鐵路專用線BIM正向設(shè)計思考

摘" 要：隨著TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，鐵路BIM正向設(shè)計進(jìn)入一個新階段。該文通過研究國際國內(nèi)BIM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程，說明鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)與建筑BIM標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，通過研究國內(nèi)外主流BIM設(shè)計軟件并結(jié)合工程案例展示鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的實際應(yīng)用，最后結(jié)合鐵路專用線設(shè)計的實際需求和規(guī)范要求，提出基于Dynamo軟件的正向設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：鐵路專用線；BIM標(biāo)準(zhǔn)；正向設(shè)計；Dynamo；鐵路通信

中圖分類號：U284" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0107-04

Abstract： With the release of the unified standard of railway engineering information model， the forward design of railway BIM has entered a new stage. By studying the development process of international and domestic BIM standards， this paper illustrates the relationship between railway BIM standards and building BIM standards， and shows the practical application of railway BIM standards by studying the mainstream BIM design software at home and abroad and combining with engineering cases. Finally， according to the actual requirements and specification requirements of railway special line design， the forward design idea based on Dynamo software is put forward.

Keywords： railway private line; BIM standard; forward design; Dynamo; railway communication

BIM（建筑信息模型）目前已成為工程建設(shè)信息化領(lǐng)域廣義的集合概念，內(nèi)涵十分豐富，可以體現(xiàn)為建設(shè)工程決策、設(shè)計、施工和運營等全生命周期所維護(hù)的“模型”，也可以體現(xiàn)為建立“模型”所需的成套的方法和工具。BIM技術(shù)在未來還有望成為進(jìn)入“數(shù)字孿生”這一理想國的基本路徑。BIM“模型”在生命周期不同階段的功能需求大不相同，在不同行業(yè)領(lǐng)域的分解結(jié)構(gòu)大不相同，再加上不同地域的個性化要求、不同設(shè)計方的利益導(dǎo)向和不同軟件開發(fā)商的市場細(xì)分差異，就造成建立“模型”的方法和工具多種多樣，進(jìn)而難以在BIM技術(shù)的應(yīng)用上形成規(guī)模效應(yīng)[1]。而工程建設(shè)信息化的推進(jìn)離不開效率和效益的提高，因此追求統(tǒng)一的、適用性廣泛的方法與工具成為必由之路。

1" 鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)

1.1" 鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

2012年，根據(jù)《關(guān)于印發(fā)2012年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂修訂計劃的通知》（建標(biāo)〔2012〕5號），住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部開始組織編制民用建筑領(lǐng)域BIM國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2016年發(fā)布GB/T 51212—2016《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，2017年發(fā)布GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 51235—2017《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，2018年發(fā)布GB/T 51301—2018《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ/T 448—2018《建筑工程設(shè)計信息模型制圖標(biāo)準(zhǔn)》，2021年發(fā)布GB/T 51447—2021《建筑信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》。2017年以來，北京、山東、吉林、遼寧、安徽、湖南、重慶和廣州等省市相繼發(fā)布地方性民用建筑BIM規(guī)范和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，并在招投標(biāo)、設(shè)計、施工和竣工驗收等階段進(jìn)行應(yīng)用探索。2021年，交通運輸部發(fā)布JTG/T 2420—2021《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等3部公路工程BIM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2014年，根據(jù)鐵路總公司鐵路工程建設(shè)信息化總體方案，鐵路BIM聯(lián)盟理事會組織相關(guān)單位，開始鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)研究，并于2014年至2018年間，陸續(xù)發(fā)布了T/CRBIM 001—2014《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南（1.0版）》、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》和T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》等13項團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

2021年，國家鐵路局發(fā)布我國首部鐵路BIM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2" 鐵路BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)淺析

BIM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)體系最先由建筑行業(yè)提出并建立，20世紀(jì)90年代起國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）開始制訂建筑信息分類編碼統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，buildingSMART組織（前身為國際數(shù)據(jù)互用聯(lián)盟）開始制訂數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。目前，兩大國際組織制定的ISO 12006-2、ISO 12006-3及IFC標(biāo)準(zhǔn)，是建筑信息能夠統(tǒng)一數(shù)據(jù)化描述和交換的基礎(chǔ)，均已成為事實上的BIM標(biāo)準(zhǔn)。2012年，美國建筑科學(xué)研究院發(fā)布美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)第二版（NBIMS-US V2）[2]，明確了BIM標(biāo)準(zhǔn)體系和引用的國際標(biāo)準(zhǔn)，其中就采用了IFC（工業(yè)基礎(chǔ)類）標(biāo)準(zhǔn)（圖1）、基于ISO 12006-2的OmniClass（現(xiàn)代建筑信息分類體系）標(biāo)準(zhǔn)和基于ISO 12006-3的IFDlibrary（國際數(shù)據(jù)字典框架庫）標(biāo)準(zhǔn)和XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）標(biāo)準(zhǔn)等，在后來2015年發(fā)布的美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)第三版（NBIMS-US V3）中又引入了LOD（精細(xì)度，后用于描述模型成熟度）等標(biāo)準(zhǔn)。

