BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字鐵路建設(shè)的實踐與思考

劉為群

(1. 中國鐵路設(shè)計集團有限公司, 天津 300142； 2. 城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測評技術(shù)國家工程實驗室, 天津 300251)

“數(shù)字地球”(Digital Earth)概念是由美國副總統(tǒng)戈爾在1998年1月31日在加利福尼亞科學(xué)中心提出的?！皵?shù)字鐵路”是“數(shù)字地球”概念的一個子集?！皵?shù)字鐵路”是建立在鐵路信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的把鐵路機、車、工、電、檢、行政指揮決策、運營管理等各部門的海量的動態(tài)和靜態(tài)、多分辨率、三維的數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的地理坐標集成起來的信息集合[1]。數(shù)字鐵路基于地理信息系統(tǒng)(GIS)、建筑信息模型(BIM)、遙感、衛(wèi)星定位、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化、信息集成等技術(shù)，BIM技術(shù)是數(shù)字鐵路建設(shè)核心技術(shù)之一。BIM不只是一項技術(shù)，也是一個項目管理過程[2]，可定義為建筑資產(chǎn)物理和功能特征的數(shù)字化表達[3]，也可定義為貫穿資產(chǎn)整個生命周期的過程[4]。雖然定義的角度不同，但其共同之處在于BIM由四個關(guān)鍵要素組成：協(xié)作、表達、過程、生命周期[5]。BIM可以節(jié)省項目成本和時間，減少誤差和遺漏，減少返工率，提高生產(chǎn)力[6-8]。近年來，BIM與其他新興技術(shù)的集成研究越來越多，例如，BIM與3D打印[9]、BIM與3D激光掃描[10]、BIM與增強現(xiàn)實等[11]。

2013年中國鐵路總公司確定將BIM技術(shù)作為鐵路工程建設(shè)信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向[12]，并指出加快BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用，切實抓好建設(shè)模型向運維模型的移交和運用，是構(gòu)建數(shù)字鐵路的必然選擇。為此，鐵路總公司主導(dǎo)成立了鐵路BIM聯(lián)盟，研究制定鐵路BIM標準體系框架、發(fā)布《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》等系列標準，組織開展鐵路BIM試點應(yīng)用，推動BIM這一革命性新技術(shù)在數(shù)字鐵路建設(shè)上的深度應(yīng)用。

目前，針對BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用研究越來越多。Bensalah等從定性的角度總結(jié)了BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢，如決策支持、施工進度監(jiān)控、輔助管理與運維等[13]。Salman從定量的角度論述了使用BIM技術(shù)帶來的效益，如可減少7%的工期等[14]。Smith表示BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用是一個長期的過程[15]。但這些研究大都是基于當?shù)罔F路行業(yè)現(xiàn)狀，并未考慮中國鐵路工程特性。而國內(nèi)BIM技術(shù)在數(shù)字鐵路建設(shè)中的應(yīng)用還處于初步探索階段。因此，本文從中國鐵路BIM應(yīng)用實踐出發(fā)，對BIM技術(shù)在數(shù)字鐵路建設(shè)中應(yīng)用所面臨的問題和挑戰(zhàn)進行了系統(tǒng)分析，并提出了一些建議，可為其他相關(guān)研究者和從業(yè)者提供參考。

1 BIM標準研究與制定

2013至2014年，鐵路BIM聯(lián)盟組織制定了《中國鐵路BIM標準體系框架》，鐵路BIM標準體系由技術(shù)標準和實施標準兩大部分組成。技術(shù)標準分為信息語義標準、數(shù)據(jù)存儲標準、信息傳遞標準。實施標準主要從資源、行為、交付物、協(xié)同管理四方面指導(dǎo)和規(guī)范BIM應(yīng)用[16]。

2014至2017年，鐵路BIM聯(lián)盟組織編寫和發(fā)布《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》(鐵路IFD)[17]、《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》(鐵路IFC)[18]、《面向鐵路工程信息模型應(yīng)用的地理信息交付標準》、《基于信息模型的鐵路工程施工圖設(shè)計文件編制辦法》等行業(yè)團體標準。

在鐵路BIM聯(lián)盟組織制定和發(fā)布行業(yè)團體標準的同時，鐵路設(shè)計和施工企業(yè)也在根據(jù)各企業(yè)選擇的BIM平臺特點編制企業(yè)標準。如中國鐵路設(shè)計集團有限公司于2016年至2018年間，編制和發(fā)布了《鐵路工程結(jié)構(gòu)分解及命名標準》、《鐵路工程協(xié)同設(shè)計骨架標準》、《鐵路BIM模型配色標準》、《鐵路工程協(xié)同設(shè)計信息傳遞標準》等系列企業(yè)BIM實施標準。

