建筑信息化模型技術對鐵路建設影響的研究綜述

王惠

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶400041）

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息化模型。建筑信息化模型（BIM）以三維數字技術模型為基礎，將工程信息的各種數據集合成工程數據模型[1-2]，美國國家標準對BIM 的解釋為工程建設項目整個生命周期的一切信息的數字化表達，將一維的生命周期工程數據模型轉化為三維設計參數模型，為所有參與方提供高效、可靠的決策根據，促使各參與方高效、協同、一體化地實現建設作業[3-4]。作為工程建造管理規劃的一種信息化手段，BIM 技術通過對模型和參數的整合，將數據、3D 模型、規劃結合在一起，目的是保證工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，在保證工程質量、降低成本和縮短工期方面發揮重要作用。國外的BIM 技術主要集中應用在建筑工程領域，在隧道工程方面較少涉及[5]。

交通在人們的日常生活中是一個極為重要的組成部分，黨的十九大報告中也明確提出“交通強國”的概念，隨著《中長期鐵路網規劃》政策的實施，中國鐵路的建設已經進入高潮，并在全國范圍內展開[6]。目前，隨著在民用建筑領域內BIM 技術應用的相對成熟，BIM 技術逐漸被引入其他更廣泛的工程項目領域[7]。高鐵建設是一項復雜的系統工程，具有工程規模大、技術標準高、質量要求嚴等特點[8]，高鐵建設項目管理信息化以BIM 技術為支撐，從以業主為主導的多方協同管理的角度出發，可改變建設項目各參與方的交互方式，實現提高工程建設效率、降低工程建設成本、保障工程建設安全、提升建設項目質量的多目標管理[9]。

在中國，陳前等[10]利用分析和模擬工具評估設計有效提高了工程的性能和整體質量。楊書生[11]以信息化協同管理系統在濟青高鐵項目中的應用，提出了BIM 技術有效地減輕了業主方項目管理團隊的工作強度，減少了相應崗位的人員設置，減少了管理成本開支，打造了鐵路建設信息化管理的結論，肯定了BIM技術在鐵路建設規劃中的積極作用。宋戰平等[12]以BIM 技術為基礎，提出了全壽命期內隧道協同管理平臺的初步組成體系。趙媛媛[13]應用廣聯達BIM5D 管理平臺，對沙坪壩綜合交通樞紐改造工程施工進行了應用。本文以各種文獻和資料為依據，對BIM 技術在中國的鐵路軌道規劃中產生的影響進行分析。

1 BIM 技術的應用優勢

1.1 可視化設計的展現

BIM 技術帶來的首要優勢在于其可視化的3D 技術，對于鐵路軌道建設規劃來說，例如橋梁鋼筋的分布和綁扎，均可用3D 模型進行直觀的展示。

BIM 模型本身是由BIM 軟件采用參數化建模方式創建的，各構件之間的相互關系可通過三維模型進行直觀展現。同時，BIM 模型中的參數化屬性信息，也將為BIM 技術在全生命周期中的應用提供精確的數據支撐[7]。

1.2 設計、修改、調整同步進行

應用BIM 技術設計之后，若圖紙出現任何錯誤和需要調整的部分，在進行修改的同時，與之相關的三維模型會自動按照參數進行實時更新，更新成能夠參數化的規則，借助輔助的交互系統也可以檢查視圖中的碰撞，改動后的結果可以在模型和所有的視圖中準確地反映出來。BIM 模型不同于以往三維模型以點線面結構進行網格組織，BIM 模型中各構件均采用數據驅動進行網格組織。

1.3 對建設規劃工期進行預測

施工進度計劃是預算工期和人力物力的一個重要手段，以前的進度計劃必須人為進行調整，且每一次的調整都會導致需要對緊隨其后的計劃進行重新的估計和預測。而BIM 技術利用模型的統一管理，促進各專業間的協同工作，及時發現和解決各專業之間的沖突，減少后續的不必要的返工。同時，利用BIM 技術各專業可以同步開展工作，而不必在等待其他專業完工后再開始工作，大大縮短了整體工程周期[2]，并對相應的人力、物力、財力以及人員進出場時間進行調整。

1.4 對建設施工現場進行可視化布置

BIM 技術以其可視化的特征，使施工現場以及施工部臨時設施可以3D 形式呈現，對管理者合理的使用臨時用地有著積極的作用，管理者可通過施工場布設計軟件，對員工的宿舍、食堂、辦公用地以及材料堆放用地進行合理的規劃，在減少用地的基礎上，縮短員工的出行時間，以確保人員和財產安全。

1.5 成本估計

BIM 技術采用參數化形式，對每個部件進行成本定義，在建成BIM 模型后，各個部件的成本和建設成本都會有所顯示，可以對工程進行更精準的成本估計。

2 BIM 技術對鐵路建設規劃的影響

自2003 年中國引入BIM 技術以來，BIM 技術在鐵路建設規劃中逐步應用于3 個方面：施工圖初始設計；施工設計安全性等方面的檢驗，例如碰撞試驗；施工工期、成本的設計。鐵路工程BIM 應用主要體現在路基、橋梁、隧道、站房與四電集成等專業設計中。在橋梁方面，進行橋梁BIM 應用，主要包括參數化建模、三維協同設計、工程量統計、設計庫管理、碰撞檢查、二維工程圖、施工仿真和運維管理等工作；在隧道方面，建造基于施工細度全隧道模型，包括洞門模型、明暗洞模型、輔助坑道模型、附屬洞室模型與防排水模型；在站房方面，開展以BIM 技術為基礎的站房三維建模與施工圖交付標準；在四電、路基等方面，也開展了諸多有益探索研究和BIM 技術可視化模型設計[14-20]。BIM 技術對鐵路規劃設計的影響有以下幾個方面。

