迭代優化的過程，中間過程比較繁瑣，在此不一一贅述，關鍵環節的成果圖片如圖6～圖8所示。

圖6 原始地塊

圖7 臨時設施建設完成

圖8 底板施工完成

4 結語

城市軌道交通行業BIM標準體系的制定是必然趨勢，也是行業BIM技術的推廣應用及落地實施的必要條件。廣州地鐵項目對標準的應用與驗證，說明按照綱要、導則、指南、手冊的模式建立城市軌道交通工程建設階段BIM標準體系是正確的，應用指南、技術手冊對BIM應用點、技術路線、實施流程、操作步驟的規定具有可實施性，可為BIM技術的落地應用提供堅實的基礎。標準的建立與完善是一項長期工作，在確保標準體系的科學性及實用性前提下，后期需要結合更多項目的實踐應用、經驗總結來優化、修訂、補充，也需要與時俱進，將更多的新技術納入標準體系中。同時，本標準體系現階段界定為建設階段的標準，后期希望能聯合相關運行維護單位、機構延伸研究城市軌道交通工程運維階段的標準集，真正建立全壽命周期的標準體系。