鐵路工程BIM 協(xié)同設計與構件共享研究

劉北勝，尹遜霄，郭 歌，李 慧，顧 爽

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 北京交通大學 科學技術處，北京 100044）

鐵路工程設計是一項龐大復雜的系統(tǒng)性工程，其項目多、專業(yè)多、人員多、需要設計單位內部、外部團隊密切協(xié)同，協(xié)同工作難度大[1]。這對鐵路工程設計工作的協(xié)同化以及設計數(shù)據(jù)的共享提出了更高的要求。目前，鐵路各專業(yè)設計過程及最終的設計成果均采用了二維圖紙，面對龐大復雜的系統(tǒng)工程會出現(xiàn)設計意圖表達與理解不明確、數(shù)據(jù)傳遞不順暢等問題。建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）設計具有數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)同性和模擬性等特點，可貫穿設計、施工、運營和維護整個鐵路生命周期。讓多專業(yè)協(xié)同設計，實現(xiàn)多階段無縫銜接，信息共享，減少施工階段因設計變更等造成的成本浪費，提升項目管理能力，使項目管理更加精細化、決策更加科學化[2-3]。

BIM 技術作為智能鐵路建設的發(fā)展方向，已經(jīng)得到了廣泛的認可并取得了實質性的進展[4-5]。2013年起，由中國鐵路BIM 聯(lián)盟主導，在主要理事單位共同努力下，初步完成了《鐵路工程實體結構分解指南》、《鐵路工程信息分類與編碼標準》、《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》等BIM 標準[6-7]，取得了國際BIM 組織及達索等國際知名BIM 軟件廠商的支持。2015 年，聯(lián)盟啟動了京沈高速鐵路等多條鐵路BIM 應用示范工程[8]。中鐵二院研發(fā)了基于數(shù)字地球的鐵路三維空間選線系統(tǒng)及二、三維結合的測繪數(shù)據(jù)集成共享平臺，結合石鼓山隧道開展了隧道BIM 三維設計應用研究，重點開展了隧道專業(yè)BIM建模及交付標準研究[9]。結合北盤江大橋開展了橋梁BIM 三維設計應用研究，實現(xiàn)了部分橋梁類型的三維設計。結合西成線開展了路基勘測、設計及施工全過程BIM 應用研究，重點開展了基于BIM 模型的鐵路路基施工工藝研究。中國鐵路設計集團有限公司成立了BIM 研發(fā)項目部，組織鐵路勘察設計各專業(yè)人員開展了BIM 技術在鐵路各專業(yè)的研究及應用，基 于 地 理 信 息 系 統(tǒng)（ GIS， Geographic Information System）、網(wǎng)絡、虛擬現(xiàn)實和數(shù)據(jù)庫等技術，進行了“數(shù)字三維協(xié)同設計系統(tǒng)研究與開發(fā)”。

BIM 設計在鐵路行業(yè)進行了很多有益嘗試，但是實踐表明，現(xiàn)有軟件功能、資源均不足以支承BIM 技術在鐵路行業(yè)的大范圍推廣，相比二維設計，BIM 設計的優(yōu)勢并未顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在：BIM設計協(xié)同能力差、BIM 設計資源難以有效利用和共享。本文對BIM 設計中面臨的協(xié)同工作流程及構件資源共享問題進行研究，提出BIM 設計協(xié)同方法、BIM 模型構件庫等解決方案，將鐵路工程BIM 設計方法體系化、標準化，為后續(xù)鐵路BIM 設計提供借鑒思路。

1 協(xié)同設計流程

1.1 現(xiàn)行設計流程

鐵路工程建設項目設計過程一般分為項目前期、項目實施、項目投產3 大階段，又可細分為11 個環(huán)節(jié)：規(guī)劃研究、預可行性研究、初測、可行性研究、定測、初步設計、補定測、施工圖設計、配合施工、竣工驗收、項目建成銷號。鐵路工程設計是多專業(yè)協(xié)同設計，站前專業(yè)：測繪、地質、路基、線路、站場、軌道、橋梁、隧道等；站后專業(yè)：四電、建筑、工經(jīng)、給排水、機輛等。站前、站后各專業(yè)在項目實施階段的定測環(huán)節(jié)到施工圖設計環(huán)節(jié)協(xié)同工作、互為上下序，開展資料互提、審簽和數(shù)據(jù)共享等工作。設計工作流程，如圖1 所示。

