西安至十堰高速鐵路BIM正向設(shè)計應(yīng)用實踐及創(chuàng)新

劉彥明，許興旺

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043； 2.中國鐵建BIM工程實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

引言

BIM技術(shù)自誕生以來，最早應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，目前在建筑行業(yè)已有較為成功的應(yīng)用案例，并且有較為成熟的配套軟件支持[1-2]。近年來，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域特別是鐵路工程中，在中國鐵路BIM聯(lián)盟組織推動下，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系逐步完善，應(yīng)用范圍逐步由單點工程向全線、由部分專業(yè)向全專業(yè)應(yīng)用、由最初的翻模向正向設(shè)計轉(zhuǎn)變，BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用得到快速發(fā)展[3-7]。

BIM正向設(shè)計目前沒有標(biāo)準(zhǔn)解釋，各方均有不同的理解。文獻[8]認為正向設(shè)計是指一種工作流程，即：“BIM正向設(shè)計是指利用BIM技術(shù)，以地形、地質(zhì)為基本設(shè)計資料，按照設(shè)計流程依次進行線路設(shè)計、站前工程設(shè)計和站后工程設(shè)計。設(shè)計過程與傳統(tǒng)二維設(shè)計過程類似，但需要有序的組織協(xié)同設(shè)計工作流和BIM數(shù)據(jù)流”。文獻[9]認為正向設(shè)計是一模多用或一模到底，即 “正向設(shè)計是指以三維BIM模型為出發(fā)點和數(shù)據(jù)源，完成從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計的全過程任務(wù)，而逆向設(shè)計是以“翻模”為特征，在設(shè)計的每一個階段根據(jù)各自需要將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維BIM模型，BIM模型的使用價值較低”。文獻[10]認為“正向設(shè)計通俗理解為三維模型輸出二維圖紙，且符合各階段審圖規(guī)范”。文獻[11]認為“正向設(shè)計的關(guān)鍵在于對設(shè)計信息高效的識別、無障礙傳遞和準(zhǔn)確表達”，“正向設(shè)計的核心技術(shù)是3D設(shè)計信息與2D設(shè)計信息完整、高效傳遞和轉(zhuǎn)換能力”。文獻[12]認為“BIM的正向設(shè)計是在高精度的三維地形環(huán)境模型中，直接利用相關(guān)軟件，設(shè)計三維設(shè)計產(chǎn)品的過程稱為公路行業(yè)BIM技術(shù)的正向設(shè)計”，“公路設(shè)計BIM正向設(shè)計核心在于快速建模”。文獻[13]認為“BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用可分為兩類：①試點初期采用翻模方法建立BIM模型，即先有設(shè)計院交付的施工圖，再以圖紙為依據(jù)建立BIM模型；②應(yīng)用BIM軟件進行正向設(shè)計，即在沒有圖紙的情況下由設(shè)計人員按照設(shè)計理念直接建立BIM模型，并由模型生成可以交付的施工圖”。

上述文獻對BIM正向設(shè)計雖理解不同，表述各異，但大部分認為“正向設(shè)計”是與“翻模”(先設(shè)計二維圖紙，再依據(jù)圖紙建立BIM模型的過程)相對應(yīng)，應(yīng)先建立BIM模型，再依據(jù)模型生成圖紙的過程。依托西安至十堰高速鐵路BIM正向設(shè)計實踐進行了再探索研究，提出了新的認識理解。

1 項目概況及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

1.1 項目概況

新建西安至十堰高速鐵路為首個全面推進BIM正向設(shè)計的項目，起點從西安東站北延伸段紅旗線路所向南引出，引入既有漢十高鐵十堰東站。西十高鐵新建正線長255.749 km，其中，陜西省境內(nèi)169.393 km，湖北省境內(nèi)86.356 km。全線新設(shè)西安東、藍田、商洛西、山陽、漫川關(guān)、鄖西6座車站；新建正線橋梁長40.9 km/59座，隧道長201.6 km/42座，橋隧比重達94.83%。控制性工程主要有漫川關(guān)站、秦嶺馬白山隧道、西嶺隧道、漢江特大橋、柳家河福銀立交大橋和神定河特大橋等，全線示意見圖1。

本次研究主要采用Micristation CE版、OpenRail Designer、Substaiton、ProjectWise 、ProStructures、CityMaker以及開發(fā)的專業(yè)軟件等作為解決方案。

