BIM技術在鐵路站房運維風險分析中的應用

呼臘梅

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

0 引言

BIM技術在我國土建行業的規劃［1］、設計、施工［2］、運維［3］中已經逐步得到應用，并取得了一定成就。相關研究表明，BIM技術可以輔助鐵路項目三維建模、碰撞檢測、指導施工等［4］。在傳統的運維管理中，房建專業的運維管理更多注重資金、辦公、數據等方面的管理，很少注重機電設備本身的運維管理［5］。鐵路站房由于客流量大，站房使用率高，鐵路設備本身的運維管理不可忽略。

在基于BIM的鐵路站房全生命周期中，將設計階段搭建的BIM模型應用于運維階段，逐步實現模型信息的不間斷集成［5-6］。目前基于BIM的風險分析研究主要應用于施工階段［7-10］，在運維階段的應用很少。基于傳統管理模式的鐵路站房，在實際運維管理中存在一定風險。對現場設備不了解、對各設備的信息統計不齊全等因素很容易促進運營管理風險形成，由此可見，風險是影響運維的重要因素。引入BIM技術可實現遠程可視化管理，從而降低運維過程中出現的風險。

BIM作為計算機與土建專業銜接的中間橋梁，也作為站房全生命周期的信息承載體，能夠為站房的運維管理提供一定價值，在降低風險方面起到了重要作用。以京張高鐵昌平站為例，根據實際運維管理，研究BIM技術在鐵路站房運維風險分析中的應用。

1 站房運維風險

風險管理的概念最早起源于19世紀，隨著信息技術的發展以及新風險不斷出現，風險管理在全世界各行各業得到廣泛應用。在我國鐵路站房運維管理中，也存在不同類型、不同損害程度的風險因素。風險管理的整個流程包括4部分內容，即風險識別、風險評估、風險評價以及風險處置。具體流程見圖1。風險管理整個過程是一個新風險源不斷出現、風險管理過程不斷循環、風險處理意見不斷更新、風險處理方法不斷改進的閉環流程。

1.1 風險分類

鐵路站房運維管理是基于前期設計階段和施工階段圖紙信息與工藝工法完整性、合理性、規范性的理論和實踐基礎，因此，站房運維管理需要集成設計期、建設期的數據信息，以實現運維階段的高效管理、合理運作、降低運營成本等目標。站房在運維管理過程中，存在多種不確定風險源，直接或者間接導致運維過程復雜、檢修維修過程耗時、運營投資高等后果。風險分析成為站房運維管理必不可少的專項工作。目前，在鐵路站房的運維階段，主要存在的風險類型有：

（1）各階段信息不齊全。運維管理采用的信息包括設計、建設、運維等階段的各類信息。各類信息不齊全可能阻礙運維管理正常進行，運維管理存在的風險源見圖2。

圖2 運維管理存在的風險源

（2）管線排布錯綜復雜。鐵路站房運維管理中，不僅需要對房屋的建筑結構進行維護保養，也需要對室內的設備管線進行檢查檢修。站房中各專業管線排布必須依托土建專業的主體結構，土建專業實體建筑為各專業管線正常排布提供了必要的承載體。站房中管線主要涉及專業包括給排水、暖通、電氣、信息等。在現場運維管理中，由于各專業設備管線布置在樓板層與天花板之間，因此存在多用途、多類型、多專業的設備管線交叉分布現象，導致管理過程復雜。各專業分類情況見圖3。

圖3 鐵路站房專業分類

1.2 風險分析

風險分析采用的常用方法有：故障樹分析法（FTA）、故障模式影響及危害性分析法（FMECA）、建模和仿真分析法等。在鐵路站房運維管理中，需要不斷對站房各設備進行檢修維修，定期查看與實體設備、實體結構相關聯的圖紙信息、設備履歷等。在上述風險分析方法中，建模和仿真分析能夠直接反映設備信息。針對上述提到的2類風險，基于BIM技術的建模和仿真分析方法，采用Revit軟件搭建BIM模型，實現風險分析的目標。

