BIM在鐵路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探

朱 江

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

鐵路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)性工程,需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的多專業(yè)間密切配合,頻繁地進(jìn)行多種形式設(shè)計(jì)信息的交互,并且與業(yè)主、施工單位、監(jiān)理等多個(gè)建設(shè)參與方進(jìn)行溝通協(xié)作來(lái)完成,共同將設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)為鐵路建筑物實(shí)體。當(dāng)前,參與鐵路設(shè)計(jì)的各專業(yè)都有專門的輔助設(shè)計(jì)軟件,但在設(shè)計(jì)過(guò)程中以及最終的設(shè)計(jì)結(jié)果都采用傳統(tǒng)的二維平面圖形式,這種方式雖然在一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率,但用二維的手段來(lái)表達(dá)龐大復(fù)雜的空間三維鐵路實(shí)體，并不符合人類的認(rèn)知和思維習(xí)慣,軟件只是起到了輔助設(shè)計(jì)的作用,達(dá)不到“所見(jiàn)即所得”的可視化效果,工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不能發(fā)揮最大的創(chuàng)造性。由此引發(fā)的鐵路建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生一系列問(wèn)題,主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

專業(yè)間信息溝通不及時(shí)、不順暢。鐵路設(shè)計(jì)各專業(yè)都是在獨(dú)立的知識(shí)和軟件平臺(tái)中進(jìn)行設(shè)計(jì),專業(yè)間接口繁多,設(shè)計(jì)過(guò)程中相當(dāng)一部分的信息共享和交換是由人工完成的,不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的集成和自動(dòng)化傳達(dá),這就使得工程師們有時(shí)需耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)處理和理解其他相關(guān)專業(yè)提交的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),并經(jīng)常發(fā)生由于設(shè)計(jì)變動(dòng)的更新延遲而導(dǎo)致返工的人力、時(shí)間浪費(fèi)現(xiàn)象,影響鐵路設(shè)計(jì)效率的進(jìn)一步提高。

設(shè)計(jì)意圖表達(dá)和理解不明確。鐵路項(xiàng)目在勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要與業(yè)主、當(dāng)?shù)卣M(jìn)行設(shè)計(jì)方案影響因素的采集和協(xié)商,最終的設(shè)計(jì)成果需要施工單位去嚴(yán)格和準(zhǔn)確地執(zhí)行,才能保證設(shè)計(jì)成果的科學(xué)性和設(shè)計(jì)意圖的正確實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)方將成果向業(yè)主和施工方交底時(shí),絕大部分采用的是二維平面圖的形式,甚至有的附屬工程設(shè)計(jì)只有文字說(shuō)明,施工方不能準(zhǔn)確地理解設(shè)計(jì)意圖,這將直接影響到工程建設(shè)的進(jìn)度和質(zhì)量,導(dǎo)致合理的設(shè)計(jì)意圖得不到合理的實(shí)現(xiàn),并造成人力物力財(cái)力的浪費(fèi)。例如,當(dāng)前客運(yùn)專線排水工程中存在著一些問(wèn)題和隱患[1-2],一部分原因就在于：施工技術(shù)員在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況下對(duì)二維的排水設(shè)計(jì)圖紙和文字說(shuō)明理解不透徹,從而隨意指導(dǎo)施工甚至不施工。

設(shè)計(jì)成果不能有效地服務(wù)于鐵路運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理。鐵路在建造完成后,其運(yùn)營(yíng)時(shí)期將長(zhǎng)達(dá)十幾年甚至幾十年,在此期間通常需進(jìn)行多次大規(guī)模的鐵路養(yǎng)護(hù)和維修。當(dāng)前鐵路養(yǎng)護(hù)雖然采用了一些較為先進(jìn)的機(jī)械裝備,如軌檢車、起道撥道設(shè)備等,但多數(shù)鐵路問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)還依賴于人力,并且養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要在海量的設(shè)計(jì)圖紙中來(lái)查找問(wèn)題路段的設(shè)計(jì)資料,由于設(shè)計(jì)單位通常不參加鐵路養(yǎng)護(hù),設(shè)計(jì)成果有時(shí)不能得到正確的理解,導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)維修工作效率低下。

