雄忻高鐵地下段工程BIM建模與交付標準框架研究

宋樹峰

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

雄忻高鐵地下段工程涉及參建單位眾多、空間關系復雜,鐵路路內、路外工程一體化實施難度大、建管要求高。采用BIM技術能夠有效整合參建單位間的信息流、數據流,實現空間關系的精確呈現與協調,為復雜的路內、路外一體化工程提供高水平的協同作業條件,從而應對高難度施工與建管挑戰。但是,現階段各行業在國家和行業層面均缺乏統一的BIM標準,更未頒布類似二維出圖的強制性規范、標準,無法滿足項目建設管理的迫切需要[1]。

雄忻高鐵地下段工程項目團隊堅持以質量為核心,以創新為驅動,以統一的數據交互標準為基礎,以滿足數字孿生、建設管理等下游應用[2]需求為出發點,牽頭編制《雄忻高鐵地下段工程BIM建模與交付標準》(以下簡稱本標準),規范設計成果接口,從源頭保證數據傳遞的連續性和有效性,并構建虛擬現實系統,搭建設計資源發布系統,對數字資產進行統一歸口管理,有力推動項目的一體化建設工作。

1 地下段工程面臨的問題與挑戰

(1)雄忻高鐵地下段工程設計協調難度大。雄忻高鐵地下段工程是一個涉及鐵路、市政、水利、園林等多領域、多學科、多專業的系統工程。其工程范圍長約24.8 km,軸線寬度一般為135 m,局部隨規劃布局展寬,包含沿線樞紐車站、鐵路、道路、地下空間、中央綠帶、綜合管廊、管線、河道水系等工程建設內容。各項工程內容相互交叉,空間關系錯綜復雜,行業間、專業間接口眾多,一體化設計要求高,設計協調難度大。

(2)雄忻高鐵地下段工程涉及BIM軟件多,格式不統一。作為典型的綜合性工程,雄忻高鐵地下段工程各行業設計階段有先有后,審核流程各不相同,行業間工程內容互相交疊,極易出現設計沖突、結構碰撞、施工干擾等問題,開展多行業BIM設計需求迫切。同時,本工程各行業采用的BIM設計平臺各異,包括達索、奔特利、歐特克、鴻業等多個,涉及超過10多種BIM文件格式;多行業的BIM成果體量巨大,對集成平臺的數據承載能力要求很高。

綜上,亟需結合項目需求,編制雄忻高鐵地下段工程BIM建模與交付標準,滿足項目各行業BIM設計成果向平臺的交付需求,保證數據在項目各方之間、工程全生命周期之中進行無損傳遞和共享。

2 多行業標準編制現狀

建筑、鐵路、市政、水利、園林等行業均具有本行業的BIM標準體系,各行業標準既具有本行業的特點,在標準適用范圍、模型精度、信息深度等方面又存在一定的交叉部分,甚至存在部分沖突的內容,使得項目BIM設計成果難以同時符合所有行業標準。

(1)建筑、鐵路、市政、水利等行業均分別制訂了本行業BIM標準:在建筑領域,我國BIM標準化工作起步較早,已形成相關標準體系。2010年,清華大學軟件學院BIM課題組參照美國NBIMS標準提出了中國國家BIM標準——CBIMS標準框架體系[3]。2012年,住建部啟動BIM標準編制工作,并陸續發布了《建筑工程信息模型應用統一標準》《建筑工程信息模型設計交付標準》《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》等國家級BIM標準。

在鐵路領域,鐵路BIM聯盟(以下簡稱聯盟)自2013年成立以來,積極推動鐵路BIM標準的研究和編制工作。2014年,聯盟完成并發布了《中國鐵路BIM標準體系框架》。在此框架指導下,聯盟在2014年至2019年間,陸續編制并發布了15項鐵路BIM標準,并于2020年在“全國團體標準信息平臺”正式發布,成為合法團體標準。2017年,國家鐵路局啟動了行業BIM標準《鐵路工程信息模型統一標準》(TB/T 10183-2021)的編制工作,并于2021年發布和實施[4]。

