BIM技術在軌道交通工程中的應用構想與實踐
——以北京軌道交通19號線一期工程為例

蘇立勇，周 軼，張志偉，路清泉

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068)

0 引言

近年來，政府對信息化的推動力度不斷加大，BIM產業(yè)發(fā)展如火如荼，從業(yè)人員和市場規(guī)模發(fā)展迅速。但是，BIM技術繁榮的背后隱憂頗多，應用思路、技術上存在諸多問題，總體上還處于投入多產出少、建模型、放動畫的初級階段，尚未給相關行業(yè)帶來明顯推動作用[1]。

目前，已有不少針對BIM技術應用的研究。陳海麗等[2]以南京地鐵5號線PPP項目為例,介紹了項目施工過程中BIM技術初步應用與后期規(guī)劃；陳濤等[3]依托寧波市軌道交通某地下車站土建工程，對基于BIM(building information modeling，建筑信息模型) 的數字化建設管理技術展開研究，從平臺架構的技術層面及應用層面進行論述；易德新等[4]研究了BIM技術在軌道交通項目施工管理中的應用,建立了軌道交通的協同施工管理平臺，并以寧波軌道交通3號線一期明樓站的施工管理為例,在數據深化和BIM施工管理應用2方面展開應用研究；段熙賓等[5]研究了面向軌道交通項目的BIM協同設計平臺，將貫穿于項目設計周期內的信息進行集中及有效管理,提升設計院的信息化管理水平；施平望等[6]從軌道交通項目實際應用需求出發(fā),研究BIM項目協同平臺的網絡架構以及各大功能模塊,包括文檔管理模塊、流程管理模塊、設施設備構件庫模塊以及數據校驗模塊,并依托上海市軌道交通在建項目,驗證平臺應用的可行性及價值；張波等[7]在北京、蘭州、呼和浩特BIM實施經驗的基礎上,基于城市軌道交通工程建設特點,提出城市軌道交通工程BIM實施體系組成和建設方法，并對實施過程中存在的問題進行思考,可為城市軌道交通的BIM實施提供參考；李姝君等[8]分析得出BIM 技術目前存在數據基礎薄弱、基本技術與通用管理系統(tǒng)欠缺、工程管理水平有限等瓶頸，針對性地提出完善技術標準、提升軟件通用性和數據利用能力、建設工程生命周期管理框架和融入智慧城市體系等建議，同時指出BIM技術在設計、施工、運維階段存在的實際問題，但是沒有依托實際項目描述具體存在的問題。

綜上所述，目前主要從設計、施工、項目管理以及純技術角度對BIM應用進行分析研究。本文結合用戶需求和全過程應用，對目前存在的問題深入分析，剖析各階段BIM應用的痛點，并提出思路和下一步提升計劃。

1 BIM概述

1.1 對BIM的理解與認識

BIM是指由各種數據組成的模型。從概念中就可看出，BIM的實質是信息，BIM技術應用的核心是數據的應用，一切都應圍繞數據的采集、分析和研究做工作。理論上來說，所有的數據都是有用的，但過多的數據會導致系統(tǒng)規(guī)模過大、投資代價太大，甚至無法實現最終目的。因此，首先需要對數據需求進行梳理，篩選有價值數據，剔除無價值數據，減小系統(tǒng)規(guī)模，以最小的代價獲取最大的價值；其次是數據的采集，通過二維碼、物聯網、激光掃描等技術保證工程數據的準確性、實時性，以滿足工程的應用；然后是數據的分析與應用，通過數據提高工程的精細化管理，提高工程質量，降低工程風險，降低工程造價；最后通過數據的長期積累形成工程大數據庫，通過背后的強大機器學習算法及業(yè)務數據分析為后續(xù)工程的建設提供指導。新的時代是信息時代、大數據時代，而BIM技術正是建筑業(yè)大數據時代的一把金鑰匙。

1.2 當前BIM應用存在的問題

隨著BIM應用的不斷深入，越來越多的問題暴露出來，尤其是在軌道交通行業(yè)，點多線長、周邊環(huán)境復雜、工程過程中變化較多、整體籌劃困難等特殊性，使得BIM應用落地更加困難。

1)BIM應用需求不明確，未能與工程密切結合。BIM的核心是數據，不同的需求對應不同的數據和技術路線。不同業(yè)務部門的工作內容與信息化的可結合程度不同，針對業(yè)務的需求調研工作量大、專業(yè)知識要求高。因此，雖有調研工作，但往往落實不到位，導致各方的BIM應用需求不明確。在需求不明的前提下為應用而"應用"，這是BIM應用效果差強人意的直接原因。

