深圳市交通建設領域BIM標準體系框架研究

劉忠偉1 汪 優 周 盛1 陳寶光

(1.深圳高速工程顧問有限公司，深圳 518094； 2 中南大學 土木工程學院，長沙 410075； 3.北京中交京緯公路造價技術有限公司,北京 100025)

引言

深圳作為粵港澳大灣區核心城市之一，其建設現代化、國際化、創新型城市，國際科技、產業創新中心的目標定位，為深圳交通基礎設施的建設提供了重要的發展契機。到2050年，深圳將合理高效配置各種資源，全方位建成交通強國先鋒城市，成為頗有國際影響力的創新驅動型都市[1,2]。

上世紀90 年代，CAD 技術的應用為土木工程領域帶來了第一次設計革命。近年來，BIM技術的出現與應用將為土木工程建設、運營、管理等方面帶來第二次革命。BIM技術使得傳統的二維表達變為生動的三維表達，所見即所得，大大提高了可視化程度。此次表達維度的提高在土木界激起了一波新的浪潮。之后，BIM技術將是中國基礎設施建設領域高質量發展的必然選擇[3,4]。

BIM的應用需要BIM標準體系的支撐，BIM標準是實現不同軟件、不同企業間利用BIM進行溝通交流的基礎。建立一套全面的BIM標準體系是BIM技術推廣和發展的重要前提。無規矩不成方圓，沒有全面標準體系的支撐，不同企業之間、以及工程的不同階段之間進行信息交換就會面臨很大的困難[5]。然而目前國內外僅僅有建筑行業和鐵路行業的標準體系[6-8]，未能涵蓋城市交通建設工程領域。隨著城鎮化的不斷發展，城市交通建設工程領域將有新的契機。然而在城市道路交通建設領域，由于工程本身的復雜性，再加上目前BIM標準體系尚不完善，導致設計人員在設計時自由性較強，開發商開發的軟件之間兼容性較差。從而嚴重影響了工程從規劃、設計到施工和建造全過程中的信息傳遞及信息共享。

為了更好地實現信息傳遞，現階段急需出相應規范標準來指導BIM的應用。可以從兩個層面出發：一是交通建設工程領域的基礎數據，基于此層面可以解決工程建設各個階段內的數據共享問題，二是工程應用，基于該層面可有效解決由于信息傳遞不及時，責任不明確所造成的各種工程問題。從此兩層面出發建立符合中國國情以及深圳市情的交通建設工程領域的BIM標準體系，以及按照標準體系拓展的BIM應用標準。從體系上明確標準制定的內容，以具體標準去支撐實際工程應用，以達到填補深圳市以至我國交通建設工程領域BIM信息化短板的目的，從而有效提高本行業BIM的應用效率和水平，為交通建設行業可持續發展奠定基礎。

1 國內外BIM標準研究現狀

目前國內外發布的標準可以歸納為基礎數據標準和執行應用標準兩大類。前者通常是由行業性協會或相關機構提出的推薦做法； 后者是針對BIM項目應用的指導性標準，包含項目分類、模型等級、項目交付、協同工作、IT管理等內容。

1.1 國外BIM標準

(1)美國國家BIM標準體系(NBIMS)

美國是最早應用BIM技術的，早在2007年就發布了《NBIMS(National Building Information Model Standard)》第一版[9]。該版本中的BIM應用標準對BIM的一些基本概念進行了解釋，并且提出了編寫BIM標準的原理和方法。在2012年，NBIMS第二版問世，該版本主要由BIM參考標準、信息交換標準與指南和應用三大部分組成[10]。與第一版相比，該版的分類更加詳細。2015年又發布了NBIMS第三版，其標準體系框架結構如圖1所示：

圖1 美國NBIMS(第三版)標準體系框架

與前兩個版本相比，該版本涵蓋了建筑工程的整個生命周期。該版本下的標準體系由兩大部分組成[11](將第二版中的信息交換標準與指南和應用合并為“BIM實施向導”)。其中第一部分“BIM技術標準”主要針對軟件開發人員，而“BIM實施向導”主要針對AEC行業的使用人員。

(2)英國的BIM標準

2000年英國發布了一版關于CAD的應用標準——《建筑工程施工工業(英國)CAD標準》(AEC(UK)CAD Standard)，該標準主要是用來規范設計數據和規范信息的管理、交付和交換流程的。之后在2009年11月和2012年，英國又先后發布了兩版《建筑工程施工工業(英國)建筑信息模型規程》(AEC(UK)BIM Standard)。在該標準的項目成果文件中主要包含三份標準，其中一份是通用型的，另外兩份分別是針對當前比較流行的Revit和Bentley標準。