在市政領域,目前尚無正式發布版本的BIM標準體系及標準[5]。2015年,中國勘察設計協會市政工程設計分會發布了《中國市政設計行業BIM實施指南(2015版)》,該指南已于2017年正式出版[6]。該指南總體編寫原則參照國家BIM標準,并對國家BIM標準進行深化。基于建筑領域國家標準,市政行業計劃編制《中國市政設計行業BIM應用標準》《中國市政設計行業BIM設計標準》《中國市政設計行業BIM交付標準》和《中國市政設計行業BIM編碼標準》四項行業標準。

在水利領域,中國水利水電BIM設計聯盟自2016年成立以來,組織編制完成了《水利水電BIM標準體系》[7],并先后發布了《水利水電工程信息模型分類和編碼標準》《水利水電工程信息模型存儲標準》《水利水電工程信息模型設計應用標準》和《水利水電工程設計信息模型交付標準》四項團體標準,用以指導和規范水利水電行業BIM設計工作。

BIM技術在園林工程的應用較少[8]。在園林領域,目前尚無正式發布的行業BIM標準。

(2)各行業BIM標準間存在內容重疊和定義不統一的情況:建筑、鐵路、公路、水利水電、市政、城市軌道交通等行業均在制訂本行業BIM相關標準。雖然各行業領域均有自身工程特點和本領域特有工程內容,但不同的行業領域間也存在大量重疊的工程元素,如地理信息、工程地質、路基、橋梁、隧道、排水等內容。理想狀態下,各領域重疊工程元素信息模型的定義應統一,但從目前已經完成的各行業BIM標準情況看,各行業均根據自身需求分別定義了該部分內容,為跨領域信息模型集成應用帶來困難。而且,跨行業信息模型的統一定義工作量大,協調組織困難,目前還難以實現。

因此,本標準的編制應滿足多項交付平臺要求,結合項目設計、施工、運維需求,彌合多行業、多專業間隙,求同存異,為項目的順利實施提供理論基礎和標準支撐。

3 地下段工程BIM建模與交付標準框架

根據前述項目特點和標準編制背景,在類似多行業匯集的BIM總裝集成類項目中,其項目BIM標準的編制應盡量滿足項目建設、管理需求,嚴格遵循國標、地標等上位標準;同時應求同存異,規范和統一在數據組織管理、建模精度、數據交付等共性方面的關鍵要素,差異化行業間特異性要素,平衡好多行業間的標準沖突,并重點解決多行業間接口問題。

因此,本文提出了一種總分結構的適用于多行業BIM成果融合應用的BIM標準組織架構,首先闡述多行業間的共性要求,形成項目基本規定;然后根據項目各行業特點,分行業闡述行業個性化需求;兼具行政管理與技術管理特色。

本標準框架主要分術語和縮略語、基本規定、信息模型應用、行業規定、附件五大部分,各章節主要內容如圖1所示。其中,基本規定章節闡述了各行業在BIM設計及交付過程中的通用性規定;信息模型應用章節從應用角度出發,指出地下段工程項目中信息模型的主要應用方向;行業規定章節從行業特定角度出發,分行業詳細闡述其相關要求;附件部分則列舉了標準正文中提及的各種表格和圖表文件。

3.1 基本規定

基本規定是雄忻高鐵地下段工程多行業BIM成果總裝集成應用需要規范和統一的關鍵要素,是本標準框架的核心約束,分為建模與交付基本原則和信息模型交付兩大部分。建模與交付基本原則部分約束了建模精度、信息深度、構件識別要求等基本原則;信息模型交付部分約束了模型審核、輕量化要求、交付結構等BIM交付信息。

3.1.1 統一坐標系

本標準統一采用新區城市坐標系,以減少因坐標系轉換造成的精度損失。

3.1.2 對設計資源發布系統要求

本項目所有設計成果均需基于設計資源發布系統進行發布管理。本標準就多行業BIM設計成果在交付物歸檔、外部數據接口、模型信息管理等方面的需求,對設計資源發布系統提出了明確要求。

3.1.3 統一GUID

為確保多行業BIM數據集成之后,構件能夠被準確地識別并支撐其全生命周期管理,本標準明確規定模型單元必須具備全局唯一標識符GUID(Globally Unique Identifier)。通過采用全球唯一標識符(GUID),確保了構件的唯一性,有效避免了重復情況的發生。

