我國鐵路BIM研究現(xiàn)狀分析與發(fā)展路線探索

摘要：隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，數(shù)字化、智能化已成為大勢所趨。BIM技術(shù)作為鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)，在我國鐵路行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。調(diào)研國內(nèi)外鐵路BIM研究現(xiàn)狀，分析我國鐵路BIM發(fā)展現(xiàn)存問題，初步探索BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用，制定完善基礎(chǔ)、加強(qiáng)應(yīng)用、智能提升的三階段發(fā)展路線，并通過不斷完善保障機(jī)制，為鐵路BIM發(fā)展提供思路，具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：鐵路；BIM；研究現(xiàn)狀；發(fā)展路線

0 引言

近年來，我國鐵路工程建設(shè)發(fā)展迅猛，高鐵網(wǎng)“四縱四橫”提前建成，“八縱八橫”加密成型。宏大的鐵路規(guī)模、復(fù)雜的建設(shè)環(huán)境、精益的建設(shè)質(zhì)量，對輔助施工技術(shù)手段提出了更高要求。

自2013年建筑信息模型（BIM）被確立為鐵路信息化的主要技術(shù)框架，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)得到大范圍應(yīng)用，并取得良好成效。同時，隨著BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用，越來越多的問題顯現(xiàn)，如現(xiàn)有BIM標(biāo)準(zhǔn)體系不完善、本土BIM軟件缺失、BIM技術(shù)應(yīng)用能力不平衡等。因此，深入分析國內(nèi)外鐵路BIM研究現(xiàn)狀，基于我國鐵路BIM發(fā)展不足，對其發(fā)展路線進(jìn)行探索十分必要。

1 國內(nèi)外鐵路BIM研究現(xiàn)狀

1.1 國外鐵路BIM研究現(xiàn)狀

1.1.1 總體規(guī)劃

近10年來，各國BIM技術(shù)在各國政府引導(dǎo)下逐步發(fā)展。德國、法國、日本、韓國等國家陸續(xù)出臺鐵路行業(yè)BIM技術(shù)推進(jìn)規(guī)劃，為BIM技術(shù)發(fā)展指明了方向和目標(biāo)。

德國于2016年出臺“鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略”（鐵路4.0），以提升乘客滿意度為目標(biāo)，深入到生產(chǎn)、運(yùn)營、維修養(yǎng)護(hù)、客戶交互等鐵路系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，全面支撐德國運(yùn)輸4.0計劃。法國國營鐵路集團(tuán)于2015年推出“數(shù)字化法鐵”項(xiàng)目，計劃依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將列車、路網(wǎng)、站房三大區(qū)域用網(wǎng)絡(luò)連接起來，未來為客戶建立一個綠色可持續(xù)、便捷智能的鐵路系統(tǒng)。JR東日本鐵路公司制定了《技術(shù)創(chuàng)新中長期規(guī)劃》，從安全、營銷、運(yùn)營、能源4個方面提出開展基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的“運(yùn)輸革命”。韓國鐵路制定了面向2030年的鐵路BIM發(fā)展路線圖，以鐵路基礎(chǔ)設(shè)施為核心，將BIM發(fā)展劃分為轉(zhuǎn)化、雙軌、整合、精益、智能5個階段。

1.1.2 標(biāo)準(zhǔn)體系

國外與BIM標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究起步較早。在BIM技術(shù)應(yīng)用較為先進(jìn)的國家，BIM標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)被制定并付諸實(shí)施，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）也陸續(xù)推出了ISO 19650等系列標(biāo)準(zhǔn)，初步解決了不同國家、不同專業(yè)之間的標(biāo)準(zhǔn)流通障礙問題，但鐵路行業(yè)目前尚未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.1.3 工程應(yīng)用

BIM技術(shù)已在國外鐵路項(xiàng)目的全生命周期得到應(yīng)用，水平不斷提高，應(yīng)用價值和應(yīng)用效果得到驗(yàn)證。各國鐵路BIM典型應(yīng)用項(xiàng)目見表１。

