BIM在鐵路建設(shè)行業(yè)的應(yīng)用探討

■ 葉明珠 張潔茹 張毅

BIM在鐵路建設(shè)行業(yè)的應(yīng)用探討

■ 葉明珠 張潔茹 張毅

結(jié)合建筑信息模型（BIM）技術(shù)特點和建筑行業(yè)的典型應(yīng)用，在分析鐵路行業(yè)建設(shè)項目特點基礎(chǔ)上，提出并分析BIM在鐵路建設(shè)項目規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營維護全生命周期中的應(yīng)用；建議鐵路行業(yè)相關(guān)單位在國家管理機構(gòu)的協(xié)調(diào)下，制定BIM統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃，針對BIM在鐵路行業(yè)的典型應(yīng)用，有計劃、分階段地開展BIM應(yīng)用研究和實施工作。

建筑信息模型；鐵路；建設(shè)；應(yīng)用

1 概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是利用數(shù)字模型對項目進行設(shè)計、施工、運營的過程，包括項目所有的幾何、物理、功能和性能信息。不同項目的參與方在項目的各個階段可以基于同一模型，利用和維護這些信息進行協(xié)同工作，對項目進行各種類型和專業(yè)計算、分析和模擬，以實現(xiàn)“做功能好的項目，做沒有錯的項目，做沒有意外的工作，做精細(xì)化的預(yù)算，做性能好的項目”。

BIM作為一種可在工程中直接應(yīng)用的新興技術(shù)，近年來在建筑、水電、機械等行業(yè)得到迅猛發(fā)展。隨著國家對信息化和工業(yè)化融合的推進，BIM的應(yīng)用將全力支撐工程建設(shè)行業(yè)工業(yè)化進程的發(fā)展，在設(shè)計、施工、運營的全生命周期，實現(xiàn)信息共享和無損傳遞，提高工程建設(shè)的質(zhì)量和效率，節(jié)約項目成本，提升科學(xué)決策和管理水平。

目前，美國、新加坡、日本、韓國等多個國家提出在建筑行業(yè)要求應(yīng)用BIM，并建立了相關(guān)的BIM企業(yè)級和行業(yè)級應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。我國建筑、水電、工業(yè)制造等行業(yè)的BIM應(yīng)用相對成熟，已全力推廣BIM應(yīng)用。與建筑、水電等行業(yè)相比，鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用處于起步階段，但已經(jīng)意識到BIM應(yīng)用和發(fā)展的必要性，中國鐵路總公司于2013年5月召集鐵路設(shè)計單位召開了“鐵路勘察設(shè)計BIM應(yīng)用技術(shù)研討會”，專題討論了如何應(yīng)用BIM促進鐵路建設(shè)信息化，進一步明確了加強BIM在未來鐵路工程建設(shè)項目中的應(yīng)用目標(biāo)和工作部署。同時立項“鐵路工程建設(shè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究”科研課題，標(biāo)志著BIM在我國鐵路行業(yè)應(yīng)用正式啟動，并將進入一個快速發(fā)展階段。

2 BIM特點

參考建筑行業(yè)的解釋，BIM主要包括兩大核心理念：一是工程信息包括建筑工程的幾何和功能屬性，以及與其相關(guān)的項目全生命周期信息，通過一個綜合協(xié)同的多維仿真數(shù)字化、可視化平臺，使這些信息服務(wù)于建筑工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營乃至拆除的全過程；二是能夠在綜合數(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)建實時的、一致性的關(guān)聯(lián)，對平臺中的任何信息更改，立刻在其他關(guān)聯(lián)的地方反映出來，使業(yè)主、政府管理機構(gòu)、設(shè)計單位、施工單位，甚至用戶都可清楚全面地了解項目進程?；谝陨侠砟?，BIM 的主要特點如下。

（1）模型信息的完備性。除了對工程對象進行3D 幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系的描述，還包括完整的工程信息描述，例如對象名稱、結(jié)構(gòu)類型、建筑材料、工程性能及概況等設(shè)計信息；施工工序、進度、成本、質(zhì)量、監(jiān)理及人力、機械、材料資源等施工信息；工程安全性能、材料耐久性能等維護信息；對象之間的工程邏輯關(guān)系等。