以上幾個(gè)問(wèn)題雖只是針對(duì)鐵路建設(shè)而提出的,但其在建筑行業(yè)中具有普遍性,相似的現(xiàn)象在建筑、公路、電信、管道、市政設(shè)施等其他工程建造業(yè)的設(shè)計(jì)過(guò)程中也同樣存在。為此,借鑒裝備制造業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者和軟件開(kāi)發(fā)商將工程項(xiàng)目生命周期各階段的信息以面向?qū)ο蟮姆绞郊善饋?lái)[3],提出了“建筑信息模型”(Building Information Modeling,BIM)的概念和解決方案。

1 BIM的概念和應(yīng)用

1.1 BIM的概念[4-8]

建筑信息模型(Building Information Model)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型,這個(gè)概念的定義最早是由美國(guó)喬治亞技術(shù)學(xué)院建筑與計(jì)算機(jī)專業(yè)的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)博士于30年前提出的：“建筑信息模型綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構(gòu)件性能,將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個(gè)單獨(dú)的建筑模型中,而且還包括施工進(jìn)度、建造過(guò)程、維護(hù)管理等的過(guò)程信息”。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會(huì)(Facilities Information Council)對(duì)BIM的定義是：BIM是在開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命期信息的可計(jì)算/可運(yùn)算的形式表現(xiàn),從而為決策提供支持,以更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的價(jià)值。在其補(bǔ)充說(shuō)明中強(qiáng)調(diào)：BIM將所有的相關(guān)方面信息集成在一個(gè)連貫有序的數(shù)據(jù)組織中,相關(guān)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件在被許可的情況下可以獲取、修改或增加數(shù)據(jù)。

2002年,歐特克(Autodesk)公司針對(duì)建筑行業(yè)率先提出了BIM的一攬子解決方案[2],目前已逐漸擴(kuò)展到其他工程建設(shè)行業(yè),并在全球范圍內(nèi)得到工程業(yè)界的廣泛認(rèn)可。歐特克公司指出BIM是基于最先進(jìn)的三維數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案所構(gòu)建的“可視化”的數(shù)字建筑模型,為設(shè)計(jì)師、建筑師、設(shè)備工程師、業(yè)主乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”的科學(xué)協(xié)作平臺(tái),幫助他們利用三維數(shù)字模型對(duì)建筑項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)管理。

雖然不同的組織針對(duì)BIM有不同的解釋,但綜合起來(lái)BIM主要包括以下兩大核心理念：

(1)BIM中工程信息包含了建筑工程的幾何和功能屬性以及與之相關(guān)的項(xiàng)目全生命周期信息,通過(guò)一個(gè)綜合協(xié)同的n(n≥3)維仿真數(shù)字化、可視化平臺(tái),使得這些信息服務(wù)于建筑工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)乃至拆除的全過(guò)程。

(2)能夠在綜合數(shù)字環(huán)境中保持信息共享和不斷更新,即在各種工程信息之間創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、一致性的關(guān)聯(lián),對(duì)平臺(tái)中信息的任何更改,都馬上可以在其他關(guān)聯(lián)的地方反映出來(lái),使得業(yè)主、政府管理機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、施工單位甚至用戶都可以清楚全面地了解項(xiàng)目進(jìn)程,如圖1所示。