2)BIM整體架構不清晰、平臺建設難度大。目前對BIM平臺建設基本上是簡單地將開發(fā)任務交給BIM中心或者信息中心開發(fā)，導致業(yè)務與信息脫節(jié)，業(yè)務部門參與度不足，這是研發(fā)平臺不滿足需求、難以推廣應用的根本原因。此外，對企業(yè)自身來說，缺乏基于BIM的意識、思維而開展企業(yè)的管理流程再造，也是BIM技術無法很好推進和落地的原因。

正是因為需求不明確、業(yè)務部門參與度不足及管理流程未能與BIM技術相適應等原因，使得目前大部分的BIM應用淪為"紙上談兵"，盡管看起來很美，實際上卻淪為"建模型、放動畫"的尷尬境地，未能充分發(fā)揮BIM的技術優(yōu)勢。

2 BIM技術應用構想

BIM技術應用應該充分分析行業(yè)現狀、發(fā)展趨勢和特點，發(fā)揮BIM技術信息完備、信息關聯、信息一致等突出特點對接項目信息化管理平臺、公司信息化管理平臺，形成BIM+項目管理(PM)為核心的綜合性企業(yè)信息化管理系統(tǒng)，實現協同工作及信息共享，為企業(yè)管理、項目管理提供一套以BIM技術為載體、以信息流轉為目的、以項目管理為核心的綜合、領先項目管理信息系統(tǒng)。

BIM技術應用應以BIM數據庫為基礎、信息化管理平臺為載體，形成以質量控制、進度控制、投資控制為目標，信息管理、合同管理、安全管理為手段，貫穿規(guī)劃設計、施工、運維各階段，統(tǒng)一模型、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一應用的BIM+PM的應用體系。

2.1 設計階段BIM應用構想

目前，業(yè)界提出的采用BIM技術進行"正向設計"[9]，除實現設計成果三維化外，并未明顯提升設計成果質量。但這種做法卻需要改變設計人員設計習慣，降低了設計效率，增加了設計投入成本。在這種情況下，期望設計行業(yè)積極、主動地采用BIM技術無疑是很難的，尤其是處于"買方市場"的軌道交通設計行業(yè)。更何況對于BIM技術本身，國家相關標準和配套政策尚不夠成熟。

綜合研判，當前階段BIM正向設計在技術上、組織上尚未準備充分，全面推廣應用時機尚不成熟，以輔助設計為主可以最大程度發(fā)揮其技術優(yōu)勢。就軌道交通工程而言，應該分階段實施。在工程可行性研究和初步設計階段，可以通過BIM技術輔助線路走向、站位、車站附屬工程設計；在施工圖設計階段，可以通過應用BIM技術輔助開展三維掃描、裝修、管線碰撞檢查等多專業(yè)的深化設計，提高設計質量，彌補設計缺陷，提供準確完整的數據信息，為后續(xù)軌道交通建設、運營提供便利。

軌道交通附屬的周邊環(huán)境復雜、變化多端，但設計手段單一、固化，尚停留在以效果圖確定方案的階段，導致建成后效果不理想，甚至影響城市景觀，如圖1所示，是當前軌道交通建設的痛點和痼疾之一。BIM技術的"所見即所得"，使軌道交通附屬在設計階段就真正融入城市的設想成為一種可能。通過集成軌道交通沿線周邊建筑環(huán)境與附屬一體化設計方案，將BIM技術與CIM(城市信息模型)技術融合，可以直觀、真實地在設計前期對地鐵車站附屬出入口、風亭、冷卻塔等的位置進行比選，確定最為合理、準確的設計方案。

軌道交通公共區(qū)是乘客的主要活動空間，也是軌道交通的亮點和展示空間。目前由于裝修設計時大量的異形結構給加工和施工帶來困難，加上導向、視頻等專業(yè)對空間的影響，大部分車站建成后效果大打折扣；設備管線、裝修等的專業(yè)配合復雜，經常出現碰撞、打架現象，由此帶來的施工調整也非常常見。如果車站公共區(qū)裝修和管線綜合采用BIM技術，可提前彌補碰撞、打架等設計缺陷，也可有效解決后期實際效果與效果圖有出入的問題，且將導向 、視頻等多專業(yè)整合在裝修設計中，盡可能減小吊桿和導向標識對裝修效果的影響。某地鐵車站公共區(qū)吊桿影響車站裝修整體效果如圖2所示。通過真實環(huán)境多視角瀏覽技術"身臨其境"，對細節(jié)進行調整；同時，如圖3所示，通過BIM的三維技術對弧形板、異形板尺寸、角度等準確、完整表達，彌補二維表達方式的缺陷，為工廠精確加工、確保效果實現打下良好基礎。

