城市軌道交通工程BIM標準體系的研究與實踐

李俊松，黃亮亮

(1.中鐵二院工程集團有限公司，成都 610031；2.中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，杭州 310004)

目前軌道交通工程建設如火如荼，正處于飛速發(fā)展時期。BIM技術是推動我國土建工程創(chuàng)新發(fā)展的重要技術手段，對建筑、鐵路、軌道交通、市政等工程的技術進步和轉型升級產(chǎn)生了巨大的影響。

機械制造及建筑行業(yè)的BIM技術起步較早、發(fā)展較快，相應BIM標準體系的建設也較為系統(tǒng)、科學。鐵路行業(yè)在鐵路BIM聯(lián)盟的帶領下，在鐵路系統(tǒng)各科研院校、設計單位、施工企業(yè)的共同協(xié)作下，近幾年也相繼頒布了一系列BIM標準，形成了包括數(shù)據(jù)存儲、信息語義、信息傳遞等方面的標準體系。

城市軌道交通工程建設階段仍處于離散的資源管理模式，信息壁壘、孤島林立，管理手段也較為落后，缺乏BIM技術的系統(tǒng)應用，缺少完善的BIM標準體系。因此，充分發(fā)揮BIM的優(yōu)勢，打通既有生產(chǎn)方式下存在的信息壁壘、管理桎梏，形成規(guī)范化的BIM標準體系建設，提高生產(chǎn)效率，成為破解軌道交通工程中BIM應用困局的有效途徑。

1 既有標準體系綜述

建筑、鐵路行業(yè)與城市軌道交通工程同屬土建工程領域，在建設周期、管理模式、技術手段等方面比較類似，其標準體系的建設思路、編制維度對城市軌道交通標準體系的建設具有指導性意義。

1.1 建筑BIM標準現(xiàn)狀

建筑行業(yè)信息化發(fā)展的時間已有十余年時間，在政府的重視和支持下，近幾年發(fā)展迅速。如今，BIM技術在建設行業(yè)備受關注，BIM應用及標準體系建設也逐步深入、系統(tǒng)。

住房和城鄉(xiāng)建設部高度重視BIM技術在建筑行業(yè)的應用推廣工作，2011年、2016年相繼發(fā)布了《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》[1]、《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》[2]，提出了兩個五年計劃的BIM技術發(fā)展方向，要求基本實現(xiàn)建筑企業(yè)信息系統(tǒng)的普及應用，推動信息化標準建設，促進具有自主知識產(chǎn)權軟件的產(chǎn)業(yè)化。2014年7月出臺的《關于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》[3]中明確指出，應推進建筑信息模型(BIM)等信息技術在工程設計、施工和運行維護全過程的應用。2015年6月頒布了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》[4]，提出建筑行業(yè)部分設計單位及施工企業(yè)應掌握并實現(xiàn)BIM和信息技術的集成應用。2017年7月頒布了《建筑信息模型應用統(tǒng)一標準》[5]，規(guī)定了BIM在工程項目全生命期各個階段建立、共享和應用的原則，包括模型的數(shù)據(jù)要求、交換共享要求、應用要求及其具體實施要求等。2018年1月頒布了《建筑信息模型施工應用標準》[6]，從深化設計、施工模擬、預制加工、進度管理、預算成本管理、質量安全管理、施工監(jiān)理、竣工驗收等方面，提出建筑信息模型的創(chuàng)建、使用和管理要求。2018年5月頒布了《建筑信息模型分類和編碼標準》[7]，規(guī)定了各類信息的分類方式和編碼辦法，這些信息包括建設資源、行為和成果。2019年6月頒布了《建筑信息模型設計交付標準》[8]，規(guī)定了交付準備、交付物、交付協(xié)同三方面內容，包括建筑信息模型的基本架構、模型精細度、幾何表達精度、信息深度、交付物、表達方法、協(xié)同要求等。2019年6月頒布了《建筑工程設計信息模型制圖標準》[9]，用以指導基于BIM的建筑工程設計過程中，各階段數(shù)據(jù)的建立、傳遞和解讀，特別是各專業(yè)之間的協(xié)同，工程設計參與各方的協(xié)作，以及質量管理體系中的管控等過程。另外，即將發(fā)布的《建筑工程信息模型存儲標準》，基于IFC針對建筑工程對象的數(shù)據(jù)描述架構(Schema)做出了規(guī)定，規(guī)定了數(shù)據(jù)存儲和交換的標準格式。

