中國鐵路BIM標準體系框架研究

■ 李華良 楊緒坤 王長進 王召祜 魏英洪 韓祖杰

中國鐵路BIM標準體系框架研究

■ 李華良 楊緒坤 王長進 王召祜 魏英洪 韓祖杰

BIM起源于建筑領域，現有的BIM標準基本上都是面向民用建筑領域，沒有針對鐵路的標準，給BIM在鐵路工程領域的全面應用帶來不可逾越的障礙。研究現有國內外BIM標準，分析現有BIM標準對鐵路的適應性，提出中國鐵路BIM標準的框架體系的設想，為BIM技術在中國鐵路應用奠定基礎。

BIM；標準；鐵路；體系

根據鐵路工程建設信息化總體方案的部署，BIM是實現鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向，為此，中國鐵路總公司推動了BIM技術在鐵路工程上的應用研究。應用研究發現，BIM技術對鐵路工程建設有著巨大的發展潛力和應用價值，同時也存在著許多難題和挑戰。BIM起源于建筑領域，BIM標準及應用軟件基本上都是面向民用建筑領域，沒有針對鐵路的標準，給BIM在鐵路工程領域的全面應用帶來不可逾越的障礙。經前期調研發現，雖然美國、英國、日本、新加坡等國都制定過相應的BIM標準，我國住房和城鄉建設部也于2012年啟動了我國BIM標準的編制工作，但這些BIM標準所涵蓋的領域都局限為民用建筑。鑒于鐵路工程領域所涵蓋的專業領域要遠大于建筑領域，并且BIM技術本身也在不斷發展過程中，因此有必要在開展專業BIM應用研究試點的同時，開展鐵路BIM標準體系的研究，以在大范圍開展專業BIM應用時，統一指導、規范應用。中國鐵路總公司于2012年已經啟動了《基于BIM技術的鐵路隧道施工圖交付標準研究》等BIM相關課題的研究工作，之后還會陸續開展更多鐵路專業領域BIM技術應用研究；2013年啟動了BIM標準體系的前期研究工作，提出了中國鐵路BIM標準的體系框架，2014年將全面啟動中國鐵路BIM標準體系的研究工作。

1 國內外BIM標準現狀

1.1 國際BIM標準

1.1.1 美國國家BIM標準（NBIMS）

美國建筑科學研究院（National Institute of Building Sciences）分別于2007年和2012年發布了美國國家BIM標準第一版（National Building Information Modeling Standard version1-Part1：Overview，Principles，and Methodologies）和美國國家BIM標準第二版（National BIM Standard-United States Version 2），旨在通過引用現有標準和制定信息交換標準為建筑工程施工工業整個生命周期的信息化提供統一操作憑據。

美國國家BIM標準第一版（NBIMS-US V1P1）并沒有提出具體的BIM標準體系，而是著眼于介紹BIM相關基礎概念、建立BIM體系的需求和提出BIM標準編寫的原理和方法論。它認為NBIMS的目標是為每個設施建立標準的機器可讀的信息模型，該信息模型包含此設施的所有適當信息，可以被整個生命周期中所涉及的所有用戶使用，從而達成一個改良的計劃、設計、施工、運營和維護的過程。

美國國家BIM標準第二版（NBIMS-US V2）依據第一版的需求和方法論明確了BIM標準體系，大體包括引用標準、數據交換標準和BIM實施實用文件。其中引用標準和數據交換標準的目標讀者為軟件開發者與銷售者，BIM實施實用文件的目標讀者為AEC工業實施者。引用標準即已被國際認證或在世界范圍內投入使用的標準，包括工業基礎類（IFC）、可擴展標記語言（XML）、建筑信息分類體系Omni Class、國際數據字典框架庫（IFDLibrary）；數據交換標準基于IDM和MVD指定了數據管理、信息控制擔保、信息可靠性的標準，并為具體的應用場景定義了不同的交換標準，包括施工運營建筑信息交換標準（COBie）、空間分析（SPV）、建筑能耗分析（BEA）、數量與成本估算（QTO）；BIM實施實用文件為AEC工業的使用者提供BIM項目實施指導，包括BIM能力與成熟度判別模型（CMM），BIM項目執行計劃指南和內容模板，機電系統(MEP)建筑安裝模型的空間協調與交付，計劃、執行和管理信息移交向導。NBIMS-US V2體系框架見圖1。