圖1 多專業(yè)協(xié)同設計工作流程

目前，鐵路設計工作有任務分解派發(fā)、任務執(zhí)行、提交設計文件等管理流程，多以會議方式在重要時間節(jié)點面對面制定并發(fā)布任務分解和執(zhí)行進度計劃，項目小組使用通信軟件實時在線溝通任務執(zhí)行進度、提交設計文件。這種管理方式在實際管理中容易造成任務分解版本不一致、提交設計文件版本管理工作量大，任務執(zhí)行進度不易實時掌握的問題。

1.2 BIM 模式下設計工作任務管理

任務流程是由多個單位或人員為實現(xiàn)共同的目標而順序或同時需要完成的一系列規(guī)范化的任務組成。流程管理是為了提高這些流程任務的組織和執(zhí)行效率而使用的系統(tǒng)化方法[10]。BIM 模式下設計數(shù)據(jù)和文件存儲在平臺服務器，數(shù)據(jù)與文件通過一個整體的BIM 進行組織和關聯(lián)，易于設計文件版本統(tǒng)一管理和控制，各專業(yè)設計人員在平臺上協(xié)同工作，執(zhí)行設計任務。項目總體負責人在平臺上創(chuàng)建和分配設計任務，設計人員在平臺上查看需要執(zhí)行的任務、在任務上添加平臺中設計文件的鏈接、填報任務執(zhí)行進度。當某個專業(yè)的設計人員更新并提交了本專業(yè)的BIM 時，基于同一平臺的其他專業(yè)設計人員可及時接收到最新的模型更新內容并做出響應，從而避免由于溝通不暢造成的BIM 偏差、錯漏或版本不統(tǒng)一等問題。

BIM 模式下的設計任務流程管理，如圖2 所示。

設計工作任務管理的分解派發(fā)、任務執(zhí)行、進度填報和設計文件提交，人員管理都在統(tǒng)一的平臺，為設計項目的所有參與人員提供了有效的協(xié)同模式，有助于提高設計工作任務管理效率。

圖2 BIM 模式下設計流程管理

2 BIM 構件庫

實現(xiàn)BIM 設計協(xié)同的另一個關鍵問題是BIM 資源共享，資源共享的前提建立統(tǒng)一的BIM 構件庫[11]。設計單位根據(jù)標準創(chuàng)建一些通用的構件并上傳至構件庫，構件庫對標準構件進行審核、分類、存檔和維護，之后進行發(fā)布并提供給設計單位使用，使BIM 設計資源能夠有效地傳播和復用，提升BIM 設計標準化水平。為保證設計資源能夠正常流轉和使用，BIM 構件庫需要建立完善的管理和保障機制。

2.1 BIM 構件庫特點

BIM 構件庫是BIM 標準構件的有序集合，它應具備以下特點：

（1）應對BIM 構件建立統(tǒng)一的入庫標準，主要是對構件的文件格式以及屬性數(shù)據(jù)進行規(guī)范，并在構件入庫前進行檢查。

（2）鐵路工程BIM 構件分為不同專業(yè)，專業(yè)內部按照用途又可細分為不同類別，構件庫應對構件進行分類，方便檢索，另外構件庫應盡可能涵蓋各類型的常用構件。

（3）構件中所包含的屬性信息應符合相應的應用場景要求，避免屬性信息不完整影響使用效果。

（4）BIM 構件庫應設置數(shù)據(jù)訪問權限，用戶只能訪問其權限范圍內的模型構件信息，最大限度的保證數(shù)據(jù)安全。

（5）BIM 構件庫應有專門的管理人員進行定期維護，更新或刪除不再適用的BIM 構件。

2.2 BIM 構件庫的意義

BIM 構件是寶貴的BIM 資源，對BIM 構件進行收集、維護和管理能夠發(fā)揮其應有的價值，使資源得到復用，建模效率大幅提高，提升模型創(chuàng)建的標準化水平，其意義體現(xiàn)在以下方面：