（1）各階段信息不齊全。針對此類問題，可以通過各階段的數據信息不斷累積，逐步添加到模型中，實現設備的集成展示與調用。首先，在設計階段，依據設計圖紙搭建仿真模型，并在模型中添加設計期的屬性信息，形成設計階段的模型；其次，在施工階段，將設計模型作為載體，依據建設內容添加建設期的屬性信息，進而升級為建設階段的竣工模型；最后，在運維階段，在模型中添加運維期的屬性信息，形成最終的運維階段模型。Revit建模軟件中添加的屬性信息為靜態信息，添加的數據信息為結構化數據信息，無法實現非結構化數據、動態數據實時更新，因此，需要借助二次研發，將非結構化數據（二維設計圖紙、施工影響資料、動態運維管理資料等）關聯到模型上，實現整個站房全生命周期數據的完整與正確性。站房各階段信息缺失的風險分析方法見圖4。

圖4 站房各階段信息缺失的風險分析方法

（2）管線排布錯綜復雜。各專業管線排布錯綜復雜，給實際運維管理造成一定難度。針對多專業設備綜合管理、單專業維修檢修記錄分類存檔的現象，需要運維管理人員去實際設備間、管廊層檢修各設備的運行狀況，造成檢修耗時長等問題。因此，分專業、利用仿真模型實現可視化管理成為分析上述風險的重要途徑，在風險分析過程中，主要將機電專業綜合集成模型拆分成單一專業獨立顯示模型，并對單一專業模型的關鍵控制設備（如閥門、開關等）與普通設備（如管道）進行區分，實現在虛擬環境中模擬真實的設備運維管理，實現基于可視化技術的降低運營風險目標。多專業模型風險分析路徑見圖5。

圖5 多專業模型風險分析路徑

1.3 風險處置

各階段的屬性信息存在缺失等風險，處理該類風險的主要途徑是基于IFC標準搭建BIM模型，在Revit軟件中添加屬性信息。在設計階段，按施工圖紙以及專業分類搭建BIM模型，并在后續各階段將所需要的信息添加至BIM模型。在模型屬性添加過程中，首先，需要確認屬性名和屬性值，同時需要對屬性值的類型進行定義，如文字、尺寸標注等；其次，針對各設備的屬性信息完整性，可以通過項目明細表查看各設備的具體信息，將信息不齊全的設備通過內部關聯定位到三維BIM模型中，在可視化界面添加屬性信息，實現模型中各構件屬性信息的補充完善。

在BIM模型中初步添加屬性后，需要對模型進行輕量化處理，實現模型的數模分離目標，降低模型的文件存儲量，并利用WebGL技術，實現模型的線上發布，最終可以在多個客戶端同時查看攜帶屬性信息的BIM模型，達到多專業模型協同管理的目標。在BIM模型輕量化處理過程中，主要采用三角面片進行網格劃分，在處理過程中去除冗余的幾何形狀，最大限度地使模型變小。輕量化后的模型，由于數據庫與模型分別存在不同格式的文件中，二者通過GUID進行關聯，因此可以對數據庫中多余、無用的信息進行刪除，并添加或修改模型中需要的屬性，豐富模型的靜態信息。

可以通過各系統的鏈路控制進行多專業設備模型管理。首先，依據既定的編碼規則，為各專業的設備模型進行編碼；其次，通過編碼規則控制與其關聯的設備屬性。各設備的編碼控制關系如下：

式中：Y1、Y2代表設備1和設備2的設備編碼；Xi、xi分別代表設備1和設備2的編碼中的各項字符；i為編碼所占的字符長度，i=1，2，3，…，n。

（1）Y1中的前i位與Y2中的前i位各項字符相同時，如果Y1中的i+1位與Y2中的前i+1位各項字符不同，則設備1與設備2為同等級設備，不存在設備的上下級關系；如果Y1中只包含前i位字符，Y2中存在的字符數量大于i時，則設備1為設備2的上級，即：在實際設備運營中，設備1出現故障，必然影響設備2的正常運行。

