BIM技術在鐵路設計行業的應用研究

■ 張雪才

BIM技術在鐵路設計行業的應用研究

■ 張雪才

以達索、歐特克產品為技術支持，研究了鐵路設計行業中BIM技術應用的解決方案。在對國內外BIM相關理論調研分析的基礎上，提出了鐵路行業中BIM的定義，分析了目前本領域BIM技術應用的現狀與特點，提出了設計階段三維設計流程。闡述了中鐵二院在測繪、地質、橋梁、隧道和路基等專業的BIM技術應用，應用達到了優化設計方案的目的，以期為進一步提高我國鐵路設計行業BIM技術應用水平作出貢獻。

達索；歐特克；鐵路設計；BIM；二維出圖；碰撞檢測

國外BIM技術在設計行業中的應用已經如火如荼，如美國運用BIM技術的項目數量增長迅速，建筑業BIM技術普及率從2007年的28%增長至2013年的78%；北美也大力推動BIM技術的應用，在大、中、小型企業中的利用率

0 引言

建筑、機械、電子等行業的設計企業對BIM技術的運用日趨成熟，并因此帶來了技術的革新和效益的增長[1]。近年來，我國鐵路建設行業也取得了突飛猛進的發展，其設計領域對新技術、新產品的研發與應用也層出不窮，但BIM技術在鐵路設計領域中的應用尚處于探索階段。隨著

分別達到了91%、86%和49%以上。相比之下，我國應用最早的建筑業BIM技術普及率僅為12%[2-5]。

美國喬治亞技術學院的查克·伊斯曼教授最先提出了建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念[6]，之后在美、英、日、韓等國逐步發展完善，并形成了嚴格的行業標準及指南。如國際機構BuildingSMART頒布的Industry Foundation Classes（IFC）、International Framework for Dictionaries（IFD）、Information Delivery Manual（IDM），美國頒布的《國家BIM標準》[7]，新加坡頒布的《新加坡BIM指南》（2.0）[8]。我國在BIM技術應用方面起步較晚，但發展較快，建筑、機械等行業已初步形成了相應標準，如2008年由中國建筑科學研究院、中國標準化研究院等單位共同起草了GB/T 25507—2010《工業基礎類平臺規范》[9]，2010年清華大學BIM課題組提出了中國建筑信息模型標準框架（CBIMS）[10]并編制了設計企業BIM實施標準指南[11]。

目前，我國各大設計院正加緊開展鐵路三維設計與BIM技術應用的研究工作，以盡快將BIM技術真正運用于鐵路設計行業中。通過對BIM相關理論的深入研究，給出了鐵路行業中BIM的定義，研究分析了鐵路設計行業BIM技術應用的現狀與特點，并就BIM技術在鐵路設計行業中的應用進行了研究與探索。

1 BIM定義

查克·伊斯曼教授首次提出BIM的理念后，各國學者和企業又從不同角度給出了BIM的理解與詮釋。通過對國內外相關資料的廣泛調研，提出了BIM在鐵路行業中的定義：BIM是利用信息模型對鐵路工程建設項目進行規劃、設計、施工、運營的過程；模型包含了項目所有的幾何尺寸、空間關系、結構功能和性能等信息，項目不同參與方應共同維護該模型，并基于相關信息進行協同工作。

2 鐵路設計行業BIM技術應用現狀

同BIM應用較為成熟的建筑、水電行業相比，我國鐵路行業BIM技術應用還處于起步階段，但鐵路行業已經意識到BIM應用和發展的必要性，中國鐵路總公司于2013年5月召集各大鐵路設計單位召開了“鐵路勘察設計BIM應用技術研討會”，專題討論了如何在鐵路勘察設計中開展BIM技術應用，并希望以勘察設計為突破口，解決BIM技術在鐵路設計階段的具體應用研究，為BIM在施工、運營階段的進一步應用打下基礎。同步立項“鐵路工程建設信息化關鍵技術研究”部控科研課題，標志著BIM在我國鐵路行業應用正式啟動。