（1）通過對構件資源進行整合形成BIM 資產，在鐵路工程建設項目全生命周期內傳遞和共享，提高BIM 設計的效率。

（2）BIM 構件資源能夠為BIM 擴展應用系統(tǒng)提供有效數(shù)據(jù)源，例如基于BIM 的仿真分析、碰撞檢測、運行維護等。

（3）BIM 構件庫是BIM 標準化工作的重要環(huán)節(jié)，為建立企業(yè)級BIM 資源庫提供借鑒思路。

2.3 BIM 構件庫設計

本研究在分析路外企業(yè)對BIM 建模需求的基礎上，結合鐵路行業(yè)工程建設項目特點和專業(yè)設置，將BIM 構件庫的功能設置如下：

（1）支持BIM 構件的上傳、下載、在線瀏覽及批量操作等常規(guī)功能。

（2）建立完整的構件分類體系和編碼標準，為構件建立索引。

（3）采用傳輸加密、存儲加密以及用戶身份認證等技術手段保護數(shù)據(jù)安全，對構件資源的訪問進行權限控制。

（4）為其它BIM 擴展應用提供數(shù)據(jù)接口。

基于以上需求，對BIM 構件庫進行架構設計，系統(tǒng)采用B/S 模式，前端基于JavaScript、WebGL 構建瀏覽器三維顯示引擎，用戶可使用手機端App 或PC 端瀏覽器查看BIM 構件與屬性信息。服務端基于C/C++構建模型參數(shù)生成與Web 服務。基于面向對象數(shù)據(jù)庫存儲模型與業(yè)務數(shù)據(jù)。前后端之間的數(shù)據(jù)傳輸采用JSON 協(xié)議格式。系統(tǒng)架構圖，如圖3 所示。

圖3 構件庫架構

2.4 BIM 構件創(chuàng)建和利用

BIM 構件的創(chuàng)建以滿足各階段的BIM 應用為原則，構件的創(chuàng)建過程包含三維模型建立、幾何信息添加、非幾何信息添加等，還包括構件的分類、管理、維護等信息的添加，構件的創(chuàng)建內容主要包括：

（1）各專業(yè)分別建模，每個專業(yè)根據(jù)約定的交付成果創(chuàng)建構件模型。

（2）各專業(yè)的BIM 構件創(chuàng)建應當以三維模型為基礎，根據(jù)構件信息深度要求添加必要的幾何及非幾何信息，最終形成構件模型。

（3）BIM 構件的創(chuàng)建還包括對構件的持續(xù)性修改、管理、維護和記錄。

在BIM 構件的利用方面，依托BIM 構件庫系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了構件的下載、編輯和上傳構件功能。使現(xiàn)有BIM 建模軟件平臺可以連接統(tǒng)一的BIM 構件庫，進行多樣化查詢、瀏覽構件的信息和各種屬性信息、同步更新構件，以及將相應的版本的鐵路BIM 構件載入到BIM 應用軟件中進行編輯、使用與更新。

3 應用效果

三維BIM 模型構件庫在京張高鐵全線的BIM 設計和三站三隧的精細化設計中進行了應用驗證，為建立三維BIM 設計協(xié)同設計模式和構件級設計資源共享積累了有益經(jīng)驗，具體應用效果如下。

鐵路公共建筑與鐵路其它專業(yè)在同一平臺作業(yè)的設計工作并實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，專業(yè)間可以做到相互調用，相互參考，及時發(fā)現(xiàn)問題并反饋問題，及時更改。

各專業(yè)的設計信息均呈現(xiàn)在一個平臺上，打破信息壁壘，避免因信息不對稱造成的滯后，專業(yè)設計過程中需要其他專業(yè)的設計參數(shù)可以進行實時抓取，并產生關聯(lián)關系記錄。信息變更提醒功能，某設計信息變化后，與其關聯(lián)的相關設計內容均收到變更提醒，避免信息滯后產生的差錯漏碰。

在清河站、張家口南站等站房中利用BIM 模型構件庫管理和復用BIM 構件，進行三維BIM 場景構建，從而在設計過程中最大限度提高資源效率。成果經(jīng)驗可復制到全路高鐵建設項目上，復雜的建造過程透明化、可視化，推動鐵路建設從信息化、數(shù)字化走向智能化。

4 結束語

本文以鐵路工程建設項目BIM 設計協(xié)同為研究對象，分別從BIM 協(xié)同設計流程、BIM 構件庫的建立兩個方面開展研究。對BIM 模式下協(xié)同設計工作流程進行了梳理，提出BIM 構件庫的設計方案，在京張鐵路工程建設項目進行了應用。應用效果表明，全專業(yè)在同一工作環(huán)境下開展協(xié)同設計，以三維模型為載體對設計信息進行維護，可實現(xiàn)信息集中管理和共享。依托BIM 構件庫，可實現(xiàn)BIM 構件資源的整合和復用，為裝配式建模提供數(shù)據(jù)源，從而提高設計工作的效率和標準化水平。