牡佳鐵路全生命周期BIM技術應用

齊成龍

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

為了驗證BIM在鐵路工程應用的技術路徑，探索BIM在勘察設計、建設管理和運營維護階段的全生命周期應用價值[1-4]，國鐵集團工程管理中心于2014年底指定了包括京沈高鐵在內的17個BIM試點項目[5-6]。這些試點項目的成功開展，對鐵路行業的影響不只是技術層面，同時為參建單位培育了大批BIM研發和管理技術人才，并對更大范圍的BIM應用提供了技術、管理和人才支撐。

在此背景下，2017年，國鐵集團工程管理中心在牡佳鐵路布置了全線全專業BIM技術和信息化應用相關工作。該項目借鑒了已有BIM項目的成功經驗，在規范編制、程序開發、項目管理、施工應用等方面都取得了豐碩的成果。

1 項目概況

牡佳鐵路全長374.744 km，全線包含多處拱橋、大跨度連續梁、T構、道岔梁等復雜結構，按照國鐵集團推進鐵路建設信息化管理、全面提升鐵路“設計-施工-運維”管理水平的總體要求，在牡佳鐵路BIM項目中全面遵守鐵路BIM聯盟標準，創建了全線、全專業精細化BIM設計模型，實現了基于精細化模型的多參與方數據共享與協同工作，同時，通過BIM設計模型向施工階段的交付，在施工階段實現了BIM技術在深化設計、施工模擬、作業指導、預制加工等方面的應用。

本項目采用達索軟件作為主平臺并輔助一定的二次開發，達索軟件的Catia模塊用于三維BIM建模，Enovia模塊用于項目協同管理。同時，使用TEKLA軟件作為在鋼筋BIM詳細設計工具[7-8]。

2 BIM標準編制與驗證

在牡佳鐵路BIM項目開展過程中，同步進行了鐵路工程BIM標準的編制及驗證工作，作為本項目BIM應用主平臺，達索軟件使用如圖1所示的信息結構和術語來描述數據標準[9]。

圖1 達索3D體驗平臺數據標準架構

該數據標準架構由如下一些關鍵概念組成：

標準包(Package)，是由一套對象類型和屬性定義組成的數據標準，例如數據存儲標準IFC即可視作一個標準包，一個BIM項目可同時應用多個標準包。

對象類型(Type)：表示一個具體的產品類別，一個標準包中通常包括多個對象類型，不同的對象類型之間還存在著兩種不同的相互關系：繼承關系，由父類型派生出子類型，例如從“橋”派生出“斜拉橋”和“連續梁橋”，這種關系中，父類型的屬性通常都會被子類型自動繼承。聚合關系，一種類型的對象是由其他類型裝配而成，例如“橋”是由“橋梁”、“橋墩”和“橋臺”裝配而成，這種關系中，裝配體和構件之間的屬性就未必相同。

屬性(Attribute)：對象的一種量值，例如長度、材質、質量等。

屬性擴展集(Extension)：為了便于應用，可以把一組相關屬性打包進行管理。例如，把設計階段用到的屬性打包成“設計信息”擴展集，而施工階段用到的屬性打包成“施工信息”擴展集，這樣就可以根據不同的應用場景快速在對象類型上加載所需要的屬性[10]。用戶還可以根據如下具體情況自定義擴展集的行為特征，例如：某個對象類型允許加載哪些擴展集？在創建對象時缺省加載哪個擴展集？創建之后可以加載/去除哪些擴展集？根據不同的條件自動加載/去除擴展集。

如圖2所示，通過上述機制，預先在達索軟件通過自定義的方式部署了中國鐵路BIM數據存儲標準包，即CR-IFC標準，以及鐵路工程BIM分類和編碼標準及CR-IFD標準。一旦用戶創建了某個類型的對象，系統就會自動按標準為之配置屬性。同時，如圖3所示，使用達索EKL腳本語言，將模型中的設計參數與構件屬性關聯，從而在BIM設計過程中，構件屬性值自動根據參數計算出來。最終在牡佳鐵路BIM項目中成功實現了鐵路BIM標準的編制和驗證。