3 鐵路設計行業BIM技術應用特點

鐵路設計行業對BIM技術的應用應具備以下特點：數字化、可視化、多維化、協調性、可操作和全過程等（見圖1）。

（1）鐵路設計行業BIM的概念應涵蓋GIS的內容，因為設計階段建立的BIM模型包括三維地理信息模型、三維地質信息模型和隧道結構三維模型。因此，設計階段的BIM技術應體現出可視化、數字化和多維化等方面特點。

（2）鐵路設計行業各專業根據其自身特點的不同，往往需要應用不同的軟件平臺進行三維設計，因此各軟件平臺的互通和兼容在很大程度上考驗了BIM技術應用的協調性和可操作性。

（3）設計BIM模型需要轉換為施工BIM模型，以實現各階段、各參建方之間的信息無縫傳遞。建立統一的編碼體系、制定相應的行業規范、打破階段與各參建方之間的信息壁壘是重中之重，這也極大檢驗了BIM技術應用的協調性、全過程等方面的特點。

（4）設計行業通過利用BIM技術可有效進行專業間、專業內的碰撞檢驗，可充分保證設計分析的效率與精度，可大大提高設計文件的質量并優化設計。因此，該方面的BIM應用將很大程度上檢驗其可視化、數字化、多維化、協調性和可操作性等方面的特點。

圖1 BIM技術應用特點

4 鐵路設計行業BIM技術應用分析

鐵路設計行業BIM技術的應用涉及測繪、地質、線路、隧道、橋梁、路基等20多個專業，建模流程為地質三維模型、地表模型、三維選線、其他專業三維模型建立，后續在三維模型的基礎上開展BIM應用研究。主要建模流程（含隧道專業BIM設計詳細流程）見圖2。

中國中鐵二院工程集團有限責任公司（簡稱中鐵二院）目前主要在測繪、地質、隧道、橋梁、路基等站前專業開展了BIM建模、信息附加、工程量計算、二維出圖等應用研究，后續將陸續開展覆蓋站前、站后所有專業的BIM應用研究。

4.1 測繪、地質、隧道方面BIM應用分析

中鐵二院測繪、地質、隧道專業基于寶蘭客專石鼓山隧道開展了地表建模、地質建模、隧道設計及應用等多方面的BIM應用研究工作，取得了一定的突破。

4.1.1 三維地表建模

首先對地形影像數據處理，根據獲取的石鼓山隧道區域10 km×4 km的測繪數據，制作正射影像（DOM）和數字高程模型（DEM）；其次對背景數據處理；最后基于Skyline軟件，通過金字塔技術將DOM和DEM集成，生成精細的三維地形模型（見圖3）。

4.1.2 三維地質建模

地質建模過程主要是根據石鼓山隧道地質調繪資料及已有的縱橫斷面構建地層面，用建立好的地層面來剖切拉伸體，以生成地質體（見圖4）。

圖2 設計階段三維設計建模流程

圖3 三維地形模型

圖4 全隧三維地質模型

4.1.3 隧道三維建模

隧道專業在三維地質模型和線路模型主設計骨架基礎上，結合圍巖分級、施工工法、襯砌形式等因素，劃分出各隧道段落的二級骨架，為隧道三維設計提供定位支持。利用CAITA建模功能（如草圖繪制、知識工程陣列等）建立參數化、可聯動修改的隧道三維模型，并附加必要的非幾何信息，利用CATIA知識工程模板功能將建立的模型封裝為模板，在后續遇到同類型隧道建模時實例化模板即可。