2.1 獲得更加清晰的鐵路工程地形、地質模型視圖

在引進BIM 技術之前，中國鐵路軌道設計主要是手工繪制或者用簡單的CAD 繪圖軟件進行繪制。近年來的多個工程均將鐵路工程地形、地質做成模型視圖，例如2015 年開始施工的濟青高鐵項目中，在設計階段通過系統的BIM 三維模型功能模塊，更直觀地顯示了工程形態[11]；為改善鐵路站場場坪工程傳統二維設計中存在的弊端，實現鐵路站場場坪工程的BIM 正向設計，以三維設計為核心，利用BIM 軟件，對該平臺進行二次開發，設計并建立了鐵路站場場坪的高精度BIM 模型等[17]。

2.2 采用“BIM+GIS”技術進行線路規劃和車站選址

在引進BIM 技術之前，工程路徑規劃和站臺的選址大多數采用現場勘測和GIS 技術考察所得到。在引進BIM 技術之后，國內多個項目免除了多次現場勘測的步驟，采用BIM 技術和GIS 技術相結合的方式，對鐵路路線和站臺的選擇進行規劃。在濟青高鐵項目中，應用“BIM+GIS”技術，對區域真實的地形、地勢等進行了三維實景模擬，并在此模型的基礎上規劃了多條路線，同時結合高鐵的建設要求，選出了最優的路線[11]。在京張高鐵中，項目組應用“BIM+GIS”技術，從勘察設計、施工到運維，實現全生命周期的數字、智能化管理[18]。

2.3 應用BIM 技術發現高鐵規劃中存在的問題

在早期鐵路規劃設計時，很多工程中的問題需要人工操作進行試驗，甚至一些問題只有在施工現場才能發現，這不僅影響了工程施工的進度，也影響了工程的安全質量，同時設計返工所帶來的成本增加等風險也逐漸增加。在最近幾年，工程中的很多問題都可以用BIM 技術實現，例如結構碰撞試驗、橋梁的抗剪抗壓能力等。在上海沿江通道越江鐵路隧道的修筑過程中，通過BIM 協同設計平臺對雨水管道與橋墩進行碰撞檢查[19]；劉鈞祥[20]運用BIM 碰撞分析技術，發現某鐵路隧道工程中局部徑向錨桿與超前支護位置重合；在濟青高鐵項目中，應用系統的BIM 維模型功能模塊，共發現設計問題1 600 余項，招標階段通過系統的算量功能模塊和計價功能模塊發現清單問題100 余項，累計節約成本約1 000 萬元[11]。

2.4 優化施工組織管理，節約工程工期和造價

應用BIM 技術可以預先計劃工程工期和造價，陳川[14]提出BIM 技術應用施工圖設計模型輸出各清單子目工程量與項目特征信息，依據工程量清單中的分部分項優化模型數據，輔助編制、核查工程量清單，提高各階段工程造價的效率和準確性；在濟青高鐵中，應用BIM4D 技術進行模擬，提出了“地面拼裝、分段吊裝、液壓同步提升”的施工方案，縮短了1 個月的工期[11]。

3 研究總結與展望

隨著BIM 技術的不斷強化，BIM 技術對鐵路建設規劃的影響是顯而易見的，BIM 技術穿插于鐵路規劃建設的整個生命周期中。國外對于BIM 技術的研究起步較早，理論性研究較為成熟，在實際應用上也較為廣泛。不過，通過這幾年的不斷努力，中國在BIM 技術的研究以及實際應用方面取得了可喜的成績。

但是目前，國內BIM 技術在隧道工程方面的應用還處在初級階段，仍然存在很多問題：①中國未有較為全面的BIM 技術使用規范，這造成在鐵路設計規劃中，各設計單位的設計出現了分歧。②BIM 在中國被廣泛應用于建筑行業，在鐵路建設方面使用較少。鐵路型BIM 技術人員太少，是造成這一現象的原因之一。③國家投入力度不夠，國家在促進科技強國的同時，在對BIM 技術的引導上，仍然有所欠缺。

總而言之，首先，國家在引進BIM 技術后，相應的技術規范也需要逐步提上日程，使BIM 技術更適用于當下的鐵路規劃中；其次，應加大BIM 應用型人才的培養，引進國外BIM 技術應用型人才，特別是鐵路規劃設計型人才，各高校可以將BIM 技術引入學生的學習中，挖掘BIM 與其他技術相銜接的應用型人才；再次，各施工單位在對鐵路施工規劃時，可以加大對BIM 技術的投入，促進中國BIM 技術的大力發展；最后，雖然中國鐵路行業已經組織形成了BIM 相關聯盟，但是利用市場去激發BIM 技術的使用是很局限的，所以國家層面需要加大對BIM 相關技術的引導。