基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造關鍵技術研究

朱 一

（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）

近年來，BIM（Building Information Modeling）技術被廣泛應用于建筑行業，貫穿于項目規劃、設計、施工、運營維護等全生命周期，在為參建各方提供協同工作平臺、提高生產效率和建筑質量、節約成本并縮短工期方面有明顯效果[1]。利用BIM技術在鐵路工程施工階段前期對施工全過程進行虛擬建造，有利于驗證施工方案的可行性并加快決策速度，從而切實提高工程建設效率。

目前，已有眾多學者在BIM虛擬建造方向做了相關研究。王勝軍[2]提出了一套基于BIM 4D虛擬建造技術的施工進度管理方案，實現了施工信息的高效整合，為施工進度管理與進度優化提供依據；王孟鈞等人[3]基于BIM和地理信息系統（GIS，Geographic Information System），從模式、方法及實現過程對BIM和GIS技術集成的有效途徑進行分析，從設計界面、虛擬建造和協同平臺3個維度探索我國智慧城市與城市軌道交通發展路徑；曾昊等人[4]提出基于BIM的鐵路隧道附屬洞室設計方法，配合BIM軟件的二次開發，有效地打通隧道設計上下游數據，顯著提升隧道設計智能化水平；彭濤[5]研發并設計了基于.NET6技術的鐵路BIM可視化綜合應用系統，通過工業基礎類（IFC，Industry Foundation Class）文件解析轉換、數模分離及屬性數據存儲等技術，實現了BIM解析、部署、應用一體化及動態場景演示等功能。以上研究均為BIM在鐵路行業的信息化建設作出了有益探索。

本文基于以上研究，針對鐵路施工專業特點，提出基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造關鍵技術研究，通過文檔流程引擎、電子沙盤動態更新及基于BIM的仿真模擬等技術，為BIM在鐵路工程的全面應用提供支撐。

1 鐵路工程單元劃分

鐵路單位工程是按一個完整工程或一個相當規模的施工范圍來劃分的，為形成鐵路工程施工標準化流程，根據施工工藝、建設要求及管理要求等因素，把鐵路工程按功能、專業、工項、構件等進行單元劃分，示例如圖1所示。

圖1 鐵路工程單元劃分示例

根據BIM構件標準化的思路，對鐵路站前各專業及站后四電專業的標準構件進行面分類法分類。其中，將站前專業構件分類分為兩級，第一級按照專業類別進行分類，如鐵路工程共享專業及路基專業等，每個專業內再依據中國鐵路IFC 標準從構件功能角度進行分類；將站后四電專業構件分類分為兩級，第一級按照四電專業內的各個子專業進行分類，如公共類型專業及通信專業等，每個子專業內再依據中國鐵路 IFC 標準從功能角度進行分類。施工單元對應于BIM模型構件，依據分類后的數據構建BIM構件庫，實現BIM構件的標準化管理，為設計成果的規范化交付提供數字化條件。

2 基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術路線

虛擬建造是應用于施工過程模擬與分析的數字化、可視化方法，本文在對鐵路工程單元進行劃分的基礎上，提出基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術路線，如圖2所示。

圖2 工程單元虛擬建造技術路線

（1）基于BIM技術，以零部件為基礎，對重點施工單元進行精細化建模；

（2）從空間結構及功能需求方面對施工單元的模型進行優化；

（3）根據既有工藝工法及施工進度計劃，跟蹤推演重點單元的施工過程；

（4）BIM 模型與進度計劃導入 CarsView 圖形引擎，開展虛擬建造；

（5）改進、優化流程并評估其可行性，進行虛擬建造成果展示[6]。

與傳統施工單元優化相比，基于BIM的虛擬建造單元優化通過將BIM與施工進度信息融合，開展單元施工模擬，檢查進度計劃的時間參數是否合理、工作間的邏輯關系是否準確等，可對項目的進度計劃進行全面檢查和優化。

3 關鍵技術

3.1 文檔流程引擎

文檔流程引擎技術[7]用于實現文檔的創建、流轉和歸檔，支持文檔辦理的在線留痕，同時，依托成熟的存儲系統和文檔元數據管理，完成文檔的可靠存儲和基于元數據的高效檢索。鐵路工程涉及的文檔具有類型多、數據量大、業務復雜、關聯性強、接入應用多、管理變化快等特點，因此本文從文檔最基礎的特性入手進行文檔總線的分析和設計，同時在設計過程中根據鐵路行業業務特點，充分考慮靈活性與擴展性，研究適用于鐵路行業的資料管理技術。流程引擎包含以下核心組件。