（2）模型信息的關(guān)聯(lián)性。模型信息中的對象是可識別且相互關(guān)聯(lián)的，可統(tǒng)計和分析模型信息，并生成相應(yīng)的圖形和文檔。如果模型信息中某個對象發(fā)生變化，與其關(guān)聯(lián)的所有對象都隨之更新，以保持模型信息的完整性和可維護性。

（3）模型信息的一致性。在建筑生命期的不同階段，模型信息是一致的，同一信息無需重復(fù)輸入，而且模型信息能夠自動演化，模型信息對象在不同階段可簡單地進行修改和擴展，無需重新創(chuàng)建，避免了模型信息不一致的錯誤。

3 鐵路建設(shè)特點

與BIM技術(shù)應(yīng)用較為成熟的建筑行業(yè)相比，鐵路建設(shè)項目呈現(xiàn)以下特點。

（1）投資巨大。根據(jù)原鐵道部 2008年調(diào)整頒布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年鐵路營業(yè)里程達到12萬k m以上，當(dāng)前和今后較長一段時間內(nèi)鐵路建設(shè)都將處于一個高峰期，近幾年的鐵路年投入預(yù)算均超過6 000億元，一條中型客運專線鐵路項目投資超過500億元。

（2）涉及專業(yè)多。建筑工程一般包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、暖通等專業(yè)，而一個典型的鐵路建設(shè)工程需要站前和站后的線路、測繪、地質(zhì)、路基、橋涵、隧道、站場、牽引供電、牽引變電、接觸網(wǎng)、供電段、機務(wù)、車輛、機械、給排水、通信、信息化、電磁兼容、信號、電力、建筑、結(jié)構(gòu)和暖通等多個專業(yè)相互配合才能完成。

（3）建設(shè)周期長。建筑項目的建設(shè)周期一般為2～3年，大型建筑項目建設(shè)周期一般也不超過5年，而鐵路項目建設(shè)周期一般為8～10年，多數(shù)項目建設(shè)周期超過10年。

（4）資源集中。與建筑行業(yè)相對分散相比，我國鐵路建設(shè)項目由國家統(tǒng)一進行規(guī)劃建設(shè)，人力、技術(shù)、資金等資源相對集中。

根據(jù)鐵路建設(shè)項目的特點，BIM在鐵路建設(shè)行業(yè)的應(yīng)用將大幅節(jié)約項目投入，為國家節(jié)約項目成本，同時可實現(xiàn)多專業(yè)、多單位項目信息的一致性，加快項目進度，提高工程質(zhì)量，推動鐵路行業(yè)更加穩(wěn)步向前發(fā)展。

4 BIM在鐵路建設(shè)行業(yè)的典型應(yīng)用

美國bSa（building SMART alliance）曾經(jīng)對美國工程建設(shè)行業(yè)領(lǐng)域的BIM應(yīng)用情況做過詳細(xì)調(diào)查，總結(jié)出BIM在美國市場上的25種不同應(yīng)用并加以分析研究，指導(dǎo)工程項目在不同階段選擇合適的BIM應(yīng)用。我國中建國際設(shè)計顧問有限公司（CCDI）等機構(gòu)根據(jù)我國建筑行業(yè)的特點，總結(jié)出建筑行業(yè)規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營階段的20個BIM典型應(yīng)用。參考國內(nèi)外建筑行業(yè)的BIM典型應(yīng)用，結(jié)合鐵路行業(yè)投資大、專業(yè)多、周期長等特點，BIM在鐵路工程建設(shè)全生命周期中的應(yīng)用見圖1。

圖1 BIM在鐵路工程建設(shè)全生命周期中的應(yīng)用

（1）鐵路場地分析。研究影響鐵路選線及建筑物定位的主要因素，綜合考慮地形、地質(zhì)、水文、環(huán)境，以及空間方位和外觀等因素，建立與周圍景觀之間的聯(lián)系。

