鐵路行業(yè)站前專業(yè)BIM應(yīng)用技術(shù)探討

■ 張雪才

鐵路行業(yè)站前專業(yè)BIM應(yīng)用技術(shù)探討

■ 張雪才

通過分析鐵路工程建設(shè)項目勘察設(shè)計特點及BIM技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出鐵路工程建設(shè)項目站前專業(yè)的BIM設(shè)計技術(shù)路線，并根據(jù)具體應(yīng)用需求，梳理和分析鐵路工程建設(shè)行業(yè)BIM應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

建筑信息模型；BIM；鐵路；站前；技術(shù)路線

在當(dāng)今工程建設(shè)行業(yè)和鐵路工程領(lǐng)域，不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)和實踐促成了鐵路工程建設(shè)行業(yè)的顯著變革，尤其是Building Information Modeling（BIM）[1]技術(shù)的出現(xiàn)，可以幫助鐵路工程建設(shè)企業(yè)更準(zhǔn)確、有效地控制工程建設(shè)全過程，極大優(yōu)化了項目質(zhì)量，縮短了項目周期，降低了項目成本[2]。

目前鐵路工程建設(shè)行業(yè)BIM應(yīng)用工作正由點到面的有序推進(jìn)，相關(guān)單位也逐步意識到了BIM給整個工程建設(shè)帶來的實際價值。但鐵路工程建設(shè)行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)也面臨諸多問題：由于整個工程建設(shè)項目涉及專業(yè)多、建設(shè)周期長、中間過程需管理的信息格式多樣且體量龐大，依靠單一BIM軟件平臺無法滿足鐵路工程建設(shè)行業(yè)所有專業(yè)的應(yīng)用需求。單就鐵路站前BIM應(yīng)用而言，就存在三維地質(zhì)模型的擬合及剖切、大數(shù)據(jù)鐵路工程BIM整體模型集成展示及管理等諸多技術(shù)難題[3]。

1 鐵路勘察設(shè)計的特點

鐵路勘察設(shè)計是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及橋梁、隧道、地質(zhì)、測繪、線路、路基、站場、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、機(jī)械、給排水、通信、牽引供變電等眾多站前站后專業(yè)。需要專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間密切配合，頻繁進(jìn)行多種形式的設(shè)計信息交互，與業(yè)主、施工單位、監(jiān)理等多個建設(shè)參與方溝通協(xié)作方能完成，具有設(shè)計技術(shù)復(fù)雜、類型多樣、受地域條件影響大和不可預(yù)見風(fēng)險因素多等特點，設(shè)計工作所花費的時間和人力巨大。

一些特殊工點包含復(fù)雜的地形地貌、橋隧路基等構(gòu)筑物，必須通過設(shè)計人員反復(fù)現(xiàn)場踏勘實測才能確定技術(shù)方案。由于專業(yè)交叉聯(lián)系十分緊密，對于多視圖、多剖面的復(fù)雜空間設(shè)計，傳統(tǒng)二維設(shè)計圖無法展現(xiàn)直觀的立體效果，難以檢查各專業(yè)間的接口關(guān)系，難免造成遺漏和差錯。有些差錯到施工階段甚至運營期間才能發(fā)現(xiàn)，造成不必要的返工和浪費，甚至給運輸安全埋下隱患?？辈煸O(shè)計成果往往不能直接有效服務(wù)于鐵路運營、維護(hù)和管理[4]。

隨著鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，對勘察設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化的要求越來越高，現(xiàn)行設(shè)計手段已經(jīng)難以滿足鐵路設(shè)計的要求。BIM技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計階段尤其是站前專業(yè)的應(yīng)用給傳統(tǒng)鐵路勘察設(shè)計帶來新的契機(jī)，有助于引領(lǐng)鐵路行業(yè)工程建設(shè)向更高的層次發(fā)展。

2 鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，鐵路工程建設(shè)行業(yè)部分單位結(jié)合自身實際陸續(xù)開展了一定的BIM應(yīng)用研究工作，但總體來說，我國鐵路工程建設(shè)行業(yè)BIM應(yīng)用尚處于起步階段，現(xiàn)階段BIM應(yīng)用現(xiàn)狀呈現(xiàn)如下特點。

（1）各自為陣，方向零散。國內(nèi)鐵路工程建設(shè)行業(yè)相關(guān)單位已開展了部分專業(yè)級BIM應(yīng)用研究工作，取得了一定的階段成果。但多數(shù)研究成果按照自身專業(yè)需要開展，研究方向零散，缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃。

