鐵路工程BIM正向設(shè)計(jì)的思考與實(shí)踐

李俊松，董鳳翔

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，我國(guó)在建筑、鐵路、公路等行業(yè)廣泛展開BIM技術(shù)應(yīng)用研究，并帶來了革新性變化［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2017年，我國(guó)建筑業(yè)32.90%的企業(yè)BIM投入經(jīng)費(fèi)在10萬元/年以內(nèi)，3.30%的企業(yè)BIM投入經(jīng)費(fèi)超過500萬元/年；截至2021年，各企業(yè)BIM投入經(jīng)費(fèi)均有較大提高，僅5.69%的企業(yè)BIM投入經(jīng)費(fèi)在10萬元/年以內(nèi)，19.77%的企業(yè)BIM投入經(jīng)費(fèi)超過500萬元/年。由此可知，BIM應(yīng)用已經(jīng)成為提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的必要手段［3］。

伴隨國(guó)家推進(jìn)工程行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮，鐵路工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)管控質(zhì)效要求顯著提升［4-5］。由于鐵路工程設(shè)計(jì)涵蓋專業(yè)眾多、BIM正向設(shè)計(jì)軟件開發(fā)難度大，在接口編寫、成果交付、模型審查等方面缺乏全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，致使BIM技術(shù)多用于可視化方案展示、“錯(cuò)漏碰缺”檢查等，未能真正發(fā)揮BIM技術(shù)的價(jià)值。同時(shí)，多數(shù)專業(yè)基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)尚未形成系統(tǒng)的解決方案、標(biāo)準(zhǔn)流程、交付方式和內(nèi)容，極易導(dǎo)致BIM設(shè)計(jì)效率低下、設(shè)計(jì)成果質(zhì)量不高等問題。鐵路BIM聯(lián)盟針對(duì)鐵路行業(yè)出臺(tái)了一系列鐵路BIM團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，各相關(guān)設(shè)計(jì)院也在此基礎(chǔ)上積極開展BIM正向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化工作［6-8］。依托該系列標(biāo)準(zhǔn)，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱中鐵二院）基于Bentley數(shù)字化平臺(tái)的專業(yè)線性建模軟件Open Roads Designer（簡(jiǎn)稱ORD），開發(fā)了鐵路工程站前各專業(yè)的BIM正向設(shè)計(jì)軟件。其中，隧道專業(yè)軟件的BIM正向設(shè)計(jì)功能最為系統(tǒng)、全面。

1 問題剖析

BIM正向設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)鐵路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程的徹底變革，使得鐵路工程各專業(yè)可以通過直觀的三維模式展現(xiàn)，從而有效提高鐵路工程設(shè)計(jì)的效率、準(zhǔn)確性、協(xié)調(diào)性。但是，鐵路工程BIM正向設(shè)計(jì)的推廣進(jìn)度尚未達(dá)到預(yù)期，其阻礙因素包括社會(huì)、政策、管理、技術(shù)等方面。其中，社會(huì)因素決定了BIM正向設(shè)計(jì)的生存環(huán)境，如各軟件廠商的支持、社會(huì)培訓(xùn)健全度等；政策因素決定了BIM正向設(shè)計(jì)的發(fā)展環(huán)境，如政策支持、政府經(jīng)費(fèi)支持、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定等；管理因素是制約BIM正向設(shè)計(jì)的內(nèi)在要素，如企事業(yè)單位內(nèi)部頂層領(lǐng)導(dǎo)的支持、基層技術(shù)人員的認(rèn)知等；技術(shù)因素是BIM正向設(shè)計(jì)能否順利推動(dòng)的核心要素，如標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、專業(yè)協(xié)同等。

作為鐵路BIM正向設(shè)計(jì)的核心要素，技術(shù)因素主要包括標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同、效率、共享等4個(gè)方面：

（1）標(biāo)準(zhǔn)方面。體現(xiàn)在現(xiàn)階段國(guó)家、行業(yè)缺乏統(tǒng)一的BIM標(biāo)準(zhǔn)，且未能頒布類似二維出圖的強(qiáng)制性規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

