城市軌道交通工程BIM技術綜述

農興中 ，史海歐 ，袁 泉 ，曾文驅 ，鄭 慶 ，丁國富

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西南交通大學先進設計與制造技術研究所，四川 成都 610031）

研究人員、工程人員等對BIM（building information modeling）[1]有不同的理解，總體來說，BIM 不是狹義的三維建模技術，而是由相關理論、方法、技術、平臺和軟件支撐的、基于先進管理理念和模式而發展形成的技術體系.BIM技術以建筑工程為對象，充分吸納IT、軟件、物聯網、大數據、云計算、CAD（computer aided design）、圖形學等先進的信息技術，深度融合到建筑工程的全生命周期，以減少重復工作，解決工程中高復雜度的數據交換、業務與管理協同等問題，實現高效率、低成本、高質量完成工程項目[2-4].

建筑工程是復雜的系統工程，涉及政府、業主、設計、咨詢、施工、監理、運營等多參與方.BIM技術具有可視化、一體化、參數化、可仿真優化、可協同交互等優勢，能有效減少工程中設計師的全空間思維導致的設計錯誤，減少建造單位成本難控制、質量難提升的煩惱，解決全過程造價難控制的痛點，降低施工單位不能所見即能施工的麻煩，克服運維單位難以長時間、大范圍維護等問題，因此，BIM逐漸成為建筑工程必然實施的關鍵技術，并逐漸形成諸多標準與規范[5-6].

城市軌道交通工程是典型的復雜建筑工程，采用先進的BIM技術可提高工程全生命周期各階段、各專業間以及專業內部的協同與管理，降低重復、返工、協調等成本，提高建造效率[7].因此，在城市軌道交通領域應用BIM技術具有非常重大意義.

為了更有效地實施城市軌道交通工程的信息化，本文論述城市軌道交通工程建造領域的復雜性，歸納城市軌道交通工程中BIM研究與實施的類型和特點，分析和展望BIM技術的發展趨勢.

1 城市軌道交通工程復雜性分析

城市軌道交通建造工程是一項多專業、多角色在多約束、長周期、大投入下建造的復雜系統工程.城市軌道交通工程涉及40多個專業，包括：運營組織、車輛、限界、線路、軌道、車站建筑、結構、通風空調、給排水及消防、供電、通信、自動售檢票系統、綜合監控系統、環境與設備監控系統、站臺門，等等.例如，車站以建筑和結構為主體，還包括通風空調、給排水及消防、供電等相關專業；區間以隧道/橋梁/路基為主體，還包括軌道、疏散平臺、通信、信號等相關專業，如圖1所示.

圖1 城市軌道交通各專業及組成Fig.1 Majors and components of urban rail transit

城市軌道交通工程可以分為規劃、可行性研究、總體設計、初步設計、施工圖設計、建造、運營、維護、拆除等階段，其中建造階段長達5～7年，運維階段可達百年之久，且所有重要的信息都將在該階段保留；每個階段都有來自40多個專業及其他相關人員的參與、交流和協調，工作量巨大；工程投資規模極大，達人民幣100億元以上，還包括大量的無形資產；工程風險巨大，涉及到整個城市的交通安全.這些特征給城市軌道交通工程建造帶來進度、質量、安全、環保、投資等多方面挑戰[8].

城市軌道交通工程的參與單位之間、建造階段之間、專業系統之間不斷交互協作，形成城市軌道交通工程的接口[9].從各個專業交互、協同的頻率來分析：假設有41個專業、包含7個階段，若每個專業在每個周期平均存儲10個文檔，則需要檢索的總文檔為2870個；若每個專業在每個階段有20人工作，每個專業每人平均提取資料5個，則總共需要互相提取資料的次數為5600次；總共提取資料個數為28000個，平均每個文檔被提次數約為10次.此外，各階段的專業人員在業務過程中還需要大量的信息交流.因此，急需一個用于城市軌道交通工程信息溝通的平臺.

BIM技術是目前解決類似復雜工程問題的最有效途徑之一，可以提高項目安全性，控制設計、建造與運維質量，共享各階段模型與信息，幫助各專業快捷溝通和協調，在統一標準下實現資源共享.