1.1.1 實施范圍和主要設(shè)計內(nèi)容

BIM設(shè)計實施范圍為西安至十堰高速鐵路全線正線與配套工程，包含大臨工程，涉及專業(yè)包括測繪、地質(zhì)、線路、站場、軌道、隧道、橋梁、路基、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、電力、牽引變電、接觸網(wǎng)、通信、信息及災(zāi)害監(jiān)測、信號、給排水、環(huán)保以及工經(jīng)等專業(yè)。

1.1.2 重難點分析

(1)線路長：一次完成全線長256 km的 BIM設(shè)計；涉及的地形、地質(zhì)地層構(gòu)造、不良地質(zhì)等復(fù)雜多變。

橋隧比例大：占線路比例達95%。

特殊結(jié)構(gòu)多：超過10 km以上隧道5座，橋梁特殊結(jié)構(gòu)多，5座車站部分或全部上橋，車站橋多線變寬，異形梁種類多。

路基橫向結(jié)構(gòu)物融合多，半填半挖過渡較多。

(2)西十高鐵BIM設(shè)計涉及專業(yè)多，共計19個專業(yè)全過程參與設(shè)計，專業(yè)間銜接交互過程較多，站前站后同步設(shè)計，協(xié)同難度較大。

(3)全面推進BIM正向設(shè)計的項目，專業(yè)BIM設(shè)計軟件存在較多銜接，使用過程中會出現(xiàn)異常現(xiàn)象，在設(shè)計的過程中仍需動態(tài)進行修正和調(diào)整。

1.1.3 組織實施

西十高鐵BIM設(shè)計工作由西十高鐵總體組負責(zé)實施，摒棄設(shè)計總體組與BIM總體組分別開展傳統(tǒng)設(shè)計與模型構(gòu)建工作的分離模式，全面推行BIM正向協(xié)同應(yīng)用，項目組織由主管院長、主管院總、經(jīng)計部、設(shè)計總體、副總體、專業(yè)負責(zé)人等人員和部門組成，增設(shè)1個分管BIM副總體，協(xié)助總體推進BIM設(shè)計工作。

1.2 BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)1.2.1 行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)

BIM標(biāo)準(zhǔn)是保證信息模型在工程全生命周期內(nèi)信息有效傳遞的前提，在BIM設(shè)計過程中應(yīng)特別注重對BIM標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。該項目主要采用中國鐵路BIM聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[14]《鐵路工程信息模型表達標(biāo)準(zhǔn)》[15]《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》[16]《面向鐵路工程信息模型應(yīng)用的地理信息交付標(biāo)準(zhǔn)》[17]《基于信息模型的鐵路工程施工圖設(shè)計文件編制辦法》[18]等。

1.2.2 企業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合項目實踐，編制了企業(yè)級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：《新建鐵路西安至十堰線BIM設(shè)計成果交付標(biāo)準(zhǔn)》《新建鐵路西安至十堰線BIM設(shè)計應(yīng)用指南》《鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計流程暫行規(guī)定》《鐵路工程BIM設(shè)計數(shù)據(jù)接口規(guī)定》。

1.2.3 項目BIM標(biāo)準(zhǔn)

因該項目為第一條全線全專業(yè)推進BIM正向設(shè)計的項目，為更好地幫助設(shè)計人員掌握BIM設(shè)計流程及方法，特編制了西十高鐵各專業(yè)BIM設(shè)計指導(dǎo)書，指導(dǎo)書目錄見圖2。

雖然制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)甚至項目標(biāo)準(zhǔn)，但在項目推進中深切感受到，這些標(biāo)準(zhǔn)還有許多待完善的地方，特別是信息模型的分類與編碼，大量的屬性信息缺乏對應(yīng)的編碼，使信息難以準(zhǔn)確表達與傳遞，在項目執(zhí)行中進行了大量補充完善；上述標(biāo)準(zhǔn)需在設(shè)計軟件中予以固化，標(biāo)準(zhǔn)沒有完善軟件支撐，僅依靠人工執(zhí)行難以真正落地。信息化標(biāo)準(zhǔn)需軟件體系的固化表達才能真正落實到位。