1.2 鐵路BIM標準現(xiàn)狀

根據(jù)鐵路工程建設信息化的總體規(guī)劃，中國國家鐵路集團工管中心引領BIM技術在鐵路工程上的應用研究與BIM標準的制定。中國鐵路BIM標準體系包括技術標準和實施標準兩大部分[10]，技術標準主要包括數(shù)據(jù)存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準等方面，實施標準從資源、行為、交付物三方面指導和規(guī)范了鐵路行業(yè)規(guī)劃、設計、施工、建設管理、運營企業(yè)實施BIM標準。依托于中國鐵道科學研究院創(chuàng)立的《鐵路技術創(chuàng)新》期刊，先后發(fā)布了一系列鐵路BIM標準。2015年1月頒布了《鐵路工程實體結構分解指南》[11]，采用系統(tǒng)分析方法將鐵路工程對象分解為既相互獨立又存在關聯(lián)關系的項目單元，規(guī)范了模型的建立。同月還頒布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[12]，基于IFD全面整理了鐵路工程信息模型的分類、編碼，實現(xiàn)了鐵路工程全生命周期信息的交換、共享。2016年1月頒布的《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》[13]和同年7月頒布的《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》[14]，結合鐵路工程的特點對常規(guī)IFC進行了擴展，統(tǒng)一了鐵路工程模型及信息的存儲標準。2017年9月集中頒布了《鐵路工程信息模型表達標準》[15]、《基于信息模型的鐵路工程施工圖設計文件編制辦法》[16]、《鐵路工程信息模型交付精度標準》[17]、《面向鐵路工程信息模型應用的地理信息交付標準》[18]、《鐵路工程WBS工項分解指南》[19]、《鐵路工程數(shù)量標準格式編制指南》[20]和《鐵路工程信息交換模板編制指南》[21]，規(guī)定了模型命名規(guī)則、模型幾何表達等級、模型的拆分與組合、視圖表達、外部參考等，明確了采用BIM技術設計的鐵路工程施工圖文件的組成和內容，規(guī)范了鐵路工程BIM設計交付物的幾何精度和信息深度，基于線分法實現(xiàn)了對鐵路工項按設計單元的系統(tǒng)分解。2018年12月頒布了《鐵路工程信息模型設計階段實施標準》和《鐵路工程信息模型施工階段實施標準》，均從鐵路工程信息模型的行為、協(xié)同和資源3個基本維度，制定了鐵路工程信息模型的設計、施工實施方法，推動了鐵路工程信息模型在鐵路設計、施工階段的深入應用。

2 城市軌道交通工程標準體系建立

成熟的標準體系可指導參與建設的單位少走彎路，準確鎖定應用目標，較短時間獲取BIM應用所帶來的實際價值。在借鑒建筑、鐵路行業(yè)標準體系研究經(jīng)驗的基礎上，依托于“軌道交通工程BIM技術應用標準體系研究”、“基于BIM的建設管理平臺關鍵技術研究”、“城市軌道交通工程施工BIM管理平臺研發(fā)”等科研項目，開展了系統(tǒng)的城市軌道交通工程標準體系的制定工作，取得了一定的階段成果。