因此，城市軌道交通作為工程建造項目的典型領域，其復雜度、系統性很強，對BIM的依賴性更高，急需基于BIM的一體化平臺開展全信息化的共享式管理，幫助提升建造質量、確保建造安全，加快建造進度，降低建造成本，規范建造過程[10-11].

2 城市軌道交通工程BIM的研究及應用現狀

2.1 技術研究

2.1.1 工程信息化模型的規范化表達

由于工程的復雜性和多角色、多專業性，涉及大量的交互和共享，數據交換和統一標準變得非常重要.IFC（industry foundation class）是國際通用的基礎工業類統一表達規范，可較為完善地描述建筑工程各專業信息[12]，成為國際建筑業數據交換的標準，實現在不同設計軟件之間的數據交互.IFC標準通過IfcRoot逐級派生實體，完成對構件實體及屬性的表達[13].在IFC規范化表達的基礎上，可以通過半自動的方式生成BIM，擴展BIM表達的范圍，實現BIM的合并、提取等[14].

IFC作為一種規范化的表達方式，能夠轉化為其他數據格式，用于BIM的仿真和分析.通過建立IFC 與 gbXML（green building extensible markup language）標準之間的映射關系，實現綠色性能分析數據的轉換與共享[15]；建立IFC與RIM（railway engineering 3D information model）語義之間的映射關系，采用快速網格化算法將其轉換為GIS需要的Mesh數據[16].

2.1.2 三維 CAD 技術

CAD技術是隨著計算機及圖形學技術而發展起來的計算機輔助設計技術，在建筑領域得到快速應用，出現了 Revit、Bentley、ArchiCAD、魯班、廣聯達等成熟的三維設計軟件，能夠快速三維建模和出圖.目前的研究主要集中在兩方面：

1）面向不同領域的應用探索.采用三維CAD技術完成各專業的設計，例如城市規劃、站臺門設計、車輛空調設計、樓梯設計、鋼結構工程設計、線路規劃等領域的設計應用[17].

2）CAD軟件二次開發.通過開發設計、分析插件，與三維CAD軟件集成，以提高設計效率.例如，實時提取建筑構件的幾何、屬性、關系等信息；面向特定設計對象、設計環境的設計輔助，如支吊架建模、軌行區建模插件；設計仿真分析，如碰撞檢查、管線綜合等[18].

2.1.3 基于圖形學的 BIM 輕量化

BIM包含的構件數量多、幾何信息和屬性量大，模型打開耗時長、瀏覽不暢，模型交互體驗差.模型輕量化是BIM應用中需要解決的關鍵問題.

BIM交付標準中一般規定了模型的精度等級，精度等級越高包含的信息越多.在模型顯示和交互時，通過降低精度等級的方式可以實現模型輕量化.面向設計平臺的BIM輕量化處理技術包括：部件刪減、部件合并、部件減面、Engineering IP Control 輕量化模塊、導出用于復核的3DXML、分區域分專業建模等[19].面向Web瀏覽器的輕量化技術包括：WebGL（Web graphics library）輕量化、基于 glTF（GL transmission forma）格式的輕量化、“數據網格劃分與重組-幾何數據壓縮”輕量化、基于Web3D的BIM輕量化等[20].

2.1.4 工程設計理論及方法

建筑領域工程設計一般采用串行設計方法，存在設計交互滯后、設計變更多、協同效率低等不足.近年來，產品制造領域常用的協同設計被應用到城市軌道交通設計中，以BIM技術為基礎，城市軌道交通的協同設計模式、設計方法和協同平臺等內容得到了初步研究，構建了BIM一體化多專業協同設計流程框架[21]，提出了基于模型交互和數據驅動的多專業正向協同設計技術.

基于協同設計平臺的各專業之間的設計協同基本流程如下：將專業間的交互協同關系定義到平臺中；某專業設計模型的IFC文件同步到協同設計平臺后，平臺通知需要交互協同的其他專業；其他專業收到消息，訪問平臺并查看模型及屬性信息，將需要交互的構件及屬性提取到本地，支撐本專業的設計，實現多專業之間的協同[22].

2.1.5 工程 CAE 技術

建筑三維設計完成以后，采用CAE（computer aided engineering）技術對三維模型進行仿真分析，能夠及時發現工程設計中的問題，進行改進優化，對于提高設計質量和設計效率具有重要意義.