（2）科研為主，尚需驗證。BIM作為從建筑行業(yè)引入到鐵路行業(yè)的新興技術(shù)，目前在鐵路行業(yè)的應(yīng)用多數(shù)還是以科研形式開展工作，研究成果多數(shù)還處于理論階段，尚需實際項目的應(yīng)用驗證。

（3）平臺多樣，缺乏規(guī)范。國內(nèi)外出現(xiàn)了諸多BIM應(yīng)用平臺，各家鐵路設(shè)計、施工單位也采用了不同的BIM平臺開展研究工作，設(shè)計行為和成果形式缺乏行業(yè)規(guī)范和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

上述情況制約了鐵路工程建設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用的推進(jìn)，需要結(jié)合目前鐵路工程建設(shè)的實際應(yīng)用需求，梳理鐵路工程建設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用的核心技術(shù)路線和需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

3 鐵路站前專業(yè)BIM應(yīng)用技術(shù)路線

鐵路工程建設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用的源頭是勘察設(shè)計，勘察設(shè)計工作的重點在站前。針對站前BIM應(yīng)用中對多專業(yè)協(xié)同、海量數(shù)據(jù)管理、模型集成和仿真等實際應(yīng)用的需求，鐵路站前專業(yè)BIM應(yīng)用的整體工作流程可以用圖1表示。

3.1 線路規(guī)劃設(shè)計

測繪、地質(zhì)、環(huán)評專業(yè)在三維GIS平臺上構(gòu)建含地形高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、不良地質(zhì)區(qū)域、環(huán)境保護(hù)區(qū)域等信息的三維數(shù)字地球。線路專業(yè)基于該平臺，結(jié)合經(jīng)濟(jì)運量等數(shù)據(jù)開展鐵路線路規(guī)劃設(shè)計，同時構(gòu)建沿線鐵路三維場景，供方案綜合展示及比選。

中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡稱中鐵二院）目前開發(fā)的“數(shù)字地球鐵路三維空間選線設(shè)計系統(tǒng)”可在谷歌數(shù)字地球平臺上直接進(jìn)行三維選線規(guī)劃和方案比選（見圖2）。

圖1 鐵路站前專業(yè)BIM設(shè)計流程

圖2 在線路基礎(chǔ)上規(guī)劃車站、橋梁、隧道的位置

3.2 細(xì)化地質(zhì)、地表模型

根據(jù)項目設(shè)計深度需要，地質(zhì)專業(yè)增加鉆孔密度，建立更為細(xì)化的地質(zhì)三維模型，測繪專業(yè)用施工精度的地形高程和影像數(shù)據(jù)替代原有供線路規(guī)劃的地表信息，通過數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)與線路最終的規(guī)劃方案數(shù)據(jù)生成更為精細(xì)的地質(zhì)、地表、線路BIM模型，為后續(xù)專業(yè)深化設(shè)計提供服務(wù)。

中鐵二院地質(zhì)專業(yè)已完成了寶蘭客專石鼓山隧道（見圖3）、滬昆客專北盤江大橋的地質(zhì)細(xì)化建模工作。

3.3 工點BIM設(shè)計

站前各專業(yè)通過數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)接收BIM前期基礎(chǔ)資料后，選用適合自身專業(yè)的BIM設(shè)計軟件，根據(jù)工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（EBS）分解要求和施工工序、工法的要求，開展工點BIM三維設(shè)計。所建立的模型信息包括工程對象的三維幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系，以及設(shè)計階段完整的工程屬性信息。所選擇的BIM設(shè)計軟件要求能實現(xiàn)設(shè)計階段的二維出圖和工程算量，可根據(jù)施工實際進(jìn)度實現(xiàn)模型的形象展示。

中鐵二院目前隧道、橋梁、路基等站前專業(yè)基于寶蘭客專石鼓山隧道、滬昆客專北盤江大橋、渝黔鐵路新白沙沱大橋、西成線江油北站等工點開展了工點BIM設(shè)計工作，取得了一定成果（見圖4—圖6）。