隧道專業依托石鼓山隧道工程，初步建立了部分暗洞、明洞、附屬洞室、防排水、洞門等模型。以V級e型暗洞襯砌三維建模為例，介紹隧道三維建模全過程。

（1）模型架構。結合制定的命名規則，暗洞洞身模型主要由超前支護、初期支護、二次襯砌和防排水構成。

（2）骨架信息。根據骨架設計理念，需要定義與暗洞洞身相關的一系列骨架信息（如起始里程、終止里程、平面線本段、空間線本段等），同時還需繪制一系列模型草圖（見圖5、圖6）。

（3）模型建立。在草圖繪制基礎上，根據需要設置參數，按照設計要求，利用CATIA的拉伸、掃掠、剪切、結合等功能制作知識工程模板，再利用知識工程陣列建立參數化的、可聯動修改的隧道三維模型（見圖7）。

（4）模板實例化。建立起規范、標準、科學的隧道模板后，利用CATIA知識工程模板模塊中的文檔

模板、超級副本等功能可快速生成本段的文檔模板，然后利用文檔實例化功能并設置合適的輸入參數即可快速建立起同類型的隧道三維模型。

（5）工程量計算與二維出圖。利用BIM隧道三維模型實現了二維出圖、工程量計算、模型附加信息等功能。

4.2 其他專業BIM應用分析

（1）橋梁專業——基于達索CATIA平臺，以滬昆客專北盤江特大橋等項目開展了參數化建模、二維出圖、工程量統計、碰撞檢測等BIM應用研究工作（見圖8、圖9）。

（2）路基專業——以西成線江油北站路基為基礎，開展了Civil 3D軟件建立路基三維模型的研究工作。以Open Inventor開發包為基礎，開發了樁、鎖口護壁、托梁、擋土板等結構的建模軟件，同時進行了數字化施工應用研究工作。路基參數化三維模型見圖10。

圖5 暗洞洞身骨架信息

圖6 二襯輪廓草圖

圖7 隧道三維模型

圖8 三維參數化模型及模板

圖9 節段勁性骨架干涉及碰撞檢查

圖10 路基參數化三維模型

5 結論與展望

BIM技術應用已成為鐵路建設工程的必然趨勢。目前，我國鐵路行業的BIM之路才剛剛起步，但與建筑、水電等行業業務較為分散相比，鐵路行業具備業務資源集中等優勢，BIM在鐵路行業的應用必將呈現迅猛之勢，穩步向前推進。作為鐵路設計行業的領軍企業，中鐵二院將在中國鐵路總公司的統一組織下，以中國鐵路BIM事業為己任，和相關企業開展通力合作，針對BIM在鐵路行業的典型應用，有計劃、分階段地開展BIM應用研究和實施工作，逐步解決BIM難題，實現BIM在鐵路建設行業的穩步推進。

[1] 王珺.BIM理念及BIM軟件在建設項目中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[2] 李建成.BIM概述[J].時代建筑，2013(2)：10-15.

[3] 賀靈童.BIM在全球的應用現狀[J].聚焦信息化，2013，31(3)：12-19.

[4] 王凱.國外BIM標準研究[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(1)：6-16.

[5] 何關培.BIM總論[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[6] H Edward Goldberg.The Building Information Model[J].Cadalyst，2004，21(3)：56-58.

[7] National Building Information Modeling Standard Committee.The National Building Information Model Standard[M].United States：National Institute of Building Sciences，2004.

[8] Building and Construction Authority.Singapore BIM Guide（Version 2.0）[M].Singapore：Building and Construction Authority，2013.

[9] 建筑科學研究院.工業基礎類平臺規范（GB/T 25507）[S].北京：中國標準出版社，2010.

[10] 清華大學BIM課題組.中國建筑信息模型標準框架研究[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[11] 清華大學BIM課題組.設計企業BIM實施標準指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

張雪才：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，副總經理，教授級高級工程師，四川 成都，610031

責任編輯高紅義

U212.3；TP3

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1672-061X（2014）05-0014-05中國鐵路總公司對在建項目的安全、質量、投資、工期和環境等目標的逐步提高，將BIM技術應用于鐵路設計領域是必然趨勢。

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2013G015-B）。