1.1.4 軟件支持

國外對BIM軟件研發(fā)起步較早，至今已經(jīng)形成較為成熟的應(yīng)用體系。國外軟件開發(fā)商針對BIM技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用已開發(fā)出各種不同的BIM軟件，以適用于不同生命周期階段和領(lǐng)域功能。目前，美國的Autodesk公司、Bentley公司及法國的Dassault公司是BIM設(shè)計軟件市場三大主流軟件開發(fā)公司。此外，芬蘭的Progman公司開發(fā)的MagiCAD，以及Tekla Corp公司開發(fā)的Tekla Structures等也應(yīng)用較多。國外先進(jìn)的BIM軟件為項(xiàng)目不同參與方利用BIM技術(shù)提高各自的工作質(zhì)量和效率提供了保障，同時為實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)對整個工程建設(shè)行業(yè)價值最大化提供了重要的技術(shù)支持。

1.1.5 推進(jìn)組織

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織下屬面向工程領(lǐng)域信息化管理方向的技術(shù)委員會負(fù)責(zé)ISO 19650等一系列BIM標(biāo)準(zhǔn)的制定及維護(hù)，成果部分用于鐵路行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)。建筑智慧國際聯(lián)盟（bSI）自1995年成立以來，通過創(chuàng)建開放的國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系，組織各類學(xué)術(shù)交流活動，推動BIM技術(shù)全生命周期各參與方信息交流與協(xié)同合作，現(xiàn)已成立專門的鐵路工作組，負(fù)責(zé)推動鐵路行業(yè)BIM發(fā)展。此外，各個國家和地區(qū)也分別成立了相關(guān)推進(jìn)組織，如歐洲鐵路研究咨詢委員會等，其在推動各自BIM應(yīng)用發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。

1.2 國內(nèi)鐵路BIM研究現(xiàn)狀

1.2.1 總體規(guī)劃

2013年，我國鐵路BIM技術(shù)研究總體規(guī)劃出臺，陸續(xù)設(shè)立數(shù)據(jù)平臺、全生命周期關(guān)鍵技術(shù)及路基、橋梁、隧道、客站、四電、成段落應(yīng)用、建設(shè)管理應(yīng)用、BIM輕量化、圖形引擎等40余項(xiàng)科研課題，針對關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)施策略、規(guī)章制度等一系列相關(guān)問題展開研究，并取得了良好成效。自此，我國BIM技術(shù)開始應(yīng)用于鐵路工程并逐漸發(fā)展。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)體系

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，國家鐵路局于2021年3月印發(fā)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（TB/T 10183—2021），該標(biāo)準(zhǔn)是推動鐵路工程BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。在團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)方面，鐵路BIM聯(lián)盟作為推動國內(nèi)鐵路BIM發(fā)展的重要團(tuán)體組織，正式發(fā)布了3項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和7項(xiàng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，以及其他共計16項(xiàng)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)，初步形成了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架。我國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架如圖1所示。

1.2.3 工程應(yīng)用

鐵路各設(shè)計院、施工單位、鐵路局相繼開展BIM技術(shù)應(yīng)用推廣，建立以數(shù)據(jù)為核心、數(shù)據(jù)流為主線，以BIM+GIS、云計算為主要技術(shù)特征，以標(biāo)準(zhǔn)為行為規(guī)范，以協(xié)同設(shè)計、建設(shè)、施工管理平臺為載體，新理念、新技術(shù)與建造過程深度融合，交付數(shù)字孿生鐵路資產(chǎn)的新建造模式。組織開展了以京張高鐵、京雄城際鐵路為代表的鐵路BIM應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目，主要研究了BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計行業(yè)、橋隧工程、鐵路客站、協(xié)同平臺等方面的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)設(shè)計信息壁壘，路基、橋梁、隧道、軌道、站房、客服等各專業(yè)開展的施工仿真模擬、工廠化預(yù)配、工藝工序動態(tài)優(yōu)化、綠色施工等BIM應(yīng)用成效顯著。

1.2.4 軟件支持

近10年來，鐵路行業(yè)經(jīng)過不斷發(fā)展，形成了以歐特克、Bentley、達(dá)索3家國外平臺為主要BIM建模軟件平臺的體系。目前，國內(nèi)BIM相關(guān)研發(fā)企業(yè)有魯班、廣聯(lián)達(dá)等實(shí)力較大的軟件廠商。基于實(shí)際需求，這些廠商也開發(fā)了部分鐵路BIM應(yīng)用相關(guān)軟件。