根據建筑工程的特點，學者從多個維度建立CAE仿真模型，如：建筑強度、能耗分析，基于多智能體仿真技術的裝配式建筑項目風險分析，內環境空間結構特征穩定性評估與抗震能力分析，基于HOG（histogram of oriented gradient）特征的火災煙霧顆粒物擴散路徑分析，基于系統動力學的建筑工程項目資源配置建模與仿真，基于虛擬原型的建造過程、方法和行為仿真分析等[23].

2.1.6 工程數字化管理

工程數字化管理覆蓋設計、建造、運維等全生命周期產生的海量文檔、模型、數據信息.在設計階段，基于協同設計思想建立BIM管理機制，形成以關系型數據庫+模型圖紙文件管理器為核心的“數模分離”式BIM正向設計平臺架構，構建基于BIM的多主體協同設計平臺，讓設計人員和用戶同時參與工程設計中，以更好地滿足設計需求[24-25].

在建造階段，以BIM為基礎集成項目的建造、安全、成本、質量、進度等數據，通過對數據的分析處理，實現建造過程的管理、控制和評價.

在運維階段，采用物聯網數據和大數據分析技術，實時采集和分析工程運營過程產生的數據，進行統一管理，為工程的維修維護提供支持.

2.2 工程應用

2.2.1 面向建造的BIM工程

在城市軌道交通工程設計中，各專業使用的軟件工具不同，相互協調的方式主要局限于口頭約定或者標準規范.這使得設計模型相對獨立且不能有效整合，各專業在建造和運維過程中因為設計而導致建造困難、成本增高等諸多問題[18].為了解決上述問題，企業成立專門的BIM部門，收集各專業的模型信息并進行多專業或全專業的整合，基于三維模型進行建造模擬，來分析各專業設計中存在的問題，找到設計缺陷、進行設計修改.

企業信息部門或BIM實施部門由專門的BIM建模人員、信息人員或建造模擬人員組成，與設計部門分離.該部門人員對來自各個專業的二維圖紙翻模形成三維模型；將各專業的三維模型綜合，進行可視化交互，實現深化設計，從而發現設計缺陷、模擬建造過程.然而，模型設計通過多個建模軟件綜合實現，軟件之間的數據交互尚未打通，BIM不能共享和重用.因此，面向建造的BIM工程主要解決基于可施工性的深化設計，實施過程如圖2所示.

圖2 面向建造的BIM工程Fig.2 Construction-oriented BIM engineering

2.2.2 面向協同設計和分析的BIM工程

在城市軌道交通工程建造過程中，參與方逐漸意識到各專業的協同問題，尤其是涉及到建模的一致性、可重用性問題，并嘗試在現有的商業軟件上找到整合的辦法.實現數字化設計和分析的核心是貫通工程的三維CAD與CAE模型.三維CAD軟件眾多，包括 Catia、Revit、Bentley、3D MAX 等；CAE更為廣泛，比如 ANSYS、PKPM、Delmia等.通過統一的模型在CAD與CAE的之間進行數據傳遞，避免模型不一致的問題，形成基于CAD/CAE集成的協同設計與仿真分析平臺[26].如圖3所示.

圖3 面向協同設計與分析的BIM工程Fig.3 Collaborative design and analysis-oriented BIM engineering

該方式采用三維模型實現專業之間和軟件之間數據的溝通、協調和共享，打通各專業或者多軟件工具的接口，實現協同設計，減少設計反復、提高設計效率、降低設計成本.其本質是基于三維設計的BIM工程.

2.2.3 基于商業軟件平臺的BIM系統實施工程

為解決模型共享和重用問題，實現數據一體化協同，企業應用中形成了基于平臺的BIM工程.現有的商業軟件平臺主要由軟件公司主導，如廣聯達5D工具、歐特克的360、達索的Enovia等，通過集成工具軟件集，形成解決方案，建立基于BIM的研發平臺.這些平臺在一定程度能夠系統性地管理模型，開展協同工作，但系統開放性不強，在多專業協同等實際建造過程中操作難度大[27].