2017年國家鐵路局也啟動了鐵路BIM相關(guān)行業(yè)標準的編制工作。

以上行業(yè)標準、行業(yè)團體標準、企業(yè)標準共同組成了中國鐵路BIM標準體系，見圖1。

2 鐵路BIM應(yīng)用實踐

自2014年以來，中國鐵路總公司組織開展了16個鐵路BIM應(yīng)用試點項目，試點工作主要集中在設(shè)計階段。5年來鐵路BIM設(shè)計應(yīng)用實踐從單專業(yè)單工點應(yīng)用、多專業(yè)成段落應(yīng)用，發(fā)展到全專業(yè)全線應(yīng)用。從專業(yè)設(shè)計發(fā)展到多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，從單純設(shè)計應(yīng)用發(fā)展到設(shè)計向施工交付。鐵路BIM應(yīng)用試點工作達到了搭建協(xié)同設(shè)計平臺、驗證BIM標準、建立BIM工作流程、創(chuàng)建和交付BIM成果的目標。

2.1 京沈客專探索站前多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計[19]

京沈客專開展了站前多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計，其成段落BIM設(shè)計成果見圖2。

(1) 統(tǒng)一搭建了站前專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計平臺。對現(xiàn)有主流設(shè)計軟件進行廣泛調(diào)研、試用后，引進并建設(shè)了BIM協(xié)同設(shè)計主平臺，各專業(yè)基于統(tǒng)一環(huán)境、同源數(shù)據(jù)高效交換信息。

(2) 梳理優(yōu)化BIM模式下站前專業(yè)協(xié)同設(shè)計的業(yè)務(wù)流程，建立鐵路工程結(jié)構(gòu)樹，實現(xiàn)了骨架驅(qū)動、模板智能的BIM設(shè)計。

(3) 基于協(xié)同設(shè)計，建立了測繪、地質(zhì)、線路、站場、橋梁、隧道、路基、軌道各專業(yè)成段落BIM模型，并對支擋防護等工程做了局部優(yōu)化。

(4) 為標準的編制和落地應(yīng)用提供了試驗田。試點項目和BIM標準編制項目同步推進，邊摸索工程模型的分解，邊研究標準分類，兩項工作基本在2015年6月同步完成。將標準植入了BIM設(shè)計平臺，實現(xiàn)了標準信息模型輸出。

2.2 在陽大鐵路實現(xiàn)站前站后全專業(yè)BIM設(shè)計

在陽大鐵路總承包項目探索站前、站后多專業(yè)高效率BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)，全面應(yīng)用并驗證鐵路IFD標準、鐵路IFC標準等，并將精細化的BIM模型應(yīng)用于建設(shè)管理。陽大鐵路BIM模型見圖3。

陽泉北站房橋協(xié)同設(shè)計模型見圖4。利用該設(shè)計模型，發(fā)現(xiàn)并解決了陽泉北站橋梁與房建結(jié)構(gòu)之間的多處干涉問題；對陽泉北站房管綜設(shè)計進行檢核與優(yōu)化；輔助開展了設(shè)計交底；開展了溫河特大橋陡坡高墩和桃河特大橋跨既有線轉(zhuǎn)體梁虛擬施工，并用于施工方案編制與評審。

2.3 在京雄城際實現(xiàn)全線全專業(yè)BIM設(shè)計，并應(yīng)用于設(shè)計審查及建設(shè)管理

京雄城際鐵路初步設(shè)計和施工圖階段均開展全專業(yè)BIM設(shè)計，首次用于輔助設(shè)計審查，BIM模型直觀、高效地方案表達能力發(fā)揮了傳統(tǒng)設(shè)計不可比擬的作用。

京雄城際鐵路BIM項目實施過程中全面應(yīng)用鐵路BIM標準，首次實現(xiàn)以鐵路IFC標準格式從設(shè)計向建設(shè)管理階段的交付。

2.4 在牡佳客專開展長大鐵路全線BIM設(shè)計，實現(xiàn)向施工交付與服務(wù)

實現(xiàn)全線9個標段共367 km鐵路BIM設(shè)計，并應(yīng)用于建設(shè)管理和施工深化。首創(chuàng)BIM模型設(shè)計交付和施工深化應(yīng)用服務(wù)模式，為施工階段提供BIM深化應(yīng)用平臺及LOD350深度模型，服務(wù)器分布式異地部署，實現(xiàn)工程各參與方跨地域協(xié)作。交付流程見圖5。

3 應(yīng)用BIM技術(shù)推進數(shù)字鐵路建設(shè)的思考

3.1 鐵路BIM應(yīng)用中的問題

鐵路工程點多線長、場景復(fù)雜，站前站后專業(yè)眾多，開展BIM設(shè)計需要高水平技術(shù)人員多，投入資源大，目前面臨的主要問題有：

(1) 鐵路BIM技術(shù)蓬勃發(fā)展的生態(tài)環(huán)境有待培育。特別是鼓勵BIM技術(shù)應(yīng)用的政策法規(guī)和配套措施亟待建立。