1.2.5 推進(jìn)組織

2013年12月，鐵路BIM聯(lián)盟成立。該聯(lián)盟以推進(jìn)我國鐵路BIM技術(shù)進(jìn)步為己任，搭建了一個BIM技術(shù)總體規(guī)劃與政策建議、標(biāo)準(zhǔn)制定、應(yīng)用研究、研討培訓(xùn)、技術(shù)服務(wù)與咨詢、數(shù)字工程認(rèn)證、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、編輯出版、國際交流與合作等業(yè)務(wù)的公共服務(wù)平臺，是鐵路行業(yè)開展BIM技術(shù)研究和應(yīng)用的唯一行業(yè)自律性組織。

2 我國鐵路BIM發(fā)展現(xiàn)存問題

通過調(diào)研分析，從基礎(chǔ)研究、全生命周期應(yīng)用、發(fā)展機(jī)制、智能化發(fā)展4個方面歸納梳理出我國鐵路BIM發(fā)展現(xiàn)存問題，見圖2。

2.1 鐵路BIM基礎(chǔ)研究支撐不足

各相關(guān)單位在鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際使用中對標(biāo)準(zhǔn)的理解不同，要求深度不同，執(zhí)行難易程度也有較大差別，現(xiàn)有鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)難以落地；BIM技術(shù)尚不能實(shí)現(xiàn)全流程設(shè)計和交付，軟件設(shè)計效率不高且成本高昂；基于國外BIM平臺的建模軟件僅具有商業(yè)化通用功能，難以滿足真實(shí)設(shè)計的需求，同時軟件自主化不足，有“卡脖子”風(fēng)險，存在數(shù)據(jù)安全隱患；缺乏統(tǒng)一的建模、交付標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫，建立、交付的模型不統(tǒng)一。

2.2 鐵路BIM全生命周期應(yīng)用不足

目前，未形成項(xiàng)目應(yīng)用級BIM正向設(shè)計能力；BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用不夠深入，缺乏相關(guān)的BIM應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃，導(dǎo)致BIM應(yīng)用推廣緩慢；鐵路相關(guān)設(shè)備管理維護(hù)缺乏科學(xué)計劃性，資產(chǎn)運(yùn)營缺少統(tǒng)籌管理；在設(shè)計階段向施工階段、施工階段向運(yùn)維階段成果交付的過程中，相關(guān)流程制度不夠成熟完善，交付成果物無法滿足應(yīng)用需求。

2.3 鐵路BIM發(fā)展機(jī)制驅(qū)動不足

目前，鐵路數(shù)字工程缺乏規(guī)范的審核手段，無法保證交付的數(shù)字資產(chǎn)質(zhì)量及交付資產(chǎn)的效力；缺乏引入第三方外部機(jī)構(gòu)的審核評價機(jī)制；缺乏相關(guān)的BIM取費(fèi)規(guī)則，目前部分鐵路行業(yè)取費(fèi)依舊需要借助地鐵、公路等行業(yè)取費(fèi)規(guī)則，導(dǎo)致鐵路BIM相關(guān)合同難簽訂、難控制；缺乏BIM咨詢試點(diǎn)項(xiàng)目部署計劃，缺少優(yōu)質(zhì)、優(yōu)價、有序的鐵路全過程BIM工程咨詢服務(wù)，BIM在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用力度不夠；使用BIM技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)投入與收益相適應(yīng)；各單位BIM從業(yè)人員晉升通道不夠明晰，缺少相應(yīng)的BIM人才培養(yǎng)計劃，相關(guān)從業(yè)人員職業(yè)規(guī)劃不清晰。

2.4 鐵路BIM智能化發(fā)展不足

BIM技術(shù)與5G、AI、區(qū)塊鏈、云計算、裝配式等技術(shù)的融合已開展初步探索，相關(guān)發(fā)展體系還不夠成熟；數(shù)字孿生在鐵路復(fù)雜工程項(xiàng)目領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，是未來重要發(fā)展趨勢，目前鐵路行業(yè)對于數(shù)字孿生的相關(guān)應(yīng)用較少；鐵路智能建造方面已初步應(yīng)用BIM技術(shù)，然而應(yīng)用深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，在智能運(yùn)維等方面尚未開展深入應(yīng)用。