英國AEC(UK)BIM Standard系列標準主要有項目執行標準、協同工作標準、模型標準、二維出圖標準和參考。該系列標準是一部通用標準，并且具有良好的拓展性。它的不足就是僅面向設計企業討論了設計階段的BIM應用，而沒有考慮項目在施工運維階段的BIM應用[12，13]。

(3)其他國家的BIM標準

挪威在2011年發布了《BIM Manual 1.2》，該標準是基于IFC分類的建筑信息模型標準，但同時也支持IFD標準。涵蓋了技術標準和應用標準等相關內容，對工程項目各參與方都具有參考價值。

芬蘭在2007年發布了《BIM Requirements 2007》，該標準要求在設計階段對各專業之間協作的內容進行約束管理，并要求開發自適應的分類系統[15]。

日本建筑學會(JIA)于2012年7月發布了《JIA BIM導則》，這版導則主要從建造過程的角度出發，包含BIM工作模式、基本規范、解決方案三個方面，以設計師的視角為日本的設計院和施工企業應用BIM提供了指導[16]。

2012年5月和2013年8月，新加坡建設局(BCA)先后發布了《新加坡BIM指南》1.0版和2.0版。《新加坡BIM指南》作為一本官方推出的參考性指南，主要針對項目各參與方在運用BIM技術時，在項目建設以及運營等不同階段需要承擔的工作提供了指導[17]。

1.2 國內BIM標準

由于BIM獨特的優勢以及繼CAD之后的二次革命浪潮，我國住房和城鄉建設部于2012年開始著手制定BIM國家標準，同年頒布了中國國家BIM標準體系(圖2)。目前已實施或在編(含通過報審)的BIM國家標準分為四個層次：

圖2 中國國家BIM標準體系框架

①統一標準：統一標準是最高級別的BIM標準，其他BIM相關標準的編制都應遵循這一規定[18]。目前國家統一標準有從2017年7月1日開始實施的《建筑信息模型應用統一標準》GB/T51212-2016。

②基礎數據標準：《建筑信息模型分類和編碼標準》GB/T51269-2017，2018年5月1日起實施，該標準對模型的分類及編碼方式進行了規定，對應于Building Smart標準體系中的IFD標準。《建筑工程信息模型存儲標準》(已報批)對存儲格式進行了規定，與Building Smart中的IFC標準相對應。

③執行標準：主要對建筑信息模型的交付內容進行規定。

④應用標準：《建筑信息模型施工應用標準》GB/T51235-2017，2018年1月1日起實施，主要面向施工方和監理方[19]。

2 國內外 BIM 標準在城市交通建設工程領域適應性分析

由第二節對國內外主流BIM標準體系的梳理可以發現，基于具體BIM平臺軟件的實施指南雖然可以快速解決技術操作上的難題，但當前在交通建設工程領域，BIM平臺軟件的利用仍有很大的局限性，且未有足夠的基礎數據標準作為支撐。因此，以某一軟件為基礎進行標準制定，作為企業級標準是可以嘗試的，但很難在全行業進行推廣。

對于城市交通建設工程，顯然從技術標準和實施標準兩方面建立BIM標準體系框架更為合理。但是目前國內外已有的相關的標準體系不能直接應用到該領域，主要有以下三點原因：

(1)不同領域的工程建設存在較大差異，目前國內外已有的BIM標準體系并不能完全涵蓋城市交通建設領域。部分基礎數據標準必須專項專用，而非放之四海皆準，因此必須對其進行專項的定義和完善。

(2)BIM技術的實現離不開軟件的支持，因此制定BIM標準體系必須充分考慮軟件的影響。前面所述的標準所對應的配套軟件多用于建筑領域，而建筑領域覆蓋范圍多呈點狀分布，而交通領域則多呈帶狀分布，比建筑領域相對復雜，尤其針對復雜線路工程的BIM軟件更是少有，相應標準也滯后。因此必須有單獨的標準體系，為軟件開發商提供支持。