圖1 BIM在建筑全生命周期中的信息共享

1.2 BIM的應(yīng)用

目前BIM在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用尚處于起步和發(fā)展階段。而一些國(guó)際公司從BIM概念產(chǎn)生開(kāi)始便大力開(kāi)發(fā)BIM應(yīng)用系統(tǒng),并已成功應(yīng)用于多個(gè)工程建筑行業(yè)。針對(duì)不同建筑行業(yè)的特征,Autodesk、Bentley、Graphisoft/Nemetschek AG等國(guó)際公司研發(fā)了一系列的BIM應(yīng)用系統(tǒng),其中尤以Autodesk公司起步最早、應(yīng)用范圍最廣。如Autodesk針對(duì)民用建筑行業(yè)推出的Revit系列軟件, Revit Architecture、Revit Structure和Revit MEP分別對(duì)應(yīng)于建筑、結(jié)構(gòu)以及設(shè)備幾個(gè)不同的專業(yè)領(lǐng)域。參數(shù)化建筑圖元是Revit的核心,而參數(shù)化修改引擎提供的參數(shù)更改技術(shù),使得用戶對(duì)建筑設(shè)計(jì)模型任何部分的更改都能自動(dòng)放映到其他用戶的設(shè)計(jì)視圖中,引起設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)變更。國(guó)內(nèi)某建筑設(shè)計(jì)研究院應(yīng)用Revit系列軟件設(shè)計(jì)了西安地鐵控制運(yùn)營(yíng)中心,將后勤系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)等14個(gè)常規(guī)土建系統(tǒng)和非常規(guī)專業(yè)系統(tǒng)集成在Revit智能三維平臺(tái)中設(shè)計(jì),讓建筑師、水暖工程師、結(jié)構(gòu)工程師以及各專業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師在項(xiàng)目進(jìn)行的各個(gè)階段準(zhǔn)確地察看地鐵運(yùn)營(yíng)中心的外觀和內(nèi)部,更好地了解成本、進(jìn)度和環(huán)境影響等重要因素,從而很好地提高了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量和效率。圖2為在Revit平臺(tái)中顯示的西安地鐵控制運(yùn)營(yíng)中心效果圖。

圖2 西安地鐵控制運(yùn)營(yíng)中心在Revit平臺(tái)中的設(shè)計(jì)效果

Autodesk公司推出了Civil 3D軟件作為交通、管道、水利等土木工程行業(yè)實(shí)現(xiàn)BIM的解決方案,如在道路設(shè)計(jì)方面,AutoCAD Civil 3D模型能夠幫助交通設(shè)計(jì)專業(yè)人員簡(jiǎn)化道路設(shè)計(jì)項(xiàng)目各個(gè)階段的流程。在前期設(shè)計(jì)階段,分析工具能夠用于更快地確定各種方案的問(wèn)題和可能產(chǎn)生的影響。在最終設(shè)計(jì)階段,包括水平和垂直幾何體、排水系統(tǒng)、公用設(shè)施、用地界在內(nèi)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)能夠互相或與圖紙進(jìn)行關(guān)聯(lián)。強(qiáng)大的可視化和仿真工具能夠?qū)Φ缆返耐庥^以及未來(lái)的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

荷蘭某設(shè)計(jì)公司借助Civil 3D和Revit設(shè)計(jì)了既有鐵路橋梁的重建工程。首先充分利用Civil 3D提供的現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)、鐵路線路和勘測(cè)數(shù)據(jù),創(chuàng)建了既有鐵路線路模型和附屬工程模型,在此基礎(chǔ)上在Revit中進(jìn)行既有橋梁模型恢復(fù)和新建橋梁的詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于能在Civil 3D與Revit的無(wú)縫環(huán)境中整合和可視化鐵路、橋梁、附屬工程設(shè)施,在項(xiàng)目的早期便能檢查設(shè)計(jì)方案的可行性和可施工性,設(shè)計(jì)效果如圖3所示。

圖3 鐵路橋梁在Civil 3D與Revit集成平臺(tái)中的設(shè)計(jì)效果

2 BIM在鐵路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用設(shè)想[9-10]

如前所述,鐵路設(shè)計(jì)是一個(gè)龐大復(fù)雜、分階段逐步細(xì)化的系統(tǒng)性工程,牽涉到業(yè)主、設(shè)計(jì)方、施工單位等多個(gè)參與方和設(shè)計(jì)方的諸多專業(yè),多年以來(lái)形成的二維、分專業(yè)的設(shè)計(jì)模式不能一蹴而就地快速轉(zhuǎn)變?yōu)锽IM平臺(tái)中的三維可視化、協(xié)同、智能的設(shè)計(jì)模式。因此,筆者認(rèn)為,應(yīng)從設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)習(xí)慣的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化入手,結(jié)合三維可視化、地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等當(dāng)前發(fā)展較為成熟的信息化技術(shù),分階段地將BIM技術(shù)應(yīng)用到鐵路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中來(lái)。