（1） 流程設計器：用于創建和編輯業務流程圖，可以通過可視化的方式定義流程步驟、條件和分支。

（2） 流程執行引擎：用于執行業務流程，自動執行流程步驟、檢查條件和分支，并根據流程定義進行處理。

（3）流程監控工具：用于監控流程的實時狀態和進度，提供跟蹤和診斷工具，以便快速發現和解決問題。

文檔流程引擎技術架構如圖3所示。

圖3 文檔流程引擎技術架構

從底層的數據庫及文檔文件的商用存儲系統中獲取數據，通過工作流引擎、文檔存儲服務、電子簽章服務、Office插件等屏蔽底層細節，從而實現包括文檔創建、流轉和歸檔的業務功能。

基于文檔流程引擎技術，可將鐵路工程建設項目各方單位（包括建設單位、參建單位等）基于文檔的線下管理流程轉至線上Web端進行，大大節約了文檔傳送和審批的時間，簡化了操作流程，提高了工作效率。

3.2 電子沙盤動態更新

電子沙盤將傳統的二三維展示進行了極大的改良，無論在展示方式、展示手段及展示效果上都有眾多創新，為使用者提供一種全新的交互體驗[8]。電子沙盤通過真實的三維地理信息數據，實時動態查找每一個點的地理信息，如三維坐標、高度、坡度及遠景規劃等信息。

基于虛擬建造的電子沙盤融入了輕量化BIM模型和傾斜攝影模型，結合GIS數據，實現虛擬場景建造。通過數據接口接收設計及施組信息，并以數據驅動電子沙盤進行實時更新，展示最新的施組計劃、施工進度及設計工程量等信息。電子沙盤支持對工程實際環境和構筑物快速查看，進行一系列如施工進度、工藝工法、屬性、檢驗批、工程影像、工程量、飛行預覽、標繪、測量、分析模擬（陽光、雨、雪）、視頻監控等瀏覽和操作。

3.3 基于BIM的仿真模擬

對BIM數據進行輕量化處理，結合GIS技術將現實中的地理空間位置賦值于 BIM數據，通過SuperMap iServer存儲和發布，構建鐵路施工的三維仿真場景，實現項目的數字孿生。在此過程中，主要涉及以下幾個步驟。

3.3.1 三維建模

利用傾斜攝影技術，通過搭載傾斜攝影設備的無人機進行航拍獲取施工現場影像數據；對獲取到的航空傾斜影像進行高精度三維尺度空三處理，提取有效視角像對進行點云匹配，并以此構建三角網，在經過一系列對三角網的過濾和優化后，從傾斜影像中選取最佳視角圖片用于三維模型的紋理生成；將模型中的重要構筑物進行單體化處理，并與設計模型進行融合，生成一個集成了 BIM 數據的三維場景，促進模型迭代更新和數據完整傳遞。

3.3.2 三維協同設計

通過Bentley三維協同設計平臺，實現各專業間的數據實時共享和協同工作。具體步驟包括：三維模型的建模與組裝，實現設計的規范化及統一性；將模型導入OpenRoads Designer進行碰撞檢查并對模型進行優化，防止模型間的錯、漏與碰撞；形成數字化模型，并能對模型信息進行精確分類統計，以此獲得高效精確的設計成果。

3.3.3 成果集成展示

將BIM模型用于3D可視化，需要對其進行輕量化處理及外觀優化處理。對處理后的模型按照IFC標準組織數據， 或者轉換成OBJ、DirectX、OSG等成熟的三維引擎支持的格式。模型展示模塊采用 ActiveX 控件，可展示輕量化模型信息、模型視圖、對象效果、場景剖切、測量和標注。同時，可通過標準化接口自動錄入模型構件屬性，并可手工對構件屬性進行增、刪、改等編輯操作。

4 研究成果應用

本文研究的基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術現已應用于某鐵路線路實際施工中，應用效果如圖4所示。

圖4 研究應用成果展示

（1）綜合展示電子沙盤，融入輕量化 BIM 模型和傾斜攝影模型，結合 GIS 數據信息，實現虛擬場景建造，可在其中對工程實際環境和構筑物進行快速查看、修改等操作。

（2）施工進度管理和施工臺賬，可按照需求編制施工計劃，掛接對應 BIM 模型，自動生成甘特圖，體現關鍵線路，根據結構分層級，實現更加自主和精細化的管理；可保留修改計劃的歷史記錄，做到可追溯；可對每一項計劃提出派發和完成要求，實時完成，實時閉環。

（3）三維技術交底和虛擬樣板的結合，使得施工人員無論是在 PC 端還是在移動端都能更加形象、方便、容易地去理解，加速施工的質量、安全和效率。

5 結束語

本文研究基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術，詳細闡述文檔流程引擎、電子沙盤動態更新、基于BIM的仿真模擬等關鍵技術，將其應用于鐵路工程實際施工，驗證了該技術路線在鐵路行業的適用性。未來將采集更加多源的數據并整合管理，從而進一步增強 BIM 技術在鐵路工程中的應用廣度和深度。