圖4是某工程項目的整體框架思路.該平臺采用達索系列產品實現BIM工程，其中Catia用于三維設計，Enovia用于項目、建造管理等，Delmia實現管線綜合、建造模擬、設備安裝等深化設計，再輔助以Revit等其他商業軟件完成任務.

圖4 基于商業平臺的BIM工程Fig.4 BIM engineering based on commercial platform

該方式的特點：逐漸出現BIM共享的概念，且協同性強，由于是同族或同宗軟件，模型交互容易，數據接口較順暢；但定制性弱，難以在類似工程應用，模型的整體性難以完全體現，基于時間維的完整性表現不強，是前述模式的升級或者集成.

2.2.4 基于開放式平臺的BIM工程

在歐特克、達索、廣聯達、魯班等設計、分析等軟件基礎之上，發展起來了很多BIM工程，但由于底層架構難共享，BIM平臺發展受限.有研究者試圖基于IFC標準，利用現有計算機技術搭建自主性強的BIM平臺[13,28].該方式從底層開始搭建，可塑性、擴展性強，可以充分融合現有先進的計算機技術，形成具有競爭力的開放式BIM平臺系統[29-30].該模式具體的實施過程如圖5所示.

圖5 基于 IFC 的共享式 BIM 工程Fig.5 IFC-based shared BIM engineering

目前，針對BIM的開源平臺尚處于探索階段，比較熱門的是BIM server，一個由BIM愛好者開發的開源 BIM 平臺.該平臺基于 B/S（browser/server）架構，采用WebGL、JAVA、XML等計算機編程技術，重點解決了IFC解析、BIM三維模型輕量化等問題.但是在特定領域開展應用時，還需進行深度開發.BIM server目前還處在發展期，距離工程應用還有一段距離，但已經表現出良好的發展趨勢.

在解析IFC文件與前端輕量化顯示的基礎上，采用共享和B/S架構，可以搭建復雜的業務邏輯，但如何與現有商業工具軟件結合和集成，如何表達更為廣泛意義的BIM還需要深入的研討和工程應用.

除以上4種模式之外，還有其他的BIM應用，如方案展示、虛擬漫游、建造模擬等，主要在建造工程的局部應用三維模型，嚴格意義上不算BIM.

3 城市軌道交通BIM技術面臨的問題與挑戰

BIM技術的實施主要是解決城市軌道交通工程全生命周期、專業之間及專業內部等一體化協同問題，實現建造工程高效管理，高質量、低成本建造，但由于對BIM技術理解不夠，導致在BIM技術應用時出現形似而神不似的現狀[31]，主要有下述3點體現.

3.1 貫穿城市軌道交通龐大工程全生命周期大規模模型共享的統一性問題

BIM是各專業交互、交流的模型基礎，所有的專業或者角色都會在其上開展工作，并理解和使用模型，因此最終提交給使用者的BIM必須按照統一標準，規范定義.目前國家、各級政府、各個設計院都根據行業和自身特點定義了BIM的交付標準，規定了BIM建模的深度和廣度，包括專業、構件、屬性、幾何、建模細節程度等，但各有特點、不能統一、通用性差.更為重要的是，難以貫穿到建筑信息化管理的全過程中，不能共享和重用.

在城市軌道交通工程建造領域，專業更多、接口復雜、周期更長、信息量更大、參與角色更多等，使得BIM的交付規范性更難實現.比如廣東省制定的《城市軌道交通建筑信息模型（BIM）建模與交付標準》（DBJ/T 15-160—2019）[32]，初步定義了各專業 BIM建模內容，給出了通用的表達，但尚未規定建模細節，信息化實施比較困難，如表1所示.

表1 廣東省BIM建模與交付標準（部分）Tab.1 BIM modeling and delivering standard for Guangdong province（part）

廣州地鐵設計院有限公司制定的《城市軌道交通BIM模型交付標準》[33]中，較為細致地表達出BIM所需要的信息，按照LOD（模型精度等級）給定了細節層次，比較容易實施，但需要對構件進行細致的編碼，如表2所示.