2.1 總體規(guī)劃

結合城市軌道交通工程的建設模式，參考建筑行業(yè)標準分類辦法，將標準體系至上而下分為綱要→導則→指南→手冊四個層級(表1)。

表1 標準體系層級

(1)發(fā)展綱要主要給出行業(yè)發(fā)展方向、方針、政策，制定切實有效的研究、應用步驟與計劃。

(2)實施導則在綱要的基礎上，明確行業(yè)BIM應用的技術路線，提出各單位的BIM實施內容框架，從資源、行為、交付等方面制定準則。

(3)應用指南從技術和實施兩方面著手，結合行業(yè)需求，在構件編碼、模型建立、附加信息、后期交付等方面制定行之有效的標準指南。

(4)技術手冊主要是結合BIM應用的技術細節(jié)，對應用指南進行細化與補充，制定出每一項技術應用的操作手冊和實施要點。

2.2 發(fā)展綱要

綱要引領行業(yè)BIM技術發(fā)展的方向和深度，也是BIM標準體系建設的頂層規(guī)劃。綱要應響應國家發(fā)展、智慧城市建設的戰(zhàn)略需求，滿足行業(yè)、企業(yè)自身發(fā)展的現(xiàn)實需求，編制內容如下。

(1)實施背景：分析行業(yè)、企業(yè)BIM應用面臨的現(xiàn)狀與需求，提出BIM實施初期可能遇到的問題及挑戰(zhàn)，為后期應用推廣奠定基礎。

(2)應用目標：從行業(yè)需求出發(fā)，提出BIM應用的總體目標、階段目標、專業(yè)目標和整體應用價值目標，為技術研究、應用實施指明方向。

(3)實施內容：從戰(zhàn)略發(fā)展角度出發(fā)，規(guī)定BIM實施的標準編制內容、BIM應用的軟件開發(fā)項目、BIM平臺的建設規(guī)劃體系，并提出后期應用推廣的實施步驟、組織機構建設原則、BIM成果交付準則。

(4)推廣建議：為了BIM技術能得到切實有效的應用推廣，在快速建模插件、協(xié)同設計平臺、專業(yè)應用平臺、綜合管控平臺等方面提出培訓實施、資源配置、應用環(huán)境的要求。

(5)實施保障：站在行業(yè)的制高點，提出BIM技術實施應響應國家、地方出臺的相關政策，應引起項目領導的大力支持，要求項目應給予BIM實施相應的資源保證，以達到BIM技術落地應用的目標。

科學制定發(fā)展綱要能保持行業(yè)的領先地位，保證BIM技術系統(tǒng)實施與應用，加快行業(yè)信息化建設的步伐，推動軌道交通工程建設和管理水平穩(wěn)步提升。

2.3 實施導則

導則規(guī)范BIM技術應用的總體思路，也是標準體系建設中關于實施的重要指引內容。通過深挖企業(yè)BIM技術的應用背景，引導企業(yè)制定符合國家、行業(yè)政策趨向的企業(yè)發(fā)展路線，包括BIM實施總體思路、實施管理、實施流程、關鍵技術、相關案例的BIM應用實施等內容。

(1)總體思路：結合企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析研究BIM應用對于企業(yè)發(fā)展面臨的內部改革及調整，明確企業(yè)BIM實施方法，為企業(yè)BIM應用發(fā)展確定指導規(guī)劃。

(2)實施管理：以建設單位(業(yè)主)實施模式和總承包商BIM實施模式為主，針對建設期規(guī)劃、設計、施工各階段，確定了實施的組織架構、各參建方主要職責，詳細說明了BIM技術在各階段的實施流程，其中施工階段的BIM實施流程如圖1所示。

圖1 施工階段的BIM實施流程

(3)關鍵技術：闡述了BIM在規(guī)劃、初步設計、施工圖設計、施工準備、施工建造等階段中應用的技術關鍵點，如規(guī)劃階段將BIM技術應用于場地分析、設計方案比選、虛擬仿真漫游等方面，在施工圖設計階段主要應用于綜合模型建立、碰撞檢測、凈空優(yōu)化等方面。除此之外，還闡述了各階段需要用到的協(xié)同設計、施工信息化管理平臺等內容。

實施導則的制定，明確了國家政策、行業(yè)標準下的企業(yè)發(fā)展方向，為城市軌道交通工程建設企業(yè)提供切實可行的BIM實施準繩，提升企業(yè)在高速發(fā)展的社會經(jīng)濟條件下的競爭力。