(2) BIM研究應(yīng)用不充分、不平衡。設(shè)計企業(yè)研究應(yīng)用BIM技術(shù)的積極性及整體水平較高，建設(shè)管理和施工企業(yè)的整體認識及技術(shù)水平參差不齊，而運維企業(yè)尚未起步，不利于BIM技術(shù)在鐵路工程全生命周期應(yīng)用。

(3) BIM標準尚待完善。雖已制定部分鐵路技術(shù)標準和實施標準，但仍不完備，且已頒標準經(jīng)試點驗證仍需完善。

(4) 適用于鐵路設(shè)計與施工的BIM軟件功能不強、產(chǎn)品線不完整。BIM主流軟件多來自建筑與機械制造行業(yè)，支持鐵路應(yīng)用的功能有限，需要持續(xù)的二次開發(fā)。

3.2 鐵路BIM應(yīng)用建議

根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，到2020年全國鐵路里程將達到15萬km，其中高速鐵路3萬km。發(fā)展規(guī)劃要求充分發(fā)揮信息技術(shù)基礎(chǔ)性、引領(lǐng)性作用，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，加快推進新一代信息技術(shù)與鐵路融合發(fā)展，大力促進數(shù)字化、信息化、智能化鐵路建設(shè)。

傳統(tǒng)二維設(shè)計專業(yè)間存在不少“差、錯、漏、碰”；工程建設(shè)各參與方之間信息交換不充分，容易發(fā)生工程質(zhì)量問題；現(xiàn)有運維手段存在眾多的信息孤島，給鐵路運營技術(shù)管理帶來很大挑戰(zhàn)。

鐵路BIM模型可承載豐富的設(shè)計、施工和維修信息，應(yīng)用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)多專業(yè)間的系統(tǒng)協(xié)調(diào)，多工程參與方之間高效協(xié)作?；贐IM模型運維管理，可以有效提升管理水平和工作效率。

因此，加快BIM技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，是構(gòu)建數(shù)字鐵路的必然選擇。

(1) 應(yīng)持續(xù)重視BIM標準的編制與應(yīng)用

首先，要與buildingSMART、國際鐵路聯(lián)盟(UIC)、開放地理信息聯(lián)盟(OGC)等國際BIM標準化組織開展積極合作，廣泛深度參與國際BIM標準的制定工作，主導(dǎo)完成國際鐵路BIM標準的編制。其次，增加鐵路BIM標準對鐵路工程全生命周期應(yīng)用的支持，擴大覆蓋的專業(yè)領(lǐng)域和生命周期階段。同時，要持續(xù)推進鐵路BIM標準的落地應(yīng)用，依據(jù)反饋意見持續(xù)改進和完善鐵路BIM標準，并以市場機制推動BIM軟件廠商對鐵路BIM標準的支持。

(2) 將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路工程全生命周期發(fā)揮更大價值[20-21]

BIM技術(shù)的實施最大收益在運維階段，設(shè)計和建設(shè)階段產(chǎn)生的信息在漫長的運維階段價值顯著；其次是施工階段，精細化的BIM設(shè)計成果對保證工期、減少返工方面價值突出。尤其是在路基自動化施工、拼裝式建筑、橋梁、隧道等構(gòu)筑物更能體現(xiàn)出BIM設(shè)計的應(yīng)有價值。

目前BIM試點主要聚焦在設(shè)計階段，BIM技術(shù)價值仍未完全體現(xiàn)，迫切需要推進施工、運維階段BIM試點，將BIM設(shè)計成果向智能化技術(shù)裝備、數(shù)字化施工及運維延伸，促進BIM在鐵路工程全生命周期應(yīng)用技術(shù)快速進步，發(fā)揮更大價值。

(3) 盡快制定鐵路行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用推廣政策

應(yīng)盡快出臺鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見，明確BIM技術(shù)應(yīng)用要求，制定配套政策，建立基于BIM的價值分配機制，保障BIM技術(shù)應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展。在鐵路工程項目招投標中，應(yīng)明確BIM應(yīng)用要求。

進一步完善相關(guān)建設(shè)工程評獎管理辦法，對申報優(yōu)秀工程勘察設(shè)計、質(zhì)量獎項的項目，凡應(yīng)用BIM技術(shù)的應(yīng)給予加分。建立BIM人才培養(yǎng)機制，加強對企業(yè)管理人員和技術(shù)人員關(guān)于BIM應(yīng)用的相關(guān)培訓(xùn)，建立對BIM技術(shù)應(yīng)用人員的獎勵機制。加大產(chǎn)、學(xué)、研、用投入和資金扶持力度，培育發(fā)展BIM技術(shù)咨詢服務(wù)和軟件服務(wù)的企業(yè)。

4 結(jié)束語

當前，鐵路正在由速度規(guī)模型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，實施“交通強國、鐵路先行”戰(zhàn)略，推進“智能鐵路、精品工程”建設(shè)，離不開鐵路BIM技術(shù)。鐵路行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用必將走上高速發(fā)展之路，更好地助力數(shù)字鐵路建設(shè)。