NBIMS的BIM體系框架中，將BIM標(biāo)準(zhǔn)分為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)面向的是軟件開發(fā)者，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)面向的是工程實施者。其中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為3類：數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（IFC、XML）、信息語義標(biāo)準(zhǔn)（OmniClass、IFD）和信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)（IDM）。在后來的各類研究文獻(xiàn)中，一般采用IFC、IFD和IDM來代表這3類標(biāo)準(zhǔn)。后來各國發(fā)布的這3類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有的采用了國際標(biāo)準(zhǔn)，有的是基于國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制定的新標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化在國內(nèi)外均取得了不錯的進(jìn)展，但在各軟件開發(fā)商的響應(yīng)方面卻不盡相同。

2011年，清華大學(xué)BIM課題組發(fā)布了《中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架研究》第一版（CBIMS），體系結(jié)構(gòu)和NBIMS類似。后來建設(shè)部組織編制建筑領(lǐng)域BIM國家標(biāo)準(zhǔn)，借鑒了國際BIM標(biāo)準(zhǔn)，也兼顧國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范，形成了3個層次的標(biāo)準(zhǔn)體系[2]。第一層次為最高要求，包括GB/T 51212—2016《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》；第二層次為基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 51447—2021《建筑信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》；第三層次為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T 51301—2018《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ/T 448—2018《建筑工程設(shè)計信息模型制圖標(biāo)準(zhǔn)》。

鐵路行業(yè)相較于建筑行業(yè)，在信息化方面所面臨的問題更為復(fù)雜，除了包含民用建筑行業(yè)的全部需求，在地理信息、橋梁、隧道和電氣化等領(lǐng)域有更深入的要求，在線路、路基和信號等專業(yè)有特殊的要求，并且BIM模型的地域范圍和數(shù)據(jù)量也更大。因此，除了參照建筑BIM標(biāo)準(zhǔn)，鐵路行業(yè)必須制定和推廣適合于鐵路行業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)，必須開發(fā)適合于鐵路行業(yè)的BIM軟件工具。

鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的13項BIM標(biāo)準(zhǔn)，也借鑒國際BIM標(biāo)準(zhǔn)體系和建筑BIM國標(biāo)體系[3]，可分為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。其中，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中T/CRBIM 001—2014《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南（1.0版）》參考現(xiàn)行鐵路專業(yè)和工程量清單進(jìn)行實體線性分解和編碼，可以為每個實體構(gòu)造物在樹形結(jié)構(gòu)里找到位置；T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》參考ISO 12006-2和現(xiàn)行國標(biāo)對建筑物、建筑空間、專業(yè)領(lǐng)域、功能、形式、構(gòu)件、工項、項目階段、人員角色、組織角色、產(chǎn)品、特性和地理信息等進(jìn)行分類和編碼，是較為詳盡的IFD標(biāo)準(zhǔn)，可以為模型和子構(gòu)件賦予相應(yīng)編碼[4]；T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》在IFC 4×1的標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行了擴(kuò)展，為除建筑外的其他專業(yè)采用EXPRESS語言（信息建模語言）定義了IFC屬性集[5]；T/CRBIM 005—2017《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》將各專業(yè)模型幾何的表達(dá)精度、成熟度分為4個層級進(jìn)行了統(tǒng)一要求（表1）。

國家鐵路局發(fā)布的TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，則是參照國標(biāo)體系，從第一個層次明確了鐵路工程信息模型實施主體責(zé)任、應(yīng)用階段、信息分類、數(shù)據(jù)存儲、信息交換和保密安全等方面的總體要求。

2" 鐵路BIM工具及正向設(shè)計案例

BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的落地離不開軟件及輔助工具的支持，BIM技術(shù)體系因不同地域、行業(yè)有所差異，對于軟件開發(fā)商而言則難以全部兼顧。目前能夠提供行業(yè)級整體解決方案的BIM軟件公司主要有歐特克Autodesk（AutoCAD、Revit、Civil3D、Navisworks和Dynamo）、本特利Bentley（MicroStation、ProjectWise、OpenRoads、OpenRail和OpenBridge）、達(dá)索Dassault（CATIA、SolidWorks、DELMIA、3DVIA和3DE）、圖軟Graphisoft（ArchiCAD）、McNeel（Rhino、Grasshopper）和谷歌Google（SketchUp）等。