3.1.4 建模尺度約束

將BIM模型在GIS軟件中進行集成應用是BIM模型的一個重要應用。目前市面上所有的BIM設計軟件均采用平面直角坐標系,而GIS軟件均采用大地坐標系,也就是地理坐標系[9]。在平面直角坐標系向大地坐標系轉換的過程中,通常采用點投影的方式。部分軟件會將BIM模型的所有點均進行投影,另外一些軟件為提高計算速度,會采用僅投影BIM模型基點的方式,這會造成長大模型的明顯變形。為提高BIM模型向GIS軟件轉換時的兼容性,本標準規定線性工程模型單元幾何尺寸不宜大于2 km。

3.1.5 非結構化信息歸集

從建筑行業看,結構化數據信息通常只占建筑信息總量的15%～25%[10]。雄忻高鐵地下段工程作為綜合性建設項目,其非結構化數據的比例遠高于此。為提高信息的完整性,本標準以信息模型關聯文檔的形式對非結構化數據的內容進行了約束。信息模型關聯文檔主要包括:工程概況說明、地質縱斷面數據、鉆孔樁數據、管線數據、用地紅線數據、設計平面布置圖、規劃資料、河道用地范圍、保護區范圍、重要標注信息、勘察資料、模型材質文件等。信息模型關聯文檔可以以doc、docx、xlsx、dwg、txt、jpg、bmp、pdf等多種格式提交。

3.1.6 圖模一致性要求

目前,各設計單位在BIM設計方面通常采用先進行二維設計,然后再進行BIM設計的“翻模”方式。直接將BIM設計成果用于生成施工圖的實踐案例目前仍處于測試階段,大規模的實際應用相對較少。而且,現階段的“翻模”過程普遍以人工識圖建模為主,自動化程度較低。因此,在BIM設計過程中,經常會出現二維設計與BIM成果之間存在不一致的情況。

為解決這一問題,本標準針對圖紙和模型之間的一致性進行了嚴格的約束,以確保最終的BIM成果與二維設計之間能夠保持一致。這一條款旨在確保設計結果的準確性和可靠性,克服二維設計與BIM成果之間的不一致問題。

3.1.7 輕量化要求

鑒于雄忻高鐵地下段工程多行業、多專業、多平臺的特點,其BIM成果高度精細化,并具有龐大的模型數據規模,直接使用原始模型進行后續應用可能會導致加載速度慢、渲染效率低,甚至會造成集成平臺崩潰等問題。同時,受制于當前技術水平,BIM模型在不同平臺的BIM軟件之間進行轉換時,難以完全還原最初的建模過程,對BIM設計過程的修改也往往只能在原始建模平臺中進行。

因此,為降低模型體量,減輕后續單位應用BIM設計成果的復雜度,本標準規定所有交付的信息模型應剔除建模過程數據,僅保留最終設計成果。

3.1.8 交付物結構樹

需要滿足規建局報審、歐賽(OpenDesign)系統交付、CIM平臺交付等多項交付需求。本標準在編制過程中,綜合考慮各平臺要求,制訂明確的電子文件交付結構和命名規則。電子文件交付時應按“順序碼-項目名稱-階段-行業-線路-專業-設計單元”的層級結構組織。電子交付物應按“項目編號-項目名稱-設計階段-行業-線路-專業-設計單元-文件內容-版本號”的順序進行命名。交付物組織結構如圖2所示。

3.1.9 模型審核簽署單

與二維設計相比:一方面,BIM設計軟件種類多,軟件操作繁瑣,上手難度大,出錯概率高;另一方面,BIM設計成果的審核流程、審查制度均處于研究探索階段,尚未形成明確上位標準,且缺少自動化校核工具。以上多方面原因共同造成當前階段實際項目的信息模型質量參差不齊。

為保證地下段工程項目各單位BIM設計成果質量,必須結合現有技術手段,建立適當的文件送審制度,并以“模型簽署單”形式進行確認。標準中對模型送審及模型簽署單的具體內容進行了明確。

3.1.10 交付格式要求

在建筑領域,IFC是一種公開的且基于對象的標準交換格式,規范了建筑工程領域各個階段所涉及的各類信息[10],基本涵蓋了建筑項目全生命周期的應用需求。在鐵路領域,通過對IFC標準進行擴展的方式實現鐵路BIM數據存儲標準。近年來,各大BIM軟件對IFC格式的支持也越來越全面,達索、奔特利、歐特克三大平臺均能較好的支持IFC格式的輸出,因此本標準選取IFC格式作為交付的主格式。同時,規定交付電子文件時一并提交原廠格式文件(包括3d xml、rvt、dgn等),以便在IFC文件存在問題時進行校對。