(3)在城市交通建設領域應用BIM技術是為了更好的服務于工程，所以相應的應用標準應該適應當前現有的設計和施工以及運維的管理模式。

基于此，城市交通建設領域應用BIM技術標準并不能直接硬套其他行業的標準，因此必須制定自己本行業的應用標準。深圳交通建設領域的BIM標準必須符合中國的國情以及深圳的市情，必須依照深圳交通建設領域的情況來研究開發深圳交通建設領域的BIM標準。只有符合深圳交通建設工程的BIM標準才能規范、約束BIM技術在交通建設中應用，滿足深圳交通建設的需求。

3 深圳市交通建設工程領域BIM標準體系框架

3.1 深圳市交通建設工程領域BIM標準體系框架

根據前面對國內外主流BIM標準的研究，本節將結合交通建設工程行業自身的特點以及深圳市交通建設工程領域BIM應用的現狀，初步提出深圳交通建設工程領域BIM標準體系的總體框架。該 BIM 標準體系包括基礎數據標準和應用標準兩大部分(如圖3所示)。

圖3 深圳市交通建設工程領域BIM標準體系框架

基礎數據標準分為《交通建設工程數據存儲標準IFC》、《交通建設工程信息傳遞標準IDM》和《交通建設工程信息語義標準IFD》。這些都是交通建設工程 BIM 體系的核心標準，是為了保證項目各參與方之間或同一參與方內部之間基于計算機的互操作性而制定的。主要面向軟件開發人員。

應用標準是按照分階段分專業的原則進行制定。在《交通建設工程信息模型應用統一標準》的原則指導下，按照設計、施工、運維三個階段分別編制。其中在各個階段也都需按照工程勘察、道路工程、橋梁工程、隧道工程、綜合管廊工程等專業分開進行編制。

3.2 基礎數據標準

制定基礎數據標準可以為制定BIM應用標準提供有效的技術保障，也可為軟件開發人員或開發商提供一個準繩。基于該標準體系，在工程建設的全生命周期內必須保證信息在橫向和縱向兩個維度上都能夠進行有效傳遞，并且進行傳遞的信息單元不會出現歧義，也不會出現同一屬性多名稱或多屬性同名稱等問題。

基礎數據標準體系如圖4所示：該標準必須滿足三個要求：①語義上統一，即在不同階段不同參與方之間傳遞的信息不出現歧義，從而使得各參與方所理解得到的信息一致進而避免出現由于理解不一致而出現的工程問題； ②文件兼容，各個階段各參與方通過不同方式組織的信息都能夠在相應容器中進行存儲； ③溝通有序，為了避免信息冗雜低效的傳播，必須統一信息輸入輸出規范。

圖4 三大基礎數據標準

(1)交通建設工程數據存儲標準

數據存儲標準主要是為了規范數據的存取而制定的標準。有了統一的存取標準，信息在不同的階段，不同的軟件之間就能夠被唯一識別，可以有效解決數據共享問題。針對數據存儲標準需要主要從以下四個方面進行研究。

①數據格式：以NBIMS作為參考，標準數據格式為IFC和XML，其中IFC選用的是 Express語言，文件編碼格式為STEP，XML采用的是XMLSchema，文件編碼格式為XML。

②語義擴展：通過IFC外部參展關聯機制等功能，聯結IFC模型和交通建設工程的BIM信息語義，聯結后再進行語義協調。該擴展是對(ISO16739《工業基礎類別》)的一個延伸。

圖5 橋梁空間結構單元的拓展

以橋梁為例，圖5 為橋梁結構語義拓展方式：從橋梁形式上可以拓展出不同的空間結構單元，另外從空間結構上亦可拓展出不同的IFC Bridge Part。例如梁式橋可以拓展出橋墩Pier、橋臺Abutment、梁Girder、橋塔Pylons等part。最后通過預定義類型屬性對不同的part進行賦值，從而得到一個有參數的具體單元，可用此單元作為實際工作中相應part的虛擬。

③數據訪問接口：為了更好地支持BIM數據訪問，需制定相應的標準數據訪問接口。

④一致性測試規范：有了測試規范，軟件開發者或開發商的可以依據規范進行開發和測試。這樣不僅使的開發的軟件可以很好的支持標準，而且可以避免同行之間以及不用階段各參與方之間進行信息交流或者信息傳遞時出現問題。從而解決上游的數據在下游不能得到充分利用等難問題。

(2)交通建設工程信息語義標準

信息語義標準主要解決的是語言統一問題，保證信息語義出現歧義、一物多名或多物同名等問題。通過科學的方法對交通建設工程概念進行歸納、定義、標識與關系梳理，然后利用有序的定義和編碼將存儲數據映射為理解唯一的信息。