各大軟件公司的優(yōu)勢不同，Autodesk公司的Revit系列軟件在國內(nèi)建筑行業(yè)應(yīng)用最為廣泛，且促生了紅瓦、畢馬匯、盈建科、廣廈、廣聯(lián)達(dá)和魯班等一批輔助工具供應(yīng)商，設(shè)計、施工和運維各階段及算量、計價和出圖各環(huán)節(jié)均有效提高了生產(chǎn)效率。Bentley公司的軟件基于MicroStation的統(tǒng)一平臺，在公路、鐵路和橋梁等市政工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。Dassault公司的3DE平臺在橋梁隧道設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。除此之外，Rhino在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用較多，同時SketchUp在園林設(shè)計領(lǐng)域中應(yīng)用較多。

國產(chǎn)軟件商中，北京構(gòu)力科技有限公司開發(fā)的PKPM-BIM、廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司開發(fā)的BIMMAKE等在民建領(lǐng)域均有建樹。

2014年鐵路建設(shè)工程信息化總體方案發(fā)布以來，各大設(shè)計院所、施工單位都有不同程度的BIM應(yīng)用。實踐中建筑專業(yè)軟件可選Revit、Rhino，橋梁隧道專業(yè)可選OpenBridge、3DE，站場路基專業(yè)可選Civil3D，線路專業(yè)可選OpenRail。由于鐵路行業(yè)的特殊性，目前的條件下，要實現(xiàn)成熟度為3級（多階段應(yīng)用、多方協(xié)同和制圖算量）的完整項目建模，必然要使用不同公司的軟件，而上下游專業(yè)之間相互銜接的工作數(shù)據(jù)，在不同公司的軟件平臺間無法做到流暢交換，因此鐵路BIM正向設(shè)計難度陡增。

行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)的目的之一，就在于推動各大軟件公司做到模型的數(shù)據(jù)存儲、信息語義和信息傳遞均標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，然而難度同樣很大。軟件公司均傾向于在自身的平臺系統(tǒng)中實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。目前最適合鐵路行業(yè)的軟件系統(tǒng)無疑是Bentley公司基于MicroStation平臺的OpenRail設(shè)計軟件，該軟件可以基本實現(xiàn)鐵路站前專業(yè)的正向設(shè)計，且對長大線路支持良好，然而其房建設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算和出圖算量等功能卻不能滿足3級的深度要求，需要二次開發(fā)或單獨使用Revit等軟件建模。除此之外，其他如通信、信號專業(yè)，該平臺沒有現(xiàn)成的軟件，只能進(jìn)行二次開發(fā)。

西安至十堰高速鐵路是第一個全線全專業(yè)推進(jìn)BIM正向設(shè)計的鐵路項目[6]，由鐵一院設(shè)計，主要采用Bentley平臺的MicroStation、OpenRailDesigner、Substatio、ProjectWise及CityMaker等軟件，同時進(jìn)行了大量二次開發(fā)。通過該項目的實踐發(fā)現(xiàn)，軟件功能和傳統(tǒng)設(shè)計流程的契合度還不足，推進(jìn)BIM正向設(shè)計還需要進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)計軟件對標(biāo)準(zhǔn)的支撐，需要以數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為核心，需要多專業(yè)協(xié)同平臺的建設(shè)。

方法和工具的統(tǒng)一是推動BIM正向設(shè)計的合理路線，關(guān)鍵在于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、軟件和設(shè)計方法的統(tǒng)一。各大鐵路設(shè)計院在前期構(gòu)建協(xié)同平臺時，基于Autodesk、Bentley和Dassault等公司的平臺均有嘗試，在長大線路方面，漸漸趨向于Bentley平臺，在其他站場、橋隧等單項工程方面，則各有優(yōu)勢。2018年中交一公院和Bentley公司合作研發(fā)的道路工程BIM正向設(shè)計軟件CNCCBIM OpenRoads發(fā)布，有效推動了道路設(shè)計的國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和建模方法的統(tǒng)一。由于鐵路行業(yè)的特殊性，今后鐵路BIM軟件的發(fā)展在市場競爭的環(huán)境下，可能會存在多個公司平臺不斷完善共存的情況。

3" 鐵路專用線BIM正向設(shè)計

隨著TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，后續(xù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)將更新。在鐵路BIM正向設(shè)計這條道路上，先走通者將占據(jù)市場優(yōu)勢，這也必然要付出巨大的努力。