圖3 通過EKL腳本語言定義從參數到屬性的映射關系

3 牡佳鐵路全生命周期BIM協同應用

3.1 軟硬件環境部署

牡佳鐵路BIM項目，是一個全線、全專業、全員參與的系統性BIM應用工程，采用“建設單位主導，各參與方協同工作”的實施組織方式，各參與方都組建了自己的BIM實施團隊。在這樣一種組織背景下，本著“施工模型宜在設計模型基礎上創建”的原則[11]，同時為了滿足牡佳鐵路BIM應用各參與方精細化模型數據共享和協同工作的需要，本項目采用“基于互聯網信息共享技術架構、分布式部署服務器”的方案，搭建了牡佳鐵路精細化模型應用管理平臺[12]。如圖4所示。

圖4 牡佳鐵路BIM應用管理平臺部署架構

本應用管理平臺架構如圖4所示，在建設單位哈牡公司部署主服務器，三維管理平臺、軟件數據庫等部署在主服務器上，各參建標段各自部署1臺文件服務器，用于存儲圖形文件[13]。各標段客戶機在從事BIM建模、應用等工作時訪問各自的文件服務器；各標段文件服務器每天定時向公司主服務器同步相關BIM模型數據；各標段在三維管理平臺上從事相關工作時直接訪問主服務器。

3.2 基于Enovia平臺的項目管理

Enovia作為達索平臺下的分支模塊，在牡佳鐵路BIM項目中，與作為虛擬設計核心引擎的CATIA模塊一起實現了鐵路工程全生命周期解決方案。

由于本項目涉及到站前、站后多個專業，專業間存在上下序工作流程銜接、專業內存在工作任務分配的問題，同時，人員權限也需要合理配置，以規范對中間成果的管理，除此之外，尚需一種嚴密的審核與交付機制以確保最終產品的質量，而所有這些潛在風險都可以通過Enovia規避[14]。Enovia采用樹形逐級分解的任務管理模式，各節點的負責人都有創建子任務和分配子任務的權利。根據WBS標準分解本BIM項目的工作任務，以專業、標段作為頂層分解原則，下層具體任務節點包括骨架、模板、建模、專業間發布、審核等，并為每項工作任務分配了具體的責任人。基于Enovia的工作任務分解界面如圖5所示。

圖5 Enovia平臺各專業工作任務分解

Enovia平臺使得牡佳鐵路BIM項目的總體進度得到了有效控制，完整記錄了項目開展全過程的工作、交付、版本和審批流程，各參與人員能第一時間發現并整改項目開展過程中的問題，避免了常規管理方式中經常出現的工作反復現象。

3.3 基于骨架驅動與模型引用的專業間BIM協同設計

牡佳鐵路BIM項目通過三個主要步驟實現了專業間協同設計：基于“骨架-模板”方法的專業間骨架引用；規范化的模型組織結構；在Enovia平臺進行上下序工作流程管理[14]。

3.3.1 基于“骨架-模板”方法的專業間骨架引用

“骨架-模板”是在達索平臺開展BIM設計時常用的方法。這種方法將BIM模型的某些關鍵元素作為建模基準，這些關鍵元素就被稱為骨架，此方法既省去了傳統機械設計中的裝配操作，實現結構單元的定位，又通過基于骨架的結構單元實例化，在指定關鍵元素的同時確定單元邊界，提高了鐵路工程結構BIM建模的效率，同時實現了BIM模型對骨架自適應。

鑒于“骨架-模板”的優勢，以往的鐵路工程BIM項目專業內建模實踐中廣泛采用了這種方法，牡佳鐵路BIM項目將此方法擴展應用到了專業間協同設計領域。通過上序專業發布骨架元素、下序專業參考引用的方式，結合達索軟件內含的自動響應機制，當上序發布的骨架發生調整后，下序專業自動更新，從而實現了專業間BIM協同設計。

3.3.2 規范化的模型組織結構

由于鐵路工程具有點多線長，數據量龐大的特點，如果對如此龐大的模型缺乏有效的組織管理，在通過骨架驅動和模型引用實現協同設計的過程中容易造成引用關系上的死循環，除此之外，規范化的模型組織結構也是提高BIM設計效率和保障模型順暢交付的基礎，因此，有必要對海量鐵路工程BIM數據在平臺中進行層次分明的組織，從而實現BIM價值的最大化。出于上述需求，牡佳鐵路BIM項目在IFC、IDM和IFD這三種標準研究成果的基礎上，開展了鐵路BIM工程結構分解標準的編制和驗證工作。如圖6所示。