3.2 信息模型應用

雖然BIM、CIM等方法近年來得到了快速發展,但現有信息模型成果仍無法滿足數字孿生等多樣化應用的需要,更不存在一種模型或建模方法能夠滿足所有應用場景需求。信息模型的應用需求將直接影響建模的范圍、精度、格式等關鍵內容,因此,建立靈活且適用于項目多應用需求的信息模型是一種發展趨勢。在本標準框架中,通過對雄忻高鐵地下段工程設計及設計交付階段各應用需求的進一步分解,明確了在設計優化、虛擬現實應用、空間校核等應用的實施內容、實施過程。

圖2 交付物組織結構

同時,為解決傳統工程項目組織模式中存在的BIM應用責任主體不明確、參與方之間推諉問題,本標準框架在制訂過程中,通過業主組織各參與方提前預設責任分工的方式,明晰了BIM應用實施的各方責任,為BIM應用的順利落地掃清了障礙。

3.3 行業規定

行業規定章節按行業細分為鐵路區間工程、鐵路地下站及配套工程、市政工程、水利工程和園林工程五個部分,分別闡述了鐵路、市政、水利等行業在各自領域的特異性需求。本章內容是在各行業標準框架的約束下,結合地下段工程的應用需求,對各行業標準進行項目級內容的適配和深化。

每個行業都被細分為11個小節,包括BIM設計范圍、設計單元劃分、采用標準、建模軟件、建模內容、組織結構、幾何表達精度、信息深度、命名規則、顏色與材質、數字移交。這些小節詳細規定了本行業在地下段工程BIM建模和交付中各項內容。在BIM設計范圍小節中,對BIM設計的里程范圍、長度信息和主要工點信息進行了闡述;設計單元劃分小節詳細說明了設計單元的具體劃分情況;采用標準小節明確了本行業在BIM建模和交付中應用的其他標準;建模軟件小節對采用的BIM建模軟件進行了限定;建模內容小節明確了進行BIM建模的專業和具體內容;組織結構小節闡述了本行業BIM建模和交付中采用的構件層級結構;幾何表達精度小節規定了BIM成果在幾何維度的精度;信息深度小節規范了BIM成果的屬性信息內容;命名規則小節對BIM建模過程中各節點的命名規則和交付過程中各文件的命名規則進行了限制;顏色與材質小節對BIM成果的顏色和材質信息進行了約束;數字移交小節規定了BIM成果交付的格式和方式。

4 標準驗證與發布

本標準的形成經過初稿編制、討論修改、專家評審、項目驗證、上位標準對齊等多個階段。2020年7月本標準進行了專家評審。評審會之后,本標準在雄忻高鐵地下段工程BIM總裝集成工作中進行了驗證性試驗。2020年8月～12月期間,應用本標準在“雄忻高鐵地下段工程BIM虛擬現實系統”中成功對雄忻高鐵地下段工程鐵路、市政、園林、水利等多個行業的數據進行總裝集成。系統集成后體積達到40 GB,經優化后約25 GB,運行流暢,系統集成效果如圖3所示。

5 總結與展望

本標準框架的創新包括三個方面:①緊密圍繞雄忻高鐵地下段工程的多行業、多專業融合需求,首次總結并提出了一套適用于該項目的跨行業、綜合性BIM建模與交付標準。這一標準框架在項目實施中成功應用,對于類似多行業綜合體項目的建設和交付提供了有力的借鑒。②綜合考慮了多行業的共性要求,形成項目的基本規定;然后根據鐵路、市政等行業的特點,分行業詳細闡述各行業的需求,層次結構清晰,適用性強。③標準框架中明確了BIM應用各方的分工責任,為標準的有效實施排除了障礙。

圖3 雄忻高鐵地下段工程BIM虛擬現實系統集成效果(地下空間標準斷面)

本標準框架在雄忻高鐵地下段工程的實施過程中取得了顯著成效,未來擬主要從以下兩個方面開展進一步工作:①應加大軟件研發力度,如信息模型自動審核工具、模型顏色自動修改工具等,降低人力資源成本,促進標準高效落地。②應細化各項應用的流程,形成操作手冊,讓應用實施過程有章可循。