信息語義標準主要研究分類編碼和數據字典兩個方面的內容。

①分類編碼：在工程建設領域，經過多年的發展與積累，當前關于建筑信息分類的體系與標準并不完全統一。盡管近年來ISO組織先后頒布了多部信息分類框架體系，但是在制定信息語義標準時，應主要從國際、國內兩方面來對交通建設工程行業中出現的特殊的概念語義進行規范化的分類和編碼。在國際層面應具有良好的兼容性，能夠實現與國際接軌； 國內方面則應繼承我國現有分類編碼工作的成果和思路。

當前交通建設工程信息模型可以按照基本概念、交通建設工程特點進行分類。前者可以分為建設資源、建設過程、建設成果和屬性四大類； 后者可以細分為若干個彼此之間相互離散卻又可協同作用的子表。

②數據字典：參照ISO12006-3《面向對象的信息框架》，建立行業中的常用概念語義，主要包括設施或者構件等的定義、名稱、備注等概念，用全球統一標識符(GUID)來對數據字典中的每一個概念進行標識。

(3)交通建設工程信息傳遞標準

信息傳遞標準是交通建設工程在橫向和縱向兩個維度進行信息傳遞時需遵從的應用軟件準則和相關服務規范，主要解決以下三個問題：

①流程定義：根據ISO—29481《信息傳遞規程》，信息交換過程可以從縱向和橫向進行劃分。如圖6所示：縱向維度實現規劃、設計等不同階段之間的信息交換； 橫向維度實現業主、設計等不同參與方或者同一部門內部之間的信息交換。

圖6 流程需求分析

②軟件實現：信息傳遞功能的實現需要軟硬件的支持。其中軟件實現主要是為軟件開發者或開發商提供一種途徑，基于此途徑可實現項目在全生命周期內的數據互通。

③BIM服務：制定標準以支持BIM各生命周期間基于互聯網的信息傳遞與互操作。

3.3 應用標準

應用標準是對基礎數據標準應用于實際工程中具體措施的解讀。它涵蓋工程建設的各個階段。應按照統一標準、設計階段、施工階段和運維階段分別編制。

(1)交通建設工程領域信息模型應用統一標準

主要內容為：交通建設工程全生命周期每個階段采用的信息模型應用原則； 涵蓋的專業組成以及各專業構件的分類編碼； 各專業包含的模型構建內容及基本專業屬性內容； 各階段信息模型包含的模型基本內容； 各專業的數據、模型、文檔交付格式標準； 交付物的基本要求； 全生命期各階段信息模型傳遞內容等。

(2)設計階段信息模型應用標準(按專業分別編制)

在《交通建設工程領域信息模型應用統一標準》的基礎上制定，主要內容為：深圳市交通建設工程規劃、項目建議書、方案設計、工可、初步設計和施工圖設計等個階段的詳細編碼規則及內容； 模型屬性、深度； 交付物內容； 模型分析應用內容； 設計資源管理內容； BIM協同管理實施流程等。

(3)施工階段信息模型應用標準(按專業分別編制)

在已有標準的基礎上，結合設計階段信息模型應用標準的成果交付等內容制定，該標準主要規定交通建設工程的施工資源、施工行為、施工交付物和為之配合的協調管理。主要內容為：交通建設工程施工階段的詳細編碼規則及內容； 模型屬性、深度； 交付物內容； 施工信息模型與施工進度、質量、安全、成本、物料、施工變更等的關聯及應用等。

(4)運維階段信息模型應用標準(按專業分別編制)

主要內容為：交通建設工程運維階段的詳細編碼規則及內容； 模型屬性、深度； 交付物內容； 運維信息模型與監測、監測設備的關聯及應用； 運維信息模型與資產管理的關聯及應用； 運維信息模型與維護管理的關聯及應用等。

4 結語

標準化是BIM技術是否能真正落實應用的關鍵，BIM標準化的宗旨是有效的實現項目全生命周期內各參與方之間以及參與方內部之間的信息傳遞以及信息共享。通過控制信息的交換來協調項目各參與方的利益； 通過制定標準并且建立共識，從而解決行業現存或者潛在的某些問題。本文提出了深圳交通建設領域BIM標準體系框架，并詳盡的闡述了該標準體系框架的組成以及相關內容。旨在通過建設深圳交通建設工程行業標準化體系來指導BIM技術在城市交通中的應用。基于此框架體系可建立更完善的BIM核心數據模型，進而實現項目在全生命周期內各參與方的數據互通、集成與共享。