（2）鐵路建筑策劃。建筑策劃是在總體規(guī)劃目標(biāo)確定后，通過搭建三維概要模型，對擬建鐵路車站、橋梁、隧道、路基等組件進行模擬試驗、定量分析，確定設(shè)計內(nèi)容，得出設(shè)計依據(jù)的過程。

（3）技術(shù)方案論證。采用BIM相關(guān)的模型檢查軟件和分析工具，基于3D、4D或5D模型，評估設(shè)計方案的優(yōu)缺點，通過數(shù)據(jù)對比和模擬分析，預(yù)測項目在不同環(huán)境和各種不確定因素作用下的成本、質(zhì)量、產(chǎn)出等變化，找出設(shè)計和施工中可能需要應(yīng)對的問題，幫助項目各方迅速達成共識，減少決策時間。

（4）鐵路可視化設(shè)計。利用三維可視化設(shè)計軟件，為項目團隊提供一種“所見即所得”的三維立體實物圖形。

（5）項目協(xié)同。將BIM作為底層支撐，使分布在不同地理位置的不同專業(yè)的工作人員通過網(wǎng)絡(luò)展開協(xié)同工作。在同一個信息模型上實現(xiàn)信息自然交互，大幅提升協(xié)同過程的技術(shù)含量和綜合效率。

（6）性能化分析。BIM集成了大量的鐵路設(shè)計、施工及運營維護信息，直接將信息模型導(dǎo)入相關(guān)的性能化分析軟件，無需重復(fù)錄入專業(yè)數(shù)據(jù)，可得到相應(yīng)的分析結(jié)果，降低性能化分析周期，提高設(shè)計質(zhì)量。

（7）工程量統(tǒng)計。BIM可真實提供造價管理需要的工程量信息，支持對各種構(gòu)件的快速統(tǒng)計分析，可用于前期設(shè)計過程中的成本預(yù)估算、不同設(shè)計方案建造成本的比較，以及施工開始前的工程量預(yù)算和施工完成后的工程量決算。

（8）管線綜合。通過搭建各專業(yè)的信息模型，在虛擬的三維環(huán)境中及時發(fā)現(xiàn)碰撞沖突，幫助設(shè)計人員提高管線綜合設(shè)計能力和工作效率，排除施工環(huán)節(jié)中遇到的碰撞，提高施工效率，降低成本和減少工期延誤。

（9）鐵路施工進度模擬。將BIM與施工進度計劃關(guān)聯(lián)，以動態(tài)的三維模式模擬整個施工過程與施工現(xiàn)場，將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D（3D+Time）模型中，可直觀、精確反映整個項目的施工過程，對施工進度、資源和質(zhì)量進行統(tǒng)一管理和控制。

（10）鐵路施工組織模擬。利用BIM項目管理軟件對項目進行可建性模擬，按月、日、時進行施工方案的分析優(yōu)化，方便項目管理單位了解整個施工環(huán)節(jié)的時間節(jié)點和工序，并清晰掌握施工中的難點和要點，以提高施工效率和施工方案的安全性與合理性。

（11）鐵路數(shù)字化建造。BIM與數(shù)字化建造系統(tǒng)相結(jié)合，直接用于鐵路工程所需構(gòu)件和設(shè)備的制造環(huán)節(jié)，采用精密機械技術(shù)制造標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，運送到施工現(xiàn)場進行裝配，實現(xiàn)鐵路施工流程（裝配）與制造工藝或方法（預(yù)制）的工業(yè)化和自動化。

（12）物料跟蹤。基于無線射頻識別電子標(biāo)簽（RFID）技術(shù)的物流管理系統(tǒng)，記錄構(gòu)件和設(shè)備的狀態(tài)信息，能夠?qū)@些物體實現(xiàn)跟蹤管理。BIM可附帶構(gòu)件和設(shè)備全面、詳細(xì)的生產(chǎn)信息和技術(shù)信息，將其與物流管理系統(tǒng)結(jié)合可提升物料跟蹤管理水平及鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和數(shù)字化水平。