2.4 應用指南

結合企業(yè)BIM應用的實際需求，參考相關既有企業(yè)標準，充分考慮國家、行業(yè)的政策規(guī)定，從工程實用角度出發(fā)，創(chuàng)造性地制定了一系列符合國情的規(guī)定，包括分類及編碼標準、數(shù)據(jù)標準、建模標準、應用標準和交付標準。在指南研究編制過程中，遵循了國際IFC標準制定的7項基本原則：兼容性、可移植性、抽象性、可擴展性、可選擇性、可重復性以及易用性。

(1)分類及編碼標準：為實現(xiàn)標準化BIM建模，在滿足城市軌道交通工程規(guī)劃、設計、施工相關標準的前提下，參考工程量清單計價標準，編制了城市軌道交通工程分類及編碼標準，為城市軌道交通工程建設期管理中的信息無損傳遞奠定基礎。圖2節(jié)選了BIM模型構件編碼規(guī)則作為示例，一級定位占用11位字符表達出某城市某行業(yè)某車站某專業(yè)，二級定位占用3～4位字符追溯至構件所處的部位，細部構件編碼則根據(jù)構件EBS分解準確指向該部位的某類構件，流水號則精準選出某一構件，從而實現(xiàn)每個構件的唯一編碼。

圖2 構件編碼規(guī)則

(2)數(shù)據(jù)標準：結合行業(yè)特點，針對城市軌道交通工程建設期的數(shù)據(jù)特點，統(tǒng)一定義了數(shù)據(jù)的語義、存儲、傳遞、應用標準，以達到所有參與方對數(shù)據(jù)理解一致的目的。數(shù)據(jù)的語義標準主要規(guī)定各類數(shù)據(jù)的含義、標準函數(shù)、所屬對象，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)字典；存儲標準則規(guī)定了各類數(shù)據(jù)的存儲、結構、字段類型等，為數(shù)據(jù)接口提供標準的讀寫基礎；傳遞標準則規(guī)定了各類接口標準、文件格式，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各參與方、各階段、各專業(yè)之間的無損傳遞與交付；應用標準界定了各類數(shù)據(jù)與模型構件之間的從屬關系，以及在建設期應用過程中所處時期和表達方式。

(3)建模標準：按照專業(yè)分類定義了各階段BIM模型深度要求，如表2所示。其中施工階段還結合施工工藝、分部分項規(guī)定了不同施工時期的建模深細度(表3)，還參考行業(yè)相關標準，規(guī)定了模型各類構件的建模方法及推薦使用的建模軟件，給出了標準參考族庫及族庫使用規(guī)則，規(guī)定了各類構件的顏色配比等。

表2 建設期各階段模型深度要求

表3 施工建模深度要求

(4)應用標準：從設計、施工兩方面分別制定了應用標準。設計應用標準包含了規(guī)劃設計、初步設計、施工圖設計等時期的標準，從應用模式、人力資源配備、環(huán)境資源配備、BIM資源管理等方面規(guī)定了BIM設計資源建設，明確了設計項目實施策劃編制方法和內容，規(guī)定了協(xié)同平臺、內部協(xié)同、外部協(xié)同等多專業(yè)BIM協(xié)同工作，規(guī)范了準備、分析、檢算、審核、優(yōu)化等BIM設計行為，詳細闡述了測繪、地質、線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場等21個專業(yè)的BIM設計應用內容。施工應用標準界定了BIM應用模式、軟件、硬件等環(huán)境資源，規(guī)定了應用策劃的編制方法和內容，明確了土建、管線遷改、預制裝配、機電、裝飾裝修、鋼結構等方面的施工BIM應用內容，詳細闡述了建設過程中的安全、質量、進度、成本、技術、物料等管理工作重點。