(a) 效果圖

圖2 某地鐵車站公共區(qū)Fig.2 Public area of a metro station

圖3 異形板結構展示Fig.3 Demonstration of special-shaped board structure

地鐵車站設備管理用房區(qū)域空間狹小、管線眾多，各專業(yè)管線碰撞、缺少安裝維護空間，管理用房區(qū)的設備管線綜合是軌道交通建設長期面臨的難題。在施工圖設計階段，應用BIM技術深化管線綜合設計，進行管線碰撞檢測，優(yōu)化調整設計成果，合理布置設備區(qū)走廊及公共區(qū)管線，為后期的管線安裝及運行維護提供良好的基礎。管線綜合深化設計模型見圖4。

圖4 管線綜合深化設計模型Fig.4 Pipeline comprehensive deepening design model

2.2 施工階段BIM應用構想

軌道交通工程具有點多、面廣、線長、周邊環(huán)境條件復雜的特點[10]，傳統(tǒng)的管理手段難以滿足工程建設精細化、標準化的需求。BIM技術的信息完備性、信息關聯性、信息一致性、可視化、協調性等特點[11]，使得工程全過程的可追溯性、管理的精細化有了可能，這就是建立基于BIM數據庫的BIM+PM的應用體系。

施工階段是BIM應用最主要的階段，建設階段相關數據的采集、數據庫的形成主要在這個階段[12]。制定精細化、數字化、全流程、全要素(包含人、機、物料等多種元素)的虛擬施工，與現場實際施工進行對比分析，形成以進度為核心，涵蓋安全質量、投資等的工程建設全過程數字化的BIM應用模式，見圖5。

圖5 以進度為核心的BIM應用模式Fig.5 BIM application mode with progress as core

如圖5所示，為了實現工程建設全過程數字化的BIM應用目標，需要搭建合理的項目管理信息化平臺，在提前穩(wěn)定設計方案、提供設計圖紙的基礎上，由施工單位深化BIM模型。施工階段的BIM模型應得到設計、施工、監(jiān)理及業(yè)主的認可后進行封存。如果需要改動，應該按照設計變更、洽商等管理流程進行變更，并按進度計劃細化各個施工步序，列出每一道施工工序所需的時間、人員、機械和施工材料等，實現真正意義上的虛擬施工，從而分析和發(fā)現施工中可能存在的問題、優(yōu)化施工組織。

在施工中，采集施工進度與投入的人、機、物等的真實數據與計劃進度和計劃發(fā)生的人、機、料進行對比分析，可以預判工程完工時間，并通過與預期目標進行對比，對關鍵節(jié)點進行重點協調，以實現工期的可預測性。由于模型是經過多方確認的，通過二維碼、激光掃描、物聯網等技術對工程數據的真實性與實時性進行控制，完成進度的確認即可確認工程投資結算，減少過程糾紛及大量人力、物力的投入。由于對全過程進行監(jiān)控和數據留存，BIM應用真正實現了全過程、全要素的可追溯性，形成對工程尤其是隱蔽工程的有效監(jiān)管，確保工程質量可控。同時，其可視化、協調性等特點，使得參與各方能實時了解項目現狀，及時發(fā)現、解決問題，真正實現協同工作及信息共享，滿足工程建設精準化、信息化需求。

2.3 運維階段BIM應用構想

運維階段是項目全生命周期持續(xù)時間最長、費用最高的階段，既需要設計、建設階段中的相關信息，也需要實時獲取大量運行狀態(tài)監(jiān)測數據，信息種類多、數量大、范圍廣[13]。依據資產管理的相關規(guī)則，以資產管理編碼標準為基礎，利用無源射頻識別(RFID)等技術形成設備資產數據庫，避免傳統(tǒng)資產管理存在的問題，大大減少人工投入和工作量。最終通過建設階段形成的項目數據庫，進行模型分類和組織，形成基于BIM的三維數據庫，實現以資產移交、資產管理為目標的數字化交付。在具體實施中，從項目立項、設備采購至施工進行全過程數據采集和深化，最終形成三維資產清冊，進行數字化移交?；贐IM的資產數據采集流程如圖6所示。