（2）協(xié)同方面。體現(xiàn)在鐵路工程各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)軟件多為單機(jī)版，難以實(shí)現(xiàn)專業(yè)間、專業(yè)內(nèi)的實(shí)時(shí)協(xié)同，而跨平臺(tái)協(xié)同更加困難。

（3）效率方面。體現(xiàn)在現(xiàn)有大多數(shù)BIM正向設(shè)計(jì)軟件實(shí)際為翻模工具，缺乏符合設(shè)計(jì)習(xí)慣的流程、操作交互，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低下。

（4）共享方面。體現(xiàn)在缺乏行業(yè)、企業(yè)內(nèi)部成熟的BIM構(gòu)件庫，不同階段、不同軟件的BIM成果不能高效流轉(zhuǎn)，導(dǎo)致模型、數(shù)據(jù)的復(fù)用率低。

2 整體規(guī)劃

鐵路工程專業(yè)眾多，各專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)路線及應(yīng)用內(nèi)容并不完全相同，但面臨的問題卻大同小異。因此，可按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、分專業(yè)突破、并行協(xié)同”原則，制定鐵路工程BIM正向設(shè)計(jì)整體規(guī)劃（見圖1）。由圖1可知，規(guī)劃內(nèi)容主要包括：

圖1 整體規(guī)劃

（1）貫徹國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合科研項(xiàng)目編制項(xiàng)目級(jí)、線路級(jí)技術(shù)手冊(cè)和應(yīng)用指南。

（2）在項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)校審中，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、單專業(yè)的BIM協(xié)同，利用中心數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同。

（3）研究正向設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，開展單專業(yè)BIM設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，通過項(xiàng)目試點(diǎn)應(yīng)用，保證設(shè)計(jì)工具落地。

（4）利用知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)方案、成果、標(biāo)準(zhǔn)、資源等的共享，利用標(biāo)準(zhǔn)化交付、成果歸檔等方式，實(shí)現(xiàn)與其他各參建方的共享。

3 具體措施

3.1 標(biāo)準(zhǔn)方面

截至2021年，鐵路BIM聯(lián)盟已在鐵路工程行業(yè)頒布了16部鐵路BIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與指南，但在BIM正向設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍未形成國(guó)家層面的統(tǒng)一規(guī)定和強(qiáng)制性規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。目前，很多鐵路工程項(xiàng)目制定了項(xiàng)目級(jí)BIM標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上促進(jìn)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可實(shí)施性和落地性，但也進(jìn)一步降低了標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性［9］。同時(shí)，由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，使得主流軟件對(duì)鐵路行業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)的支持力度不夠，有針對(duì)性的功能開發(fā)不全，降低了行業(yè)軟件可用度。因此，中鐵二院在隧道專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)軟件開發(fā)中，以行業(yè)、項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，對(duì)專業(yè)間的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行了規(guī)范，并通過課題立項(xiàng)促進(jìn)了軟件研發(fā)的可持續(xù)性。隧道BIM正向設(shè)計(jì)軟件的標(biāo)準(zhǔn)融合見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)融合

3.2 協(xié)同方面

在鐵路工程BIM正向設(shè)計(jì)中，協(xié)同方面存在的問題主要體現(xiàn)在跨專業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)同難、專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)過程協(xié)同欠缺、設(shè)計(jì)階段成果與外部參與方協(xié)同較差［10］。中鐵二院開發(fā)的隧道專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)軟件利用Bentely Projectwise解決了對(duì)外的協(xié)同問題；利用數(shù)據(jù)庫同步的方式，解決了多專業(yè)協(xié)同問題；利用MySQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，解決了單專業(yè)協(xié)同問題；進(jìn)一步研發(fā)了進(jìn)出口處與其他專業(yè)接口的設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)隧道與橋梁、路基等專業(yè)交界處的快速、精確設(shè)計(jì)。該軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 協(xié)同設(shè)計(jì)