3 我國鐵路BIM發(fā)展路線探索

基于我國鐵路BIM發(fā)展現(xiàn)存問題，從完善基礎(chǔ)、加強(qiáng)應(yīng)用、智能提升三個階段對我國鐵路BIM發(fā)展路線進(jìn)行探索，并通過不斷完善保障機(jī)制，為鐵路BIM發(fā)展保駕護(hù)航。我國鐵路BIM發(fā)展路線如圖3所示。

3.1 完善基礎(chǔ)階段

該階段的主要目標(biāo)是扎實(shí)推進(jìn)鐵路BIM技術(shù)基礎(chǔ)研究，鞏固壯大BIM高質(zhì)量發(fā)展根基。我國鐵路BIM發(fā)展正處于這一階段。該階段的主要任務(wù)是在政府與行業(yè)相關(guān)政策的推動下，開展BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究，編制補(bǔ)充交付、審查、認(rèn)證等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不斷完善BIM標(biāo)準(zhǔn)體系；進(jìn)行鐵路BIM相關(guān)軟件研發(fā)，實(shí)現(xiàn)BIM核心軟件的部分自主化；進(jìn)行鐵路BIM服務(wù)平臺主體功能研發(fā)，完成鐵路BIM服務(wù)平臺研發(fā)部署，完成部分專業(yè)模型構(gòu)件庫建設(shè)，初步形成鐵路BIM數(shù)據(jù)資源湖。

3.2 加強(qiáng)應(yīng)用階段

該階段是鐵路BIM發(fā)展的重要階段。在鐵路BIM基礎(chǔ)研究較為完善后，下一步就需要加強(qiáng)BIM技術(shù)在鐵路工程項(xiàng)目各階段的深化應(yīng)用。我國鐵路BIM發(fā)展將可能長期處于該階段。該階段主要目標(biāo)是穩(wěn)步提升鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量，服務(wù)鐵路高質(zhì)量發(fā)展。該階段的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)全生命周期全專業(yè)BIM深度應(yīng)用。針對全生命周期應(yīng)用不足的問題，提出如下具體措施：

（1）在設(shè)計階段，開展勘察應(yīng)用、選線、選址與方案比選、三維協(xié)同設(shè)計、仿真模擬、沖突檢測等技術(shù)的應(yīng)用，積極推廣新型協(xié)同設(shè)計組織模式，引導(dǎo)建立交流合作平臺，推動跨區(qū)域、跨領(lǐng)域的資源共享和協(xié)同創(chuàng)新。深入正向設(shè)計基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)基于BIM技術(shù)的全專業(yè)正向設(shè)計，為全生命應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（2）在施工階段，全面深化BIM應(yīng)用，推廣數(shù)字化加工、施工深化設(shè)計等技術(shù)的應(yīng)用。開展基于BIM的施工管理，在施工組織方案、成本控制、質(zhì)量管理、合同管理、資料管理、物資設(shè)備管理和安全管理等方面開展深入應(yīng)用，提高施工管理效率，逐步實(shí)現(xiàn)智慧化、無人化施工。

（3）在運(yùn)維階段，擴(kuò)大BIM技術(shù)在既有線和新建線運(yùn)營管理中的應(yīng)用，建立并推廣基于BIM技術(shù)的運(yùn)營維護(hù)體系、維修方案論證體系等相關(guān)體系。

（4）在交付階段，打通設(shè)計階段向施工階段、施工階段向運(yùn)維階段成果交付的全過程，真正實(shí)現(xiàn)全生命周期的BIM深度應(yīng)用。