（13）施工現(xiàn)場配合。BIM可為施工參與單位提供三維交流環(huán)境，BIM相關(guān)的項目管理軟件和成果集成平臺可實現(xiàn)鐵路項目的工程進度、人力、材料、設(shè)備、成本、場地布置的動態(tài)集成管理和信息交互，并可及時排除隱患，減少由此產(chǎn)生的變更，縮短施工時間，提高施工生產(chǎn)效率。

（14）鐵路竣工模型交付。BIM竣工模型包括施工過程記錄的信息，可真實反映設(shè)備狀態(tài)、材料使用等與運營維護相關(guān)的文檔和資料，實現(xiàn)包括隱蔽工程資料在內(nèi)的竣工信息集成。

（15）維護計劃。BIM結(jié)合運營維護管理系統(tǒng)可充分發(fā)揮空間定位和數(shù)據(jù)記錄優(yōu)勢，合理制定維護計劃，分配專人專項維護工作，降低建筑物在使用過程中出現(xiàn)突發(fā)狀況的概率。

（16）鐵路資產(chǎn)管理。BIM包括大量的鐵路工程信息，其可導(dǎo)入資產(chǎn)管理系統(tǒng)，減少該系統(tǒng)初始化在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備方面的時間及人力投入。將BIM與射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的資產(chǎn)標(biāo)簽芯片結(jié)合，可實現(xiàn)資產(chǎn)在鐵路工程與建筑物中的定位和相關(guān)參數(shù)信息的快速查詢。

（17）空間管理。BIM可幫助管理團隊記錄鐵路工程和建筑物的空間使用情況，處理空間的變更請求，分析現(xiàn)有空間的使用情況，合理分配空間，確?？臻g資源的最大利用率。

（18）專業(yè)分析。BIM結(jié)合鐵路項目的相關(guān)專業(yè)分析軟件，按業(yè)主使用需求及設(shè)計規(guī)定衡量鐵路建造物性能，包括能耗分析、內(nèi)外部氣流模擬、照明分析、人流分析等性能評估，從而驗證鐵路工程是否按建設(shè)需求、特定的設(shè)計規(guī)定和可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)建造，最終確定、修改系統(tǒng)參數(shù)甚至系統(tǒng)改造計劃，以提高鐵路工程和構(gòu)筑物的性能。

（19）災(zāi)害應(yīng)急。采用BIM和災(zāi)害分析模擬軟件，在災(zāi)害發(fā)生前可分析災(zāi)害發(fā)生原因，模擬災(zāi)害發(fā)生過程，制定避免災(zāi)害發(fā)生的措施，以及人員疏散、救援支持的應(yīng)急預(yù)案；在災(zāi)害發(fā)生后可為災(zāi)害救援人員提供緊急狀況地段的完整信息，有效提高突發(fā)狀況應(yīng)對措施及效率。

（20）鐵路信息模型維護。維護貫穿于鐵路工程建設(shè)項目全生命周期，利用BIM將項目團隊所需更新的信息，及時在信息模型中整理和儲存，以便各相關(guān)利益方隨時共享。

5 結(jié)束語

BIM在鐵路建設(shè)工程的推廣應(yīng)用已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。與建筑、水電等行業(yè)業(yè)務(wù)較為分散相比，我國鐵路行業(yè)應(yīng)用BIM具備業(yè)務(wù)資源集中等優(yōu)勢，必將呈現(xiàn)迅猛之勢，穩(wěn)步向前推進。鐵路行業(yè)相關(guān)設(shè)計、施工、運營及科研院?？稍谥袊F路總公司等國家機構(gòu)協(xié)調(diào)下，制定統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。針對BIM在鐵路行業(yè)的典型應(yīng)用，有計劃、分階段地開展應(yīng)用研究和實施工作。

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葉明珠：中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都， 610031

張潔茹：中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都， 610031

張毅：中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，高級工程師，四川 成都， 610031

責(zé)任編輯葛化一

F530. 31

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1672-061X（2014）02-0046-04