表2 廣州地鐵BIM建模標準（部分）Tab.2 BIM modeling standard of Guangzhou Metro (part)

BIM技術主要在設計階段使用.目前，BIM技術正逐漸應用在建造和運維階段，然而現有的BIM都是階段性的，模型的一致性不夠，不能在全生命周期形成一致化表達，給基于模型的全生命周期協同和數據管理帶來了巨大困難.因此，針對城市軌道交通工程的體量和工程規模巨大、模型共享使用和維護的時間周期漫長，大量專業、角色、單位訪問的時間跨度大，如何深入拓展BIM的廣度和深度，使得表達的信息和數據完整規范、實時共享最新數據等，成為工程建造管理者面臨的困惑和挑戰.

3.2 基于BIM的多專業、多CAD/CAE軟件工程協同問題

專業眾多，接口復雜，協調困難.城市軌道交通工程各專業之間交互協調時，不僅需要提取設計和模型資料，還需要提取模型相關的信息.目前，專業之間缺乏有效的交互接口，很難從不同的專業使用的軟件中提取到所需要的模型和信息.

BIM和設計脫節，關聯度不夠.在城市軌道交通工程正向設計中，各專業設計基于需求任務，按照設計規范和標準開展設計，設計完成后再交由BIM實施部門進行翻模或者合模.在此基礎上，通過模型接口、建造模擬等發現設計問題，并反饋各專業設計人員在設計圖紙上進行修改.這種方式雖然結合了串行設計和適當的并行設計，但設計由不同的人員完成，一部分模型是由翻模完成的，導致了BIM和設計脫節，關聯度不夠.

設計效率低、知識分散.城市軌道交通工程設計是由大量的設計人員完成的，設計單位的設計人員經常由于工作關系調動，導致部分有經驗人員的經驗沒有留下或者積累，新進的人員又不能很好地理解原有設計，且經驗不足，使得設計效率低下.如何將達成共識的設計經驗和設計知識積累起來，并融合在設計過程中以推動整個城市軌道交通工程向基于知識和流程的數字化設計是城市軌道交通工程設計單位目前面臨的巨大挑戰.

3.3 基于BIM的工程全生命周期海量信息數字化、高效率、低成本管理與使用問題

城市軌道交通工程全生命周期的眾多角色在參與過程中不斷地創建BIM、使用模型、完善屬性信息，圍繞BIM進行大量操作、產生海量信息.工程建造周期長，一方面導致工程信息逐年增加、不斷累積、海量爆發，另一方面導致工程信息逐漸丟失，難以追溯.

角色眾多、周期長，使得整個項目管理異常復雜，需要交付、審核的項目文件和協同不計其數，這為城市軌道交通工程的管理帶來極大的挑戰：如何根據參與人員的角色和任務確定需要提交的模型和信息，實現全生命周期信息的可追溯；如何根據業務流程定義角色之間的高效率協同交互；如何根據專業接口實現文檔資料的調用和共享，降低交互成本；如何將BIM全生命周期屬性信息統一管理，實現模型與屬性動態關聯.為解決上述挑戰，采用BIM技術從信息化的角度提高管理水平是城市軌道交通建造工程項目的主要問題.

4 城市軌道交通BIM技術研究的發展趨勢分析

在城市軌道交通BIM技術現有發展的基礎上，基于其需要解決的本質問題，結合現有的先進設計技術、計算機技術、管理技術等，城市軌道交通領域BIM發展趨勢主要集中在以下5個方面.

4.1 面向全生命周期一體化協同管理及平臺

城市軌道交通建造是個復雜的系統工程，周期跨度長，信息、數據、資源的貫穿式協調和管理一直困擾著管理者、研究者及工程人員.在采用BIM技術對模型進行統一表達的基礎上，科研人員試圖基于BIM打通設計、建造、運維全生命周期各階段，使參與者能夠在三維模型的基礎上開展管理和協調工作[34-35].采用先進的BIM表達、規范的模型管理、基于流程的過程管控與優化、多資源協同與優化、多源數據一致性表達、全生命周期數據協同與高效管理等，都是目前的發展趨勢.

4.2 基于BIM的多專業正向協同三維設計

三維模型是各專業在建筑物相互之間接口關系定義的基礎，每個專業開展設計時，需要與其他相關專業進行交互、溝通和交流，這涉及到多專業一體化協同設計、專業按照接口提資、設計角色相互交流達成共識等[36].長久以來，研究者希望找到一種協同設計的機制來代替現有簡單的消息提醒、打包提資、共享資料等方式[37].目前能夠開展的有基于PDM（product data management）的協同方式，如 Enovia及其VPM；基于設計平臺的協同，如Revit的BIM 360；基于第三方系統的協同，如BIMFace.但要真正實現多專業BIM一體化協同設計，需要使角色、設計環境和設計資源深度融合，這正是基于BIM開展多專業正向協同設計的發展方向.