3.4 整合各專業(yè)BIM模型

圖3 石鼓山隧道洞身三維地質(zhì)模型

圖4 石鼓山隧道暗洞整體模型

圖5 新白沙沱長江大橋鋼桁梁節(jié)段

圖6 西成線江油北站路基三維分層模型

橋、隧、路基等站前專業(yè)完成各工點BIM設(shè)計后，需要對各專業(yè)的設(shè)計成果進(jìn)行整合。通過碰撞檢測功能，讓專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間構(gòu)件的設(shè)計沖突在設(shè)計階段得以發(fā)現(xiàn)并解決；通過對設(shè)計成果進(jìn)行施工過程的仿真分析，為施工單位制定合理的施工組織方案，提高施工質(zhì)量，節(jié)約項目成本；在三維GIS平臺對模型成果進(jìn)行虛擬漫游，實現(xiàn)設(shè)計成果的形象展示，可為鐵路運營維修和搶險提供決策依據(jù)。最終的站前專業(yè)BIM集成模型提交至站后專業(yè)開展后續(xù)設(shè)計工作。

中鐵二院測繪專業(yè)開展了基于三維GIS平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、精確三維場景、BIM成果集成和展示等應(yīng)用研究工作（見圖7）。

圖7 西成線三維地形模型

4 需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)

目前，鐵路行業(yè)各設(shè)計單位的BIM研究均以“先專業(yè)突破，后協(xié)同設(shè)計”的形式開展。部分專業(yè)已取得階段性成果，要最終實現(xiàn)BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計階段的全面應(yīng)用，需要重點解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）三維建模技術(shù)。如地質(zhì)、隧道、橋梁等站前專業(yè)，對三維建模技術(shù)要求甚高，不僅要實現(xiàn)曲面和實體的真實擬合，完成三維模型的交互操作，模型還需具備設(shè)計信息附加和參數(shù)化變量驅(qū)動功能，提高專業(yè)人員設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。同時考慮制定行業(yè)建模統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為各方設(shè)計提供建模準(zhǔn)則。

（2）三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)。研究三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)，使得各專業(yè)設(shè)計的BIM模型自動關(guān)聯(lián)各種圖形和文檔，始終與模型邏輯相關(guān)。專業(yè)內(nèi)所需的設(shè)計參數(shù)和相關(guān)信息不需要重復(fù)錄入，避免數(shù)據(jù)冗余和錯誤。實現(xiàn)數(shù)據(jù)級別的協(xié)同設(shè)計功能，各專業(yè)數(shù)據(jù)可實時交互、更新和自動通知；同時可依據(jù)各專業(yè)自身特點和相關(guān)專業(yè)配合要求，實現(xiàn)符合實際需求的三維設(shè)計工作流程和數(shù)據(jù)交換流程，以解決各專業(yè)間在協(xié)同設(shè)計中的資料互提、設(shè)計修改與變更、設(shè)計交流與會審等工序問題。

（3）成果集成展示技術(shù)。三維GIS是當(dāng)前認(rèn)可的最能解決鐵路長線工程BIM模型集成展示的技術(shù)之一，研究多格式實體工程模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決跨平臺間三維模型數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。利用基于位置的海量空間數(shù)據(jù)管理和空間分析能力，完成三維GIS系統(tǒng)場景和BIM模型成果的有效融合，實現(xiàn)BIM模型的集成應(yīng)用管理需求。

5 結(jié)論與展望

BIM技術(shù)在鐵路工程建設(shè)行業(yè)的推廣應(yīng)用已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，國內(nèi)外各方知名BIM平臺廠商紛紛加入鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用市場的角逐。但總體來說，目前尚未有認(rèn)可的符合鐵路行業(yè)實際的BIM應(yīng)用整體解決方案。隨著中國鐵路總公司、各鐵路相關(guān)單位、科研院校和平臺廠商在BIM方面合作力度的不斷加大和研究的逐漸深入，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用的重難點問題必將逐步得以解決，BIM在我國鐵路建設(shè)行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展也將穩(wěn)步向前推進(jìn)。

[1] 何關(guān)培．BIM總論[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[2] 寶琦．基于BIM的工業(yè)建筑協(xié)同設(shè)計[J]．工業(yè)建筑，2010，40 (增刊)：84-86．

[3] 盧祝清．BIM在鐵路建設(shè)項目中的應(yīng)用分析[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(10)：4-7．

[4] 朱江．BIM在鐵路設(shè)計中的應(yīng)用初探[J]．鐵道工程學(xué)報，2010(10)：104-108．

張雪才：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級高級工程師，四川 成都， 610031

責(zé)任編輯高紅義

U 291.1；TP319

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1672-061X（2014）02-0018-04