應用標準的編制可為行業(yè)內設計、施工企業(yè)BIM工作落地實施提供指導和參考依據(jù)，為后期標準化的BIM技術應用奠定基礎。

(5)交付標準：各階段BIM應用都有側重點，對模型深度和信息內容也有著不同的要求，交付標準在參考國內外相關標準的基礎上，結合行業(yè)、階段、專業(yè)等特點，制定了符合行業(yè)要求的交付精度等級，規(guī)定了各階段、各專業(yè)、各參建方之間的交付原則、范圍、模型幾何精度和模型信息深度。以設計到施工的交付為例，其標準流程如圖3所示。

圖3 設計施工交付流程規(guī)定

2.5 技術手冊

BIM應用標準的提出，需要以具體技術指導為基礎。技術手冊以BIM應用點為核心，從設計、施工兩個方面規(guī)定每項應用技術的工作要點，為BIM技術的切實可行提供技術保障。

(1)設計手冊：分析目前設計階段應用現(xiàn)狀，確定了規(guī)劃、初步設計、施工圖設計等時期的BIM應用目標，定義了BIM實施流程，詳細、完整、系統(tǒng)地闡述了各項BIM應用技術細節(jié)。手冊闡述了多專業(yè)BIM綜合模型建立的工具、方法和流程，詳細解釋了設計階段各時期的碰撞分析、設計優(yōu)化技術。同時，設計手冊還詳細描述了正向設計、協(xié)同平臺的使用方法和應用案例，可作為一線生產(chǎn)作業(yè)人員的工具參考書。

(2)施工手冊：分析了施工階段BIM的應用目標，提出了以綜合模型為應用基礎的概念，明確了施工準備、施工實施、施工驗收等各時期的BIM應用點，詳細闡述了各應用點的技術細節(jié)、實現(xiàn)方法、實施步驟及標準成果。同時，施工手冊還介紹了主流施工管理平臺、綜合監(jiān)控平臺的使用方法及應用案例，分類總結應用過程中的成功經(jīng)驗和問題教訓。技術手冊的編制，為城市軌道交通工程建設BIM應用的標準化提供了翔實的技術參考，有效提高各技術人員BIM作業(yè)水平，提升工程技術管理質量。

3 項目實踐

3.1 工程概況

以廣州城市軌道交通工程指揮部直管的廣州地鐵11號線、13號線二期、7號線二期、綜合管廊等項目為依托，全方位開展標準研究、平臺研發(fā)、現(xiàn)場實施等工作，取得了一系列階段成果，也得到了廣州市政府、業(yè)主及社會各界的認可。

3.2 應用規(guī)劃

貫徹發(fā)展綱要的要求，選定廣州地鐵11號線、13號線二期、7號線二期為BIM試點項目，確定其施工階段BIM應用的目標。根據(jù)實施導則明確BIM應用的技術路線和關鍵技術，制定切實有效的實施計劃。

廣州地鐵各條線均為施工總承包工程，因此BIM應用點主要集中于施工階段，重點對施工階段的應用指南和實施手冊進行驗證。結合應用指南確定車站、區(qū)間、車輛段等模型建立的編碼規(guī)則，確定各類BIM應用點的應用深度、技術方法、實施流程、交付成果等，預先定義出施工管理平臺各類應用之間的接口標準、數(shù)據(jù)標準等。實施過程中，技術手冊則為一線操作人員提供了技術參考，使各應用點切實有效地落地。同時，在項目應用過程中，結合實踐經(jīng)驗、教訓，再逐步完善應用指南和技術手冊。

3.3 應用情況

廣州地鐵施工階段擬定的BIM應用點主要包括綜合模型建立、線路優(yōu)化、場地布置模擬、管線遷改優(yōu)化、施工方案模擬、工程驗交管理、生產(chǎn)過程管控等，在此選擇具有代表性的車輛段施工模擬作為示例，以此說明標準在施工過程中的應用與驗證。

車輛段施工分蓋內、蓋外兩部分，整體土建面積超過30萬m2，工期僅2年。由于工期緊、任務重，決定采用BIM技術優(yōu)化工期，通過對施工場地規(guī)劃、施工工序、預制件加工安裝、人材機動態(tài)配備等方面的詳細模擬，提前虛擬解決施工過程中的差錯漏碰、優(yōu)化施工方案、降低成本，為施工階段安全、質量、工期、成本等目標的實現(xiàn)提供技術保障。