圖6 橋梁BIM工程結構分解標準

鐵路站前站后工程的BIM模型組織原則不同，站前工程模型按設計單元組織，其中橋梁專業BIM工程結構分解標準如圖6所示，站后工程模型按照系統進行組織，在滿足系統完整性前提下設計工點盡可能細分。站前工程設計單元以線下單體工程分，即以路、橋、隧、站進行劃分，軌道工程最小結構單元(板單元)可以跨越單元邊界。站后工程以最小系統單元進行劃分，如某站室外給水、污水分別為一設計單元。按此原則，標段1的總裝結構樹如圖7所示。

3.3.3 在Enovia平臺進行上下序工作流程管理

通過梳理傳統二維設計上、下序資料，本項目對BIM環境下的專業間上下序工作流程、資料內容和接口形式進行了研究。各專業通過Enovia協同設計管理平臺，向上序專業提出要求，根據這些要求，各專業在進行BIM設計時，以點、線、面、實體、坐標系等形式，按照BIM工程結構分解標準，在規定的節點位置為下序專業預留相應骨架。下序專業同樣根據BIM工程結構分解標準，到上序專業模型結構中按需索引骨架元素，開展本專業BIM設計。如橋梁專業按照接觸網專業要求為其預留坐標系，作為接觸網立柱的定位骨架，如圖8所示。

圖8 橋梁專業為接觸網專業預留的立柱定位骨架

4 橋梁工程BIM設計

4.1 構件批量建模工具

作為牡佳鐵路BIM項目的主平臺，達索軟件最初是機械、航空領域的專業設計工具，與它們相比，鐵路工程具有構件數量更多、幾何造型更簡單的特點。以往的其他鐵路BIM項目在開展工作時大多借鑒機械、航空行業的手段，使用“骨架-模板”方法，通過達索action功能批量實例化橋梁構件，這種方法在某種程度上雖然實現了批量建模，但是存在建模效率低、內存負荷嚴重的缺陷。

針對上述問題，在牡佳鐵路BIM項目中開發了一系列的橋涵工程建模工具，覆蓋了連續梁、框架涵、橋墩、基礎等多種常用構件，這些工具嵌入到達索軟件內部，使用達索/組件應用架構(component appljcation architecture，CAA)二次開發語言實現，用戶交互界面友好、建模效率高、內存消耗低，確保了牡佳鐵路BIM項目的成功實施。

從開發方法來看，這些建模工具分為特征封裝方法、模型參考實例化方法兩種。

4.1.1 特征封裝方法

特征(feature)是達索軟件向用戶開放的基本可操作元素，通過輸入坐標值生成的點和通過輸入首尾端點生成的直線都是特征。本方法就是將構件封裝為特征，封裝后，這些構件以設計過程中的參數和骨架為輸入，建模過程對使用者不可見，從而在滿足骨架驅動和幾何構造的前提下大幅度降低了內存占用，連續梁、框架涵、基礎這三種構件建模工具的開發即采用此種方法[15]，如圖9所示。

圖9 連續梁BIM建模工具操作界面

4.1.2 模型參考實例化方法

模型參考和模型實例是達索軟件的兩個重要概念，在達索系統中，模型按照樹形結構組織，結構樹的每個節點代表一個模型實例(Instance)，模型參考(Reference)是模型實例的來源。一個模型參考對應多個模型實例，各模型實例可在不影響模型參考的前提下修改其幾何空間位置。在數據庫中，只有模型參考占用內存空間，真正占用建模時間的也是模型參考的生成過程。

本方法就是利用實例和參考的上述特點，首先使用達索軟件自帶的Component Family模塊在服務器中創建模型參考。再使用CAA開發出批量建模程序，本程序的運行是一個循環的過程，在每一個循環體當中，從服務器索引出所需的模型參考并生成模型實例、修改實例的幾何空間位置至與定位骨架重合，從而快速完成全橋構件實例化。