2 正向設(shè)計研究探索

2.1 正向設(shè)計實踐

目前，二維圖仍是法定交付物，也是支付設(shè)計費的主要依據(jù)，因此，設(shè)計單位首先應(yīng)滿足二維圖的交付要求。模型生成圖紙主要途徑通過剖切或投影產(chǎn)生，為此，針對路基、橋梁、隧道、地質(zhì)、站場等專業(yè)需求，研發(fā)基于動態(tài)視圖技術(shù)的BIM模型剖切軟件，實現(xiàn)基于空間線條、實體邊界線、路線的BIM模型任意剖切功能，并探索基于模板描述的自動標(biāo)注技術(shù)。使橋梁、隧道等專業(yè)的部分二維圖紙可通過定制模板并利用模型的剖切投影得到，如橫斷面圖。根據(jù)專業(yè)需要指定位置平面對模型進行剖切后提取截面輪廓線，并通過定制專業(yè)模板對截面完成尺寸自動標(biāo)注，生成的鐵路橋梁箱梁斷面見圖3，路基、隧道等斷面生成過程見圖4。

圖3 鐵路橋梁箱梁斷面設(shè)計

圖4 利用模型生成斷面圖過程

利用模型的剖切投影生成二維圖的方式，針對一些斷面圖提高了設(shè)計效率，但難以滿足大部分二維圖的出圖需要。按照圖紙交付標(biāo)準(zhǔn)有些二維圖很難通過簡單的剖切投影產(chǎn)生，如：曲線段的橋梁立面圖是展開圖，而不是投影圖；站后信號專業(yè)大部分是邏輯圖。即使在BIM技術(shù)應(yīng)用較早的建筑業(yè)，以出圖為導(dǎo)向的正向設(shè)計在實際應(yīng)用過程中也遇到了很多困難，出圖效率不高，難以推廣[19]。

2.2 正向設(shè)計再探索

BIM正向設(shè)計的核心是提高設(shè)計質(zhì)量和效率，從而降低設(shè)計成本，提高整體效益。

所謂設(shè)計是在一定邊界條件下通過不斷思考、計算分析迭代，得到滿足規(guī)范要求、體現(xiàn)設(shè)計師理念、實現(xiàn)約定功能設(shè)計作品的過程，二維圖紙、三維模型只是設(shè)計作品不同的表達方式，這兩種表達方式各有千秋，二維圖紙專業(yè)人員更易理解接受，在目前建造模式下必不可少；三維模型更形象具體，易被計算機進行識別處理，更符合信息化要求。為更形象、準(zhǔn)確表達設(shè)計方案，需要把二維、三維兩種表達方式進行充分融合，發(fā)揮其最佳優(yōu)勢。在設(shè)計中生成先后順序并不重要，重要的是實現(xiàn)二三維表達的數(shù)據(jù)同源，表達一致，聯(lián)動更新。

綜上所述：利用BIM技術(shù)以數(shù)據(jù)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)二維圖紙、三維模型快速表達，且兩種方式能夠數(shù)據(jù)同源，表達一致，能夠聯(lián)動更新的設(shè)計過程均稱為BIM正向設(shè)計。其設(shè)計模式見圖5。

圖5 以數(shù)據(jù)為核心的正向設(shè)計模式

本項目常規(guī)工點均采用以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的正向設(shè)計模式[20]，依托中心數(shù)據(jù)快速生成BIM模型，由開發(fā)的專業(yè)軟件參數(shù)化直接生成所需圖紙；對特殊結(jié)構(gòu)采用由BIM模型通過剖切投影輔助生成二維圖的方式，出圖效率有較大提升。

數(shù)量計算時需對建成的模型進行編碼定位識別，以橋梁工程為例，設(shè)計時編制LID定位碼，分別賦予各橋面系、梁部、支座、下部結(jié)構(gòu)等構(gòu)件或節(jié)點，實現(xiàn)精確定位。對工經(jīng)專業(yè)所需數(shù)量進行IFD編碼表達，并將LID和IFD編碼存儲至MicroStation軟件的ItemTypes下，實現(xiàn)了數(shù)量表達的準(zhǔn)確性、唯一性，為下一步基于BIM模型的自動算價奠定基礎(chǔ)。橋梁數(shù)量的IFD表達見圖6。

圖6 橋梁數(shù)量IFD表達

2.3 軟件研發(fā)

西十高鐵BIM設(shè)計經(jīng)過1年左右的準(zhǔn)備時間，期間各專業(yè)依據(jù)圖5的模式進行了大量軟件開發(fā)，線路、軌道、地質(zhì)、橋梁、隧道、通信、信號、接觸網(wǎng)等專業(yè)共研發(fā)軟件66個，基本滿足了西十高鐵推行BIM正向設(shè)計需要。信號專業(yè)的BIM設(shè)計見圖7。