圖6 基于BIM的資產數據采集流程Fig.6 BIM-based asset data collection process

未來資產的新增、變更、處置、報廢、折舊、盤點、使用記錄、故障及維修記錄等數據都會詳細記錄在基于BIM模型的資產管理數據庫中。通過對數據的管理實現基于BIM的資產全過程管理。

2.4 BIM的大數據分析與應用構想

通過建立基于BIM數據庫的PM平臺，可以形成完備的信息，為大數據的分析應用打下良好的基礎，用于指導后續(xù)的建設與運營。由于地下工程的復雜性，很多計算參數無法準確量化，目前地下工程建設仍是以經驗為主、計算為輔。通過對建設過程中形成的數據庫進行分析，可以為工程建設提供更多依據，使設計方案更加合理。通過大數據不斷的積累、更新、分析與比對，可以優(yōu)化配置人、機、料、工籌步序，使施工方案更加合理，人、機、物料的調配更加合理有序，從而降低施工成本，提高工程質量。運營維護期間的數據分析也可以為行車組織、運營安全、設備維護及材料供應等提供輔助決策支撐，對以后的工程建設、運營維護具有極大的指導意義，同時也將成為企業(yè)的核心資產，為企業(yè)提供核心競爭力。

3 北京軌道交通19號線工程的BIM應用

3.1 工程概述

北京地鐵19號線一期工程線路全長22.4 km，全部為地下線，共設車站10座、車輛段1座。線路穿越城市中心城區(qū)，多次下穿既有線，途經道路狹窄、管線密集地區(qū)，線路埋深大，風險性高，工程施工作業(yè)面多、工程量大，工期及施工場地緊張，整體部署、資源調配及項目管理難度大[14]。

19號線一期工程作為北京市建筑信息模型(BIM)應用示范工程和公司BIM技術應用示范線，提出"抓需求、抓落地、抓實效"的工作思路，突出需求導向和問題導向。設計階段以輔助設計為主，提高精細化設計水平；施工階段以進度控制為主線，以質量控制、進度控制、投資控制為目標，提高建設管理信息化水平，最終形成數字資產移交，為后期運營管理信息化打下良好基礎，摸索出一種適合軌道交通工程的BIM應用模式。

3.2 BIM-GIS數據庫平臺

數據庫平臺分階段、分需求，集成了規(guī)劃設計、數字建造、運營維護、智慧施工以及數字交付等多功能模塊，如圖7所示，其中各功能模塊均能實現三維可視化的模型數據漫游瀏覽，文檔、信息檢索和錄入，視頻監(jiān)控，實時數據監(jiān)測以及與外部系統(tǒng)對接等功能。平臺建設圍繞"數據采集、數據集成、數據應用及數據分析" 的軌道交通工程建設全生命期BIM技術標準、管理應用體系進行，保證數據的傳遞和共享滿足BIM應用并符合工程建設要求[14]。

圖7 數據庫平臺架構[15]Fig.7 Database platform architecture[15]

3.3 數據應用

3.3.1 設計階段的應用

在設計階段以需求為導向實施一系列可落地、可持續(xù)的BIM應用，完成19號線一期工程車站模型、周邊建(構)筑物模型的集成，方便數據查詢、管理等基礎應用，并為建設、運維等各種管理平臺預留接口。1)完成圖紙信息的收集，保證城市軌道交通工程實施中的各種技術資料及信息得到有效采集與管理；2)合理控制文件版本，保證BIM模型和圖紙等數據的有效性、唯一性、完整性、及時性，方便BIM模型的實時瀏覽、查閱與審核；3)實現設計方案的可視化模擬、方案比選及輔助匯報等應用，其中，重點對附屬一體化及裝修的BIM應用進行探索與創(chuàng)新。

在北京軌道交通19號線一期工程設計階段首次超前開展附屬一體化工作，精心研究全線出入口、風亭和冷卻塔設置情況，充分發(fā)揮了BIM"所見即所得"的技術優(yōu)勢。結合CIM技術，對全線所有出入口、風亭及冷卻塔外觀形式、位置進行優(yōu)化。依托BIM+CIM技術完成的設計成果獲得了較高的評價，對其他新建、在建線路及既有線改造具有借鑒作用。