（2）Y1中的前i位與Y2中的前i位各項字符均不相同時，則代表Y1與Y2為互不影響的設備，Y1的運行狀況與Y2的運行狀況無關聯。

2 RReevviitt構建三維模型

為實現基于BIM技術的三維模型可視化，需要采用Revit進行建模，主要基于CAD圖紙幾何-矢量相結合的方式搭建模型。幾何建模是利用Revit中自帶的基礎工具繪制出模型，再利用渲染材質對模型進行渲染，形成與實際相匹配的效果；矢量建模是將二維CAD圖紙進行處理后，將CAD圖紙導入至Revit模型，然后進行坐標系校核，快速形成三維BIM模型。昌平站站房BIM模型見圖6，該模型是利用Revit搭建的BIM模型，并將圖紙的設計信息添加到BIM模型中。圖6左側為昌平站站房模型，右側為選中的坡屋頂具體信息，包括所在的標高、所屬專業、設備大類等設計、運維期信息。

圖6 昌平站站房BIM模型

3 應用實例

以京張高鐵昌平站站房為研究對象，展開BIM技術在站房運營風險分析中應用的研究。京張高鐵作為2022年冬奧會的重要交通樞紐，具有“智能京張”稱號。昌平站地處北京昌平區，建筑面積為4 995.91 m2，地上1層，局部2層，地下1層，是京張高鐵的重要交通樞紐站。結合昌平站實際情況，依據圖紙信息搭建BIM模型，通過數據輕量化處理，基于WebGL技術，在網頁端發布了昌平站的BIM模型。在三維場景中，結合實際的業務應用，研發了模型查看、數據信息瀏覽、鏈路控制等功能。

（1）BIM模型信息瀏覽見圖7，基于三維GIS底圖，將輕量化后的BIM模型加載到GIS地圖上。通過點擊項目信息，可以查看昌平站的基本信息、建設信息。針對有變化的項目信息，依據實際運維管理情況進行修改。通過系統結構樹，分層級查看各專業的設備模型，如給排水系統中，可以查看生活給水、生活排水等BIM模型，同時，能夠查看各系統的數據信息。實現三維可視化狀態下的信息管理，避免部分構件信息缺失等現象，為實際運維管理的信息調用提供捷徑。

圖7 BIM模型信息瀏覽

（2）各專業設備信息管理見圖8。以給排水專業為例，圖8（a）中綠色閥門為選中的閥門，紅色閥門為控制該閥門水流的所有上級閥門，黑色管道為連接上級控制閥門與本閥門的設備。通過定位閥門設備，可以自動篩選出控制該閥門設備的所有上級閥門以及連接上級閥門和該閥門的所有管道。該功能可以指導實際運維管理中，本閥門正常運作狀態與關聯的上級閥門開關狀態、故障狀況等相互關系，給維修檢修人員提供參考意見。

圖8（b）中黃色與黑色交界處的閥門為選中閥門，紅色閥門為選中閥門所控制的下級閥門，黑色設備為選中閥門控制的其他設備，包括管道、衛浴等設備。該功能可以輔助檢修維修人員查看某一閥門運行狀態對下級各設備的影響，模擬水流經過該閥門后，對下級設備的供水狀態展示，從單一專業角度，形象地模擬自身管路運行狀況，減少多專業交叉管路的識別時間。

圖8 各專業設備信息管理

（3）各關鍵設備影響范圍見圖9。通過點擊閥門，可虛擬展示該閥門運行狀態對站房中房間的影響范圍。圖9中，綠色為選中閥門，紅色為受該閥門影響的房間，即1#女衛生間、1#男衛生間、飲水處、4#衛生間。該功能可以虛擬展示機電設備運行狀態對實際房間的影響區域，指導檢修維修人員在合理時間段內關停相應設備，最大限度地減少對旅客出行的影響。

圖9 各關鍵設備影響范圍

4 結束語

對鐵路站房運維管理中各階段信息不齊全、多專業管線排布錯綜復雜等現象進行了詳細的風險源分析，提出利用BIM模型解決問題的辦法。基于BIM技術、數據輕量化、WebGL技術，在三維可視化平臺中，展示與實際運維管理相對應的數據信息，避免數據缺失。按專業劃分機電設備模型，在可視化界面虛擬現場檢修維修過程中各專業關鍵設備的控制關系，即上級鏈路、下級鏈路和影響范圍，解決維修檢修人員無法快速定位到故障設備的問題。

隨著計算機技術發展，BIM技術在鐵路站房運維風險分析中的應用更加廣泛，深度挖掘BIM價值，利用BIM、物聯網、互聯網相結合的技術，通過智能化數據分析，降低運維成本，需要進一步進行研究與探索。