圖7 信號專業(yè)的BIM設(shè)計

除專業(yè)軟件開發(fā)外，為滿足一些特殊手工建模需要，還針對性開發(fā)了以下輔助設(shè)計工具模塊：

(1)基于鐵路線路中心線的精確定位通用功能模塊；

(2)通用構(gòu)件擴展屬性添加模塊；

(3)基于構(gòu)件編碼專業(yè)結(jié)構(gòu)樹管理模塊；

(4)基于Micorstation通用BIM鋼筋模型輔助創(chuàng)建模塊；

(5)提取地質(zhì)BIM模型虛擬鉆孔信息功能模塊。

并進行了基于BIM模型進行工程數(shù)量表達統(tǒng)計關(guān)鍵技術(shù)研究。

以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的正向設(shè)計，實現(xiàn)了常規(guī)鐵路工程工點的正向設(shè)計，達到了高效建模、高效出圖算量的預(yù)期目標(biāo)，滿足鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)化、自動化及批量化設(shè)計要求。

3 BIM協(xié)同設(shè)計研究應(yīng)用

BIM技術(shù)相對于傳統(tǒng)的二維設(shè)計的最大優(yōu)勢是能夠更好地進行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，多專業(yè)協(xié)同設(shè)計是BIM正向設(shè)計應(yīng)用關(guān)鍵。本項目協(xié)同設(shè)計采用Bentley的ProjectWise作為設(shè)計協(xié)同平臺，以文件級協(xié)同為主，實現(xiàn)版本管理、權(quán)限控制、質(zhì)量與技術(shù)管理等功能。在ProjectWise原生平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合我院協(xié)同設(shè)計流程與專業(yè)數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)進行二次開發(fā)定制。編寫了《新建鐵路西安至十堰線ProjectWise協(xié)同實施導(dǎo)則》，下發(fā)總體組指導(dǎo)設(shè)計人員開展協(xié)同設(shè)計工作。

(1)協(xié)同設(shè)計總體原則

ProjectWise(以下簡稱“PW”)平臺以設(shè)計過程管理為核心，基于服務(wù)器以圖紙/參考的方式實現(xiàn)各專業(yè)并行協(xié)同設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間參考關(guān)系的智能維護與管理。各專業(yè)嚴格通過PW協(xié)同平臺開展設(shè)計工作，通過參考、版本迭代等方式進行協(xié)同與更新。

(2)工作空間與單元庫的PW托管

將工作空間在PW上進行托管后，相關(guān)專業(yè)的各個設(shè)計者在通過PW進行協(xié)同設(shè)計時，可在共享的工作空間下開展工作，保證設(shè)定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的一致性。單元庫的PW托管，可實現(xiàn)單元文件的共享，最大化重復(fù)利用已建單元文件，避免單元文件的重復(fù)構(gòu)建與資源浪費。

(3)校審、資料互提與會簽協(xié)同設(shè)計流程

基于PW協(xié)同平臺及所開發(fā)插件，最終實現(xiàn)專業(yè)內(nèi)設(shè)、校、審與專業(yè)間資料互提設(shè)計流程協(xié)同，設(shè)、校、審圖示分別見圖8～圖10。

圖8 流程啟動

圖9 資料互提

圖10 專業(yè)會簽

(4)審閱、批注與碰撞檢測應(yīng)用

參與設(shè)、校、審人員可通過Navigator對PW上模型文件進行審閱、批注與碰撞檢測應(yīng)用。以PW軟件為集成應(yīng)用平臺，將總裝后的模型可直接導(dǎo)入Navigator軟件，通過自定義檢測規(guī)程，實現(xiàn)項目專業(yè)間的碰撞檢查，還可以添加批注等信息進行模型校驗與審核。

碰撞檢測是利用BIM軟件對三維信息模型之間的沖突進行自動檢測與報告。采用BIM技術(shù)進行碰撞檢查有著明顯的優(yōu)勢及意義。在此過程中可發(fā)現(xiàn)大量專業(yè)沖突，這些沖突在傳統(tǒng)的二維設(shè)計和單專業(yè)校審過程中很難被發(fā)現(xiàn)。通過碰撞檢測可有效減少施工過程中的變更與返工，提高設(shè)計質(zhì)量和效率，降低工程成本。