3.3 效率方面

目前，隧道BIM設(shè)計(jì)軟件多為翻模軟件，前期仍采用AutoCAD開展設(shè)計(jì)工作，存在設(shè)計(jì)分離、工作負(fù)擔(dān)有增無減、投入產(chǎn)出嚴(yán)重失衡等問題［11］。中鐵二院在隧道專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)軟件開發(fā)中，通過讀入excel、txt、word、mdb等文件，實(shí)現(xiàn)與線路、地質(zhì)、測(cè)繪等專業(yè)的數(shù)據(jù)接入；開發(fā)了針對(duì)線路參考圖、通用參考圖、可研概略設(shè)計(jì)等的通用設(shè)計(jì)模塊；開發(fā)了可滿足單工點(diǎn)的襯砌分段、施組、碴場(chǎng)、附屬硐室、刷坡等功能要求的工點(diǎn)設(shè)計(jì)、輔助坑道設(shè)計(jì)、特殊設(shè)計(jì)等模塊；開發(fā)了可提供二維出圖、工程算量、BIM模型輸出等功能的設(shè)計(jì)輸出模塊。該軟件的功能展示見圖4。

圖4 功能展示

3.4 共享方面

現(xiàn)有鐵路工程BIM設(shè)計(jì)軟件多為單機(jī)版，難以實(shí)現(xiàn)跨軟件、跨階段、跨專業(yè)的數(shù)據(jù)模型共享，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及成果也難以通過數(shù)據(jù)方式積累與共享［12］。隧道專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)軟件采用C/S模式開發(fā)，基于MySQL數(shù)據(jù)庫研發(fā)后臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)了與ANSYS、ABAQUS之間的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)了與施工方管理系統(tǒng)之間無損數(shù)據(jù)、模型共享，還能導(dǎo)出國(guó)際公認(rèn)的IFC格式，實(shí)現(xiàn)與其他軟件、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與模型共享，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果在協(xié)同工作平臺(tái)自動(dòng)歸檔的目標(biāo)。該軟件的多維度共享見圖5。

圖5 多維度共享

4 結(jié)束語

通過多年BIM應(yīng)用實(shí)踐，結(jié)合多專業(yè)BIM設(shè)計(jì)軟件研發(fā)經(jīng)歷，尤其通過隧道專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)研究，對(duì)鐵路工程BIM正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用與推廣提出以下幾點(diǎn)思考：

（1）做好統(tǒng)籌規(guī)劃。BIM技術(shù)應(yīng)用是一把手工程，需結(jié)合行業(yè)及企業(yè)特點(diǎn)，提前部署、頂層規(guī)劃，從更高維度制定總體發(fā)展路線、出臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、選擇基礎(chǔ)平臺(tái)，從而具備明確的發(fā)展目標(biāo)，避免方向性錯(cuò)誤。

（2）抓好軟件研發(fā)。通過持續(xù)開展軟件研發(fā)，提高BIM正向設(shè)計(jì)的投入產(chǎn)出比，解決其投入大、門檻高、效率低等問題，才能使BIM正向設(shè)計(jì)被決策者和設(shè)計(jì)人員所接受，實(shí)現(xiàn)鐵路工程全專業(yè)的推廣與應(yīng)用。

（3）強(qiáng)化人才培養(yǎng)。BIM正向設(shè)計(jì)需要的是集專業(yè)經(jīng)驗(yàn)、BIM技術(shù)于一體的復(fù)合型人才，各單位需要結(jié)合人才引進(jìn)、自主培養(yǎng)、考核獎(jiǎng)勵(lì)等措施，逐步壯大BIM設(shè)計(jì)人員隊(duì)伍，使企業(yè)真正具備BIM正向設(shè)計(jì)的能力。

（4）落實(shí)試點(diǎn)應(yīng)用。全專業(yè)、全項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)是一項(xiàng)龐大的工程，在前期不宜全面開展，應(yīng)從單點(diǎn)工程、優(yōu)勢(shì)專業(yè)出發(fā)探索技術(shù)路線，在技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)之后，再帶動(dòng)其他專業(yè)實(shí)現(xiàn)全面應(yīng)用。