首次嘗試在裝修設計階段整合全專業(yè)BIM模型。通過三維激光掃描技術復核土建模型與土建竣工實體的一致性；通過點云數據與模型的比對，調整土建模型，作為后續(xù)專業(yè)深化設計的基礎，大大提高機電深化階段和裝飾排版深化階段的數據準確性，如圖8-11所示；通過BIM+VR技術的應用，實時直觀展示方案并進行方案比選和設計方案的深化與調整，有效解決導向標識及視頻對裝修效果的影響，具有行業(yè)先進性。

圖8 點云模型與BIM模型對比Fig.8 Comparison between point cloud model and BIM model

圖9 機電管綜模型Fig.9 Electromechanical pipeline integrated model

圖10 裝修BIM模型Fig.10 Decoration of BIM model

圖11 裝修標準化構件庫Fig.11 Decoration of standard component library

3.3.2 施工階段的應用

在施工階段，落實以進度為核心的全過程數字化的BIM應用。通過全線各工點工程實施中空間數據與業(yè)務數據的采集，開展基于BIM技術的虛擬現場、前期管理、安質管理、進度管理、風險管理及智慧工地等工作，不斷對工程技術BIM應用進行探索創(chuàng)新。在基于BIM的施工方案模擬、深化設計、三維可視化技術交底及風險管理等方面取得了較好的應用成果，推動了工程朝著數字化、精細化與信息化的方向發(fā)展。19號線一期工程部分技術交底應用成果如圖12所示。

圖12 技術交底成果Fig.12 Technical clarification results

偏差較大處用暖色調表示；偏差較小處用冷色調表示。

在工程模塊中，前期工作內容(征占地、交通導改、既有設施穿越、地上物拆改、園林伐移、商業(yè)補償、房屋拆改、管線改移)通過柱狀圖實時展示，如圖13和圖14所示，展示內容包括地塊名稱、狀態(tài)、規(guī)劃許可時間等。平臺實時顯示前期工作公告，包括：急需地塊及規(guī)證時限提醒，點擊具體地塊名稱即可跳轉至相應地塊位置，查看地塊基本信息。

圖13 前期工作內容柱狀圖Fig.13 Histogram of preliminary work content

圖14 前期工作內容展示Fig.14 Display of preliminary work content

在進度管理模塊中，首次通過將工程進度計劃數據與模型相關聯，利用BIM技術將工程的二維形象進度表達轉化為三維形象進度表達，更加直觀。施工單位根據施工計劃填報進度信息、施工分組的計劃工期與實際完工日期，形成進度追溯看板，查看具體導洞、豎井、梁、柱等工況混凝土量、鋼筋量以及進度計劃對比等,如圖15所示。

圖15 三維形象進度表達Fig.15 Progress expression of three-dimensional image

在風險管理模塊中，按照設計圖紙完成測點布設模型及攝像頭布置模型布置，并與現場保持一致。集成后的模型數據包含環(huán)境風險模型、自身風險模型、監(jiān)測點模型、攝像頭模型4部分。通過施工階段的風險數據錄入，實時展示在施分項工程風險源分類統(tǒng)計如圖16所示，目前已實現與公司級風險平臺的風險監(jiān)測數據及監(jiān)測預警數據實時對接。

圖16 安全風險監(jiān)測預警分級統(tǒng)計Fig.16 Security risk monitoring and early warning classification statistics

4 結論與建議

19號線一期工程嘗試建立結合項目管理的軌道交通全生命周期BIM-GIS數據庫，推動工程建設管理的精細化和信息化，并取得了一定的成效，總結如下：

1)深化BIM技術在設計、施工、運維階段的應用。結合現實情況，超前研究、量力而行，現階段主要推進BIM輔助設計和以進度管理為核心的工程項目信息化建設，為資產移交和運維管理打下良好的基礎。

2)完善一個數據庫、建設多個平臺。實踐證明，只依靠一個平臺、一種軟件去完成軌道交通行業(yè)的全生命周期管理是不現實的，我們的目標應該是搭建項目BIM數據庫，完善多平臺建設，分階段、分專業(yè)、分需求使用不同的平臺實現軌道交通工程全生命周期的管理。

3)充分重視大數據的價值。通過長期的建設、運營形成的基于BIM的軌道交通大數據將是一個無盡的寶藏。未來隨著BIM技術的發(fā)展以及軌道交通數據庫的完備與成熟，運用大數據算法對后續(xù)軌道交通工程進行指導，將極大推動軌道交通行業(yè)發(fā)展，提升軌道交通企業(yè)的核心競爭力，為我國軌道交通行業(yè)走向世界打下良好基礎。