4.3 面向智能建造和運維的BIM規范性設計

所有建造與運維的依據來自于設計.雖然設計階段有詳細的設計標準規范作為指導，但城市軌道交通工程的設計涉及到多專業的協調，尤其在施工圖設計階段.因此，基于建造與運維的并行設計將逐漸應用到城市軌道交通工程設計中，深化設計就是典型案例.目前的深化設計思路與并行工程設計有明顯的概念理解誤區，初步設計與深化設計脫節，BIM起到整合初步設計的目的，但并沒有覆蓋到設計的最前端[3].將來的發展趨勢是如何在設計前端，基于并行工程理念逐漸形成規范性BIM，以便通過數據貫通和規范管理等方式驅動建造和運維，從而降低管理成本，走向智能建造和運維.

在設計前端進行BIM規范，需要在設計階段對構件進行編碼，并對城市軌道交通各專業按照BIM結構統一定義，給出全生命周期唯一的標識號.如何讓各個專業設備設施進行統一的全生命周期管理，提高過程中數據的一致性，是很多研究BIM的學者一直想解決的基本問題.

城市軌道交通工程專業眾多，設計工作量大，設計人員的流動性大，積累設計經驗和規范設計流程是基于BIM的工程設計發展的方向.通過該項研究開展基于知識工程的智能設計，模塊化、參數化和多粒度流程定制的精細化設計，提高設計效率，降低設計成本，減少大量的重復繪圖工作[38].

4.4 基于IFC的BIM表達及共享

城市軌道交通工程因專業眾多、時間跨度長、交互協同多、應用軟件多等導致數據一致性差，各種軟件不能很好地實現數據和模型交換，IFC源自于STEP（standard for the exchange of product model data），主要用于工程建造類“產品”的數據交換定義，以解決統一模型表達的問題[39].大量深入建筑領域的基于IFC進行模型交換的研究，使得IFC逐漸完善[40]，但IFC在城市軌道交通工程領域的擴展空間大，所要表達的內容更多更豐富，基于IFC的城市軌道交通工程BIM表達逐漸成為行業的研究發展趨勢之一.

4.5 BIM技術與信息化的深度融合

通過將信息化技術逐漸深度融合到城市軌道交通工程領域[41]，為BIM技術的延伸式研究帶來了很多發展方向和研究空間，包括共享模型及服務、協同管理、智能建造、智能測量、基于數字孿生的智能運維、基于移動BIM的工程監理、云計算及一體化協同設計等[42].信息化技術將帶動BIM的快速發展，并為城市軌道交通工程提高建造效率，降低建造成本，減少項目風險等提供有力的技術支持.

5 結 論

相比通用建筑工程，城市軌道交通工程涉及的專業多、外部接口多、參與單位多、投資大、周期長、風險管控難，是一項更為復雜的系統工程，給BIM技術提出了巨大的挑戰.BIM是信息化深度融合城市軌道交通工程，解決各種復雜問題的重要支撐技術，但很不成熟，主要表現在面向全生命周期的工程模型數字化的統一規范表達問題，多專業、多軟件、多角色、多單位相互協同設計、管理和數據利用問題，基于復雜、海量幾何物理模型融合的模型輕量化問題，基于BIM的全生命周期工程項目管理平臺研發等.將來的BIM技術必然朝著基于云端統一共享規范編碼的BIM信息模型和一致性表達，基于云端高效協同全生命周期管理，面向云計算的云端輕量化BIM的分發、共享、重用和協同，面向BIM基于數字孿生的城市軌道交通工程長周期、高效低成本運維等方向發展.BIM通過實施統一建模、數據整合、輕量化表達、人工智能、大數據、云計算、物聯網等關鍵技術，必將在城市軌道交通工程的高效、低成本運作與管理方面做出重要貢獻，為城市軌道交通工程的發展建造提供重要技術支撐.