橋墩建模工具的開發即采用此種方法[16]，批量創建的橋墩BIM模型如圖10所示。由于橋梁設計是一個反復修改優化的過程，同一種型號橋墩被重復利用的情況非常普遍，采用本建模工具，使用者在準備階段為每一種型號的橋墩生成一個模型參考，在設計開展過程中僅生成模型實例，多次循環不會產生內存垃圾，有利于數據庫的維護和建模效率的提高。

圖10 使用批量建模程序創建的橋墩模型結果

4.2 鋼筋混凝土構件建模工具

與混凝土主體結構相比，鋼筋模型的內存占用巨大，而目前的硬件環境還不支持創建與全線混凝土結構規模相匹配的鋼筋模型，因此，牡佳鐵路BIM項目僅針對施工及運維階段的重點應用需求，開展部分關鍵橋梁構件的鋼筋BIM設計。

經過研究，本項目選擇TEKLA作為鋼筋建模程序，同時，為了提高BIM建模效率，在牡佳鐵路BIM項目中，使用C#語言，調用TEKLA鋼筋建模API，分別針對簡支梁、連續梁、橋墩、框構等橋梁構件開發了專用建模工具[17]，這些工具讀入參數文件后，可以批量生成符合鐵路工程標準的鋼筋混凝土構件BIM模型。其中，使用簡支梁建模工具生成的鋼筋混凝土BIM模型如圖11所示。

圖11 簡支梁鋼筋混凝土結構BIM模型

5 施工階段BIM應用

施工建造是一個處于復雜環境的動態過程。傳統模式下，對施工過程可能產生的碰撞與干涉，往往需要依靠工程師豐富的經驗來進行判斷。借助BIM技術可構建虛擬場景并進行施工現場地形地貌、施工安全風險信息查詢以及施工過程中的工序工藝虛擬仿真，與傳統方法相比，能更加及時地發現存在的問題，提高溝通效率，顯著提高施工組織和安全管理質量[18]。

在牡佳鐵路施工中，利用BIM技術的可視化與可模擬性等特點，針對復雜的重、難點工程，提前預測施工中可能會遇到的干涉與碰撞問題，輔助決策[19]。

牡丹江特大橋T構梁位于牡丹江火車站咽喉區。其門式墩上跨既有鐵路線，兩側一側為河堤，一側為既有火車行車線。在如此復雜的施工環境下，機械設備的選型、進場路線和站位規劃[20]，以及施工過程中設備與周圍構筑物的干涉都會關系到方案能否順利實施。因此，對本工點開展了基于BIM技術的虛擬仿真。

先通過無人機傾斜攝影采集了T構梁附近的點云數據，使用實景建模技術創建環境模型，并將設計交付的BIM模型和環境模型同時載入到Autodesk Navisworks軟件疊加。施工工程師在Navisworks模型上測量與施工相關既有構筑物的間距，擬定合理的施工方案(一個或多個)。最后依照施工工程師擬定的施工方案，在Navisworks軟件中進行施工過程仿真[21]，如圖12所示，驗證方案是否存在干涉與碰撞，確定最優解決方案。

圖12 復雜環境下基于BIM技術的門式墩施工仿真分析

6 結論

牡佳鐵路BIM項目在標準編制、協同應用、建模工具開發、施工應用等方面開展了全生命周期BIM相關工作，取得如下成果。

(1)利用達索軟件自身具備的“標準包-類型-擴展屬性集-屬性”多層次數據標準架構，成功開展了鐵路BIM標準的編制和驗證工作。

(2)采用分布式部署服務器方案，搭建了能適應多參與方的精細化模型應用管理平臺。使用Enovia軟件，借助WBS分解，開展項目全生命周期管理。通過專業間骨架引用、規范化的模型組織結構、基于Enovia平臺的上下序流程管理，使得牡佳鐵路BIM項目最終實現了專業間協同設計。

(3)使用達索CAA架構，開發了覆蓋連續梁、框架涵、橋墩、基礎等多種常用構件的橋涵工程系列建模工具。基于TEKLA軟件使用C#語言開發了鋼筋混凝土構件BIM建模工具。

(4)借助BIM技術構建虛擬場景并進行施工過程仿真，顯著提高了控制性工點的施工組織和安全管理質量。