2.1 前期規(guī)劃階段

在鐵路設(shè)計(jì)的前期,需通過(guò)預(yù)可行性研究從宏觀上論證項(xiàng)目的必要性,為項(xiàng)目的投資建設(shè)提供必要的準(zhǔn)備資料,即在研究鐵路建設(shè)項(xiàng)目在路網(wǎng)中的意義和應(yīng)用以及與鄰接鐵路的關(guān)系的基礎(chǔ)上,分析沿線地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù),提出對(duì)項(xiàng)目的線路走向、接軌方案和主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等的初步意見(jiàn)。

BIM的應(yīng)用雖一般多見(jiàn)于建筑的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段,而在鐵路的前期規(guī)劃階段,也可以利用BIM的思想初步構(gòu)造出一個(gè)集成了地理信息系統(tǒng)的三維可視化電子沙盤,初步思路如下：

(1)收集鐵路項(xiàng)目所在區(qū)域的既有路網(wǎng)信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合反映區(qū)域自然特征的小比例尺地形圖建立區(qū)域路網(wǎng)三維模型。

(2)在模型中進(jìn)行客貨運(yùn)量預(yù)測(cè),確定項(xiàng)目功能定位和建設(shè)的必要性,初步提出線路的大致走向。

(3)運(yùn)用GIS的空間分析、專題圖制作等功能,考慮沿線自然特征、影響線路走向的重要因素,確定線路平面方案的帶狀走廊帶。

2.2 外業(yè)勘測(cè)階段

鐵路外業(yè)勘測(cè)分為初測(cè)和定測(cè)兩階段,這兩個(gè)階段分別是進(jìn)行可行性研究和初步設(shè)計(jì)的重要的基礎(chǔ)性工作。雖然在外業(yè)勘測(cè)階段不進(jìn)行具體的鐵路建筑物細(xì)部設(shè)計(jì),但由于方案的穩(wěn)定和設(shè)計(jì)資料的收集主要是在這兩個(gè)階段完成,并且在外業(yè)階段也需進(jìn)行一部分的現(xiàn)場(chǎng)選址和設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作,如取棄土場(chǎng)選址、牽引變電所選址、橋梁孔跨布置等等,因此,BIM在外業(yè)勘測(cè)階段的應(yīng)用是BIM在鐵路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的前提,并且具有一定的共性。

當(dāng)前鐵路外業(yè)勘測(cè)過(guò)程中,專業(yè)間的互提資料以及勘測(cè)成果的表達(dá)都是以電子或紙質(zhì)的CAD圖形、文檔甚至口頭說(shuō)明為載體進(jìn)行的,各專業(yè)技術(shù)人員在進(jìn)行本專業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)選址和勘測(cè)資料整理時(shí)經(jīng)常需要和其他專業(yè)反復(fù)溝通,影響了外業(yè)勘測(cè)和后續(xù)設(shè)計(jì)工作的效率和進(jìn)度。借鑒BIM的設(shè)計(jì)元素模型化的思想,筆者認(rèn)為可從以下兩個(gè)方面入手將BIM引入到鐵路外業(yè)勘測(cè)過(guò)程中來(lái)：

(1) 電子化外業(yè)勘測(cè)成果,以鐵路三維模型為基礎(chǔ),建立一個(gè)存儲(chǔ)各專業(yè)外業(yè)勘測(cè)數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫(kù),即在同一個(gè)BIM平臺(tái)中整合紛繁復(fù)雜、格式多樣的各種外業(yè)勘測(cè)數(shù)據(jù),如GPS掃描的地形地物數(shù)據(jù)、橫斷面數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況數(shù)據(jù)、橋涵水文資料等。

(2) 規(guī)范外業(yè)勘測(cè)過(guò)程中各專業(yè)內(nèi)業(yè)工作的流程,細(xì)化各專業(yè)間互提設(shè)計(jì)資料的接口,各專業(yè)可以在平臺(tái)中實(shí)時(shí)錄入、編輯本專業(yè)的勘測(cè)數(shù)據(jù),并且其他相關(guān)專業(yè)可以隨時(shí)了解和查看該專業(yè)數(shù)據(jù)變化的結(jié)果。例如,線路、站場(chǎng)專業(yè)可以查看地質(zhì)專業(yè)在平臺(tái)中錄入的沿線地質(zhì)情況數(shù)據(jù),以進(jìn)行方案調(diào)整、取土場(chǎng)選址等工作。