基于信息模型的碰撞檢測流程如圖11、圖12所示(以車站為例)。

圖11 碰撞檢測流程

圖12 碰撞檢測與審閱批注

4 項目審查展示平臺

“西十高鐵BIM數(shù)字化成果審查展示平臺”(圖13)是基于GIS基礎(chǔ)平臺進行的二次開發(fā)，擴展了符合鐵路BIM模型表達的功能模塊，主要包括：項目管理、后臺服務(wù)管理、用戶管理、場景瀏覽操作、BIM模型結(jié)構(gòu)樹解析、關(guān)聯(lián)精細參考模型及設(shè)計資料、空間三維分析等功能。最終形成一個能夠?qū)﹁F路項目BIM設(shè)計成果進行全方位、多要素展示的數(shù)字化三維審查展示平臺，也為今后設(shè)計方案匯報、比選優(yōu)化及設(shè)計成果展示提供了良好的環(huán)境。

圖13 審查展示平臺

主要實現(xiàn)功能點如下。

(1)解析基于Bentley環(huán)境設(shè)計的BIM模型

實現(xiàn)對BIM模型的自動解析，將層級定位碼信息和輔助定位信息以JSON文件格式進行存儲，平臺直接讀取實現(xiàn)層級碼信息識別并自動構(gòu)建工程結(jié)構(gòu)樹，滿足模型構(gòu)件定位、高亮顯示的需求，同時可以在工程結(jié)構(gòu)樹上進行構(gòu)件查詢。

(2)BIM模型工程設(shè)計信息查詢

在三維場景中通過點擊模型構(gòu)件實現(xiàn)對BIM設(shè)計信息的查詢，包含幾何信息和非幾何信息，并高亮顯示對應(yīng)的構(gòu)件，如圖14所示。

圖14 設(shè)計信息查詢

(3)關(guān)聯(lián)BIM精細參考模型

將基本模型與精細參考模型進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)在獨立窗口中對精細參考模型及其屬性信息的詳細展示，以及多進程三維渲染，如圖15所示。

圖15 精細模型參考

(4)關(guān)聯(lián)BIM設(shè)計資料

實現(xiàn)對每個構(gòu)件自定義關(guān)聯(lián)設(shè)計資料，支持MP4、PDF、Word、Excel、JPG等常見格式，便于對設(shè)計文件進行查看與對比分析。

(5)地下模式與模型剖切

實現(xiàn)對地下工程的漫游瀏覽，透過地表直接操作BIM模型，同時實現(xiàn)模型剖切功能，以便查看模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)和隱蔽構(gòu)件。

此外，還實現(xiàn)BIM工點漫游與位置導(dǎo)航，通過配置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對關(guān)注的重點工程和場景進行沿線漫游和位置設(shè)定；以及量測分析功能，主要包括距離、面積、角度、斷面量測等。

該平臺把全線最新的傾斜攝影數(shù)據(jù)與各專業(yè)BIM設(shè)計成果進行有機融合，形成了與真實工程環(huán)境一致的室內(nèi)三維數(shù)字環(huán)境，通過該平臺進行了所有設(shè)計成果的綜合審查，實現(xiàn)了各專業(yè)設(shè)計方案的二維、三維表達方式綜合展示。

5 結(jié)語

(1)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要進一步完善，尤其是需要軟件的支撐。在項目實施過程中，除遵循行標(biāo)以及鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，還編制了多項企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及項目標(biāo)準(zhǔn)、指南，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)有許多不完善之處，需進一步細化補充，同時這些標(biāo)準(zhǔn)需在軟件中進行固化表達，才能在項目中真正落實到位。

(2)以數(shù)據(jù)為核心的BIM設(shè)計路線是現(xiàn)階段推進正向設(shè)計較為合理的模式。為提升設(shè)計效率，結(jié)合前期研發(fā)成果，在項目實施過程中，采用了以數(shù)據(jù)為核心的BIM正向設(shè)計路線，通過數(shù)據(jù)的有效整合與傳遞，快速實現(xiàn)二維、三維的同源表達，提高了設(shè)計效率，取得了良好的效果。

(3)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計是BIM正向設(shè)計應(yīng)用關(guān)鍵。通過定制開發(fā)協(xié)同設(shè)計平臺實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，保證了設(shè)計流程的標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的一致性、實現(xiàn)設(shè)計資源共享，及時發(fā)現(xiàn)專業(yè)沖突，有效避免設(shè)計返工。