3.3 智能提升階段

進(jìn)入該階段，說明我國鐵路BIM技術(shù)已基本成熟，主要目標(biāo)是推動前沿技術(shù)與BIM的深度融合，實(shí)現(xiàn)BIM服務(wù)智能化。該階段的主要任務(wù)是通過BIM技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)合，形成成熟的鐵路項(xiàng)目全生命周期信息化管理、協(xié)同及信息共享體系；通過建立基于新技術(shù)融合的技術(shù)體系，初步實(shí)現(xiàn)鐵路信息系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自思考能力；通過智能管理、智能運(yùn)營、BIM+技術(shù)的廣泛應(yīng)用，護(hù)航智能高鐵的穩(wěn)步發(fā)展。針對智能化發(fā)展不足的問題，提出以下具體措施：

（1）在與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合方面。以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生技術(shù)將面向超大型復(fù)雜工程項(xiàng)目，在數(shù)據(jù)冗雜或精細(xì)程度高的施工環(huán)節(jié)發(fā)揮優(yōu)勢，起到支撐輔助作用，在超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)分類組織與存儲、基于云端的高質(zhì)量圖形處理、基于BIM一體化的鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)處理等方面發(fā)揮重要作用。

（2）在推動智能高鐵發(fā)展方面。推進(jìn)BIM技術(shù)與5G、AI、區(qū)塊鏈、云計算、裝配式等技術(shù)深度融合，為遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計、施工深化設(shè)計、交付、專家決策提供支撐，加快實(shí)現(xiàn)虛擬審圖、無人化施工，實(shí)現(xiàn)基于BIM的智能建造；基于BIM技術(shù)動態(tài)，直觀地對線路、建筑、設(shè)備從宏觀到微觀進(jìn)行全方位管理，實(shí)現(xiàn)鐵路BIM智能運(yùn)維；推動我國鐵路全時全域全系軸面協(xié)同、模數(shù)一體的數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，成為鐵路核心基礎(chǔ)設(shè)施，全面支撐我國鐵路智能化設(shè)計、建造和運(yùn)營，形成我國智能高鐵核心技術(shù)體系。

3.4 完善機(jī)制保障

建立BIM發(fā)展長效保障機(jī)制，貫穿BIM發(fā)展路線三個階段，為鐵路BIM健康高效發(fā)展提供保障。具體措施包括：開展數(shù)字工程認(rèn)證項(xiàng)目試點(diǎn)，建立鐵路數(shù)字工程認(rèn)證體系；形成鐵路BIM取費(fèi)機(jī)制；建立滿足鐵路BIM技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的學(xué)歷教育、職業(yè)培訓(xùn)、繼續(xù)教育等多層次教育培訓(xùn)體系；搭建綜合性、跨階段、一體化的全過程BIM咨詢服務(wù)體系；探索建立基于BIM技術(shù)的數(shù)字化建設(shè)監(jiān)管模式和審查流程，建設(shè)在線審批監(jiān)管平臺；構(gòu)建基于BIM的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，形成數(shù)據(jù)及信息雙效安全機(jī)制等。

目前，保障機(jī)制完善工作正在穩(wěn)步推進(jìn)，酒額鐵路已經(jīng)完成四電專業(yè)的認(rèn)證工作。酒額鐵路作為首個鐵路數(shù)字工程認(rèn)證試點(diǎn)項(xiàng)目，對于通過數(shù)字認(rèn)證提升數(shù)字資產(chǎn)質(zhì)量、推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，也是鐵路BIM發(fā)展路線的落地試點(diǎn)。

4 結(jié)語

從目前形勢和行業(yè)發(fā)展趨勢來看，BIM將是鐵路行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的重要手段。當(dāng)前，我國鐵路工程BIM應(yīng)用還處于初級階段，為進(jìn)一步推動鐵路工程BIM技術(shù)全生命周期應(yīng)用，本文在總結(jié)我國鐵路BIM發(fā)展現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)上，對我國鐵路BIM發(fā)展進(jìn)行了路線探索，為制定我國鐵路BIM發(fā)展路線提供了思路，具有一定的參考價值。

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收稿日期：2022-09-19

作者簡介：

張晨（1996—），男，研究方向：鐵路BIM。

郭芳（1989—），女，研究方向：鐵路BIM。

李達(dá)塽（1994—），男，研究方向：鐵路BIM。

李子龍（1996—），男，研究方向：鐵路BIM。

路芳（1989—），女，工程師，研究方向：鐵路BIM。