2.3 設(shè)計(jì)階段

利用BIM進(jìn)行設(shè)計(jì),是BIM技術(shù)應(yīng)用最成熟的階段,BIM最初就是從建筑工程設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中提出的概念,設(shè)計(jì)階段是一個(gè)既要反映國(guó)家或業(yè)主方的建設(shè)意圖同時(shí)也要將設(shè)計(jì)方案提交給施工單位進(jìn)行建設(shè)的承前啟后的關(guān)鍵階段,因此BIM在鐵路設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用是BIM在鐵路建設(shè)行業(yè)中應(yīng)用的突破口。

鐵路設(shè)計(jì)一般分為初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)兩階段,通常涉及到地質(zhì)、線路、站場(chǎng)、橋梁、隧道等站前專業(yè)和通信、信號(hào)、電氣化、車輛等站后專業(yè)等二十多個(gè)專業(yè),各專業(yè)間需進(jìn)行頻繁和海量的設(shè)計(jì)信息溝通,與2.2中外業(yè)勘測(cè)中存在的問(wèn)題類似,當(dāng)前鐵路設(shè)計(jì)過(guò)程中各專業(yè)都是在獨(dú)立的平臺(tái)中設(shè)計(jì)后,通過(guò)二維的圖表、文字等常規(guī)手段將設(shè)計(jì)結(jié)果提交給其他相關(guān)專業(yè)和施工單位,這種方式不可避免的會(huì)產(chǎn)生本文引言中所述的諸如設(shè)計(jì)信息表達(dá)和理解不清晰、低效率等問(wèn)題。筆者認(rèn)為,可以從以下步驟著手逐步將BIM思想應(yīng)用到鐵路設(shè)計(jì)工作中來(lái)：

(1)將各專業(yè)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)成果格式的標(biāo)準(zhǔn)化,借助勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化研究的部分成果首先實(shí)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的互連互通和設(shè)計(jì)資源共享。

(2)由于線路、地質(zhì)、站場(chǎng)、橋梁、隧道等站前專業(yè)進(jìn)行鐵路主要結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì),且相互之間十分緊密,是鐵路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分,因此,可先將站前專業(yè)的設(shè)計(jì)工作整合到同一個(gè)三維平臺(tái)中,該平臺(tái)可以直接調(diào)用外業(yè)勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)成果存儲(chǔ)于一個(gè)統(tǒng)一的站前專業(yè)設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(3)站后專業(yè)利用站前專業(yè)設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)的通信、信號(hào)、電氣化等的設(shè)計(jì),建立一種專業(yè)間設(shè)計(jì)信息更改聯(lián)動(dòng)和反饋機(jī)制,并將設(shè)計(jì)成果與站前專業(yè)成果一起形成一個(gè)多層次整體的三維可視化模型,通過(guò)該模型中既可以通過(guò)各專業(yè)三維模型視圖、局部構(gòu)造物三維模型視圖和二維的圖表、文檔等多種表達(dá)形式提交給施工單位。

3 結(jié)論和展望

針對(duì)鐵路設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題展開(kāi)探討和分析的基礎(chǔ)上,初步提出了將BIM技術(shù)應(yīng)用到鐵路設(shè)計(jì)中的設(shè)想和規(guī)劃。完全實(shí)現(xiàn)鐵路行業(yè)的BIM設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,需要鐵路設(shè)計(jì)各專業(yè)的通力配合與共同創(chuàng)造,它的實(shí)現(xiàn)不僅僅是帶來(lái)一次設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和更新?lián)Q代,也將促使鐵路施工和運(yùn)營(yíng)方式的一次轉(zhuǎn)型,對(duì)整個(gè)鐵路行業(yè)也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

[1] 鐵建設(shè)[2009]172號(hào) 鐵路邊坡防護(hù)及防排水工程設(shè)計(jì)補(bǔ)充規(guī)定[S]

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