鐵路專用線相較于干線鐵路，區(qū)間短、橋隧少及建設(shè)周期短，Bentley平臺的優(yōu)勢減少，通過分析選型[7]，Autodesk公司的系列軟件支持IFC標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)市場應(yīng)用廣泛，基于Autodesk平臺的正向設(shè)計體系具備一定優(yōu)勢。本文針對鐵路專用線工程，提出基于Autodesk平臺Dynamo、Revit、Civil3D軟件及傳統(tǒng)鐵路選線軟件的正向設(shè)計思路，以期實現(xiàn)成熟度2級（單階段、多專業(yè)協(xié)同和簡單公共數(shù)據(jù)環(huán)境）的BIM模型應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳遞統(tǒng)一，可視化簡單，可以在前期規(guī)劃、招投標(biāo)階段取得相對優(yōu)勢。

基本步驟如下。

①基于測量圖，采用傳統(tǒng)鐵路選線軟件（RLDVS等）進(jìn)行選線設(shè)計，定義線路中心線。②基于線路中心線數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理時滿足IFC標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)入Dynamo軟件中生成空間曲線。③基于測量圖的點云數(shù)據(jù)，在Civil3D軟件中生成地質(zhì)模型曲面，導(dǎo)入Dynamo中的空間曲線進(jìn)行線路驗證和調(diào)整，確定場平數(shù)據(jù)。④基于空間曲線，使用Dynamo程序化設(shè)計語言進(jìn)行放樣，布置軌枕、軌道和道床。基于道床曲面，使用Dynamo進(jìn)行橋梁、隧道定位及布置。基于軌道和橋隧的空間位置進(jìn)行接觸網(wǎng)、信號設(shè)備布置。⑤使用Revit軟件進(jìn)行站房設(shè)計，包括建筑、結(jié)構(gòu)、電氣化和機(jī)房布置等，導(dǎo)入Dynamo中。⑥基于Civil3D軟件中的地質(zhì)模型曲面，導(dǎo)入Dynamo中的空間模型進(jìn)行場平優(yōu)化和管網(wǎng)設(shè)計。⑦在Civil3D軟件中完成模型調(diào)整、優(yōu)化，利用NavisWorks或Lumion軟件進(jìn)行模型動畫展示。⑧優(yōu)化Dynamo程序模型和數(shù)據(jù)，進(jìn)行合規(guī)處理，編制交付文件。

上述方法的核心在于利用Dynamo軟件強(qiáng)大的程序化設(shè)計功能，導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)和階段性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，流程化生成模型。利于鐵路專用線設(shè)計單位的低成本高效率建模。該方法借鑒了目前民建領(lǐng)域Rhino+Grasshopper的建模方案。

上述方法雖然免去了二次開發(fā)過程，但搭建適用性廣泛的Dynamo程序架構(gòu)依然具有挑戰(zhàn)性，Dynamo作為Revit和Civil3D間的橋梁，需要深入匹配2種軟件的操作屬性。上述方法的優(yōu)勢在于具備后續(xù)優(yōu)化的空間，如可以直接利用Civil3D進(jìn)行選線和土方設(shè)計，可以利用Revit進(jìn)行隧道和橋梁設(shè)計后加入Dynamo模型中，可以利用Revit所支持的設(shè)計插件快速進(jìn)行強(qiáng)弱電、裝修設(shè)計，可以在Civil3D中導(dǎo)出CAD平面圖。最終形成的Dynamo模型包含成熟度2級的模型數(shù)據(jù)，而Revit和Civil3D包含某一單項工程成熟度3級的模型數(shù)據(jù)。

在后續(xù)Dynamo應(yīng)用中，需要增加對曲線超高、道岔分組、接觸線及支柱的支持，需要在模塊和構(gòu)件屬性中加入現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所要求的存儲及編碼信息，需要支持以XML格式或IFC格式導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)。

4" 結(jié)束語

鐵路BIM正向設(shè)計，可以預(yù)見是一個方法與工具不斷磨合的過程，要實現(xiàn)BIM技術(shù)所帶來的種種便利，必須進(jìn)行技術(shù)探索和人才積累。在統(tǒng)一的設(shè)計工具和設(shè)計方法完成之前，結(jié)合實際需求進(jìn)行多種嘗試是必要的。本文提出的基于Dynamo+Civil3D+Revit的專用線正向設(shè)計思路成本低效率高，并且市場應(yīng)用廣泛、配套工具多，具備一定優(yōu)勢。

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