(1)實施方案

針對現(xiàn)場情況，結合指南、手冊的相關要求，從組織架構、族庫建立、建模標準、施工模擬、驗收交付等方面制定了系統(tǒng)的技術路線，如圖4所示。

圖4 施工模擬技術路線

(2)團隊建立

根據(jù)實施指南應用標準的相關規(guī)定，明確實施團隊架構，在初步評估項目工作量的基礎上，確定了具備專業(yè)知識、6年以上BIM經(jīng)驗的組長1名、副組長1名，配備了從事了城市軌道BIM應用工作3年以上的組員8名。入駐廣州車輛段現(xiàn)場，開展族庫構建、綜合模型搭建等基礎工作，開展場地布置及優(yōu)化、土方開挖、預制加工、構件運輸、現(xiàn)場拼裝等十余項模擬工作。

(3)建模軟件及標準

按照實施指南應用標準、交付標準的相關規(guī)定，結合廣州市政府、業(yè)主的相關要求，實施小組準備采用Revit建立車輛段建筑、結構、場地等模型，采用Catia建立地質、軌道等模型，采用航飛傾斜攝影建立周邊環(huán)境實景模型，最后在自主研發(fā)的輕量化圖形引擎中合模、碰撞、優(yōu)化。

綜合運用應用指南的《模型建立標準》、《模型驗收標準》、《模型交付標準》，建立起廣州地鐵適用的結構分解、工作分解、構件編碼等系列標準，使得建立的模型規(guī)范、有序，施工管理平臺可自動識別各類構件，為后續(xù)的平臺管控奠定基礎。

(4)場地布置模擬

按照實施指南、技術手冊制定詳細的場地布置模擬及迭代優(yōu)化的實施流程，在建立的車輛段綜合模型的基礎上，按照現(xiàn)場施工組織進行施工模擬，并配置施工步序中每項工作的人料機資源需求。然后，根據(jù)預先設置的工期、質量、資源控制標準，循環(huán)迭代優(yōu)化場地中的加工區(qū)域、作業(yè)區(qū)域、臨時道路、存放場地等布置(圖5)，使得場地布置最優(yōu)。

圖5 車輛段場地布置

(5)施工過程模擬

在場地布置穩(wěn)定后，就可按照現(xiàn)場施工組織開展土方開挖、圍護結構施工、樁基施工、預制加工、構件運輸、現(xiàn)場拼裝等施工過程模擬工作。本環(huán)節(jié)主要用到技術手冊作為操作人員的參考資料，提供模擬過程的操作指導。施工過程模擬也是循環(huán)迭代優(yōu)化的過程，中間過程比較繁瑣，在此不一一贅述，關鍵環(huán)節(jié)的成果圖片如圖6～圖8所示。

圖6 原始地塊

圖7 臨時設施建設完成

圖8 底板施工完成

4 結語

城市軌道交通行業(yè)BIM標準體系的制定是必然趨勢，也是行業(yè)BIM技術的推廣應用及落地實施的必要條件。廣州地鐵項目對標準的應用與驗證，說明按照綱要、導則、指南、手冊的模式建立城市軌道交通工程建設階段BIM標準體系是正確的，應用指南、技術手冊對BIM應用點、技術路線、實施流程、操作步驟的規(guī)定具有可實施性，可為BIM技術的落地應用提供堅實的基礎。標準的建立與完善是一項長期工作，在確保標準體系的科學性及實用性前提下，后期需要結合更多項目的實踐應用、經(jīng)驗總結來優(yōu)化、修訂、補充，也需要與時俱進，將更多的新技術納入標準體系中。同時，本標準體系現(xiàn)階段界定為建設階段的標準，后期希望能聯(lián)合相關運行維護單位、機構延伸研究城市軌道交通工程運維階段的標準集，真正建立全壽命周期的標準體系。