目前，美國國家BIM標準第三版（NBIMS-US V3）正在編制當中，計劃2014年秋季發布。

1.1.2 英國BIM標準

英國于2000年發布了《建筑工程施工工業（英國）CAD標準》（AEC（UK）CAD）來改進設計信息交付、管理和交換過程，隨著設計需求和科技的發展，此標準逐漸擴大涵蓋了設計數據和信息交換的其他方面。該項目委員會于2009年重組，吸納了在BIM軟件和實施方面擁有豐富經驗的技術公司和咨詢公司作為新成員，旨在滿足英國AEC行業對于在設計環境中實施統一、實用、可行的BIM標準的日益高漲的需求。2009年11月和2012年先后發布了《建筑工程施工工業（英國）建筑信息模型規程》（AEC （UK）BIM標準）第一版和第二版，與NBIMS的不同之處在于，英國的BIM標準只著眼于設計環境下的信息交互應用，基本未涉及BIM軟件技術和工業實施。

1.1.3 日本BIM標準

日本建筑學會（JIA）于2012年7月發布了日本BIM指南，從BIM團隊建設、BIM數據處理、BIM設計流程、應用BIM進行預算、模擬等方面為日本的設計院和施工企業應用BIM提供了指導。日本軟件業較為發達，在建筑信息技術方面也擁有較多的國產軟件，日本BIM相關軟件廠商認識到，BIM是需要多個軟件來互相配合，而數據集成是基本前提，因此多家日本BIM軟件商在IAI日本分會的支持下，成立了日本國產BIM軟件解決方案聯盟。

圖1 NBIMS-USV2體系框架

1.1.4 新加坡BIM指南

新加坡建設局（BCA）于2012年5月和2013年8月分別發布了《新加坡BIM指南》1.0版和2.0版。《新加坡BIM指南》是一本參考性指南，概括了各項目成員在采用建筑信息模型（BIM）的項目中不同階段承擔的角色和職責。該指南是制定《BIM執行計劃》的參考指南。《新加坡BIM指南》包含BIM說明書和BIM模型及協作流程。

1.1.5 韓國BIM標準

在韓國，多家政府機構制定了BIM應用標準。韓國公共采購服務中心（Public Procurement Service，PPS）于2010年4月發布了《設施管理BIM應用指南》和BIM應用路線圖。韓國國土交通海洋部也于2010年1月發布了《建筑領域BIM應用指南》。該指南為開發商、建筑師和工程師在申請四大行政部門、16個都市以及6個公共機構的項目時，提供采用BIM技術時必須注意的方法及要素的指導。

1.2 國內BIM標準

我國BIM標準研究起步較晚。2010年11月清華大學對外公布《中國BIM標準框架體系研究報告》，2012年1月住房和城鄉建設部將五本BIM標準列為國家標準制定項目。

1.2.1 中國建筑信息模型標準框架（CBIMS）

2010年11月清華大學對外公布《中國BIM標準框架體系研究報告》，2011年12月由清華大學BIM課題組主編的《中國建筑信息模型標準框架研究》（CBIMS）第一版正式發行。

CBIMS的體系結構與NBIMS類似，針對目標用戶群將標準分為兩類：一是面向BIM軟件開發提出的CBIMS技術標準，二是面向建筑工程施工從業者提出的CBIMS實施標準（見圖2）。

1.2.2 中國國家BIM標準

2012年1月住房和城鄉建設部印發建標［2012］5號文件，將五本BIM標準列為國家標準制定項目。五本標準分為三個層次（見圖3）：第一層為最高標準：建筑工程信息模型應用統一標準；第二層為基礎數據標準：建筑工程設計信息模型分類和編碼標準，建筑工程信息模型存儲標準；第三層為執行標準：建筑工程設計信息模型交付標準，制造業工程設計信息模型交付標準。

1.2.3 北京市地方標準《民用建筑信息模型(BIM)設計基礎標準》

該標準是北京民用建筑設計中BIM應用的通用原則和基礎標準。主要內容包括：總則、術語、基本規定、資源要求、BIM模型深度要求、交付要求。

1.3 國內外BIM標準的分析

目前國外BIM標準主要分成了兩個層級：一類是以國家或行業級標準為目標，以美國的NBIMS為代表性，從軟件技術和工業實施兩方面對BIM的實現提出標準和指導；一類是基于某個BIM平臺軟件，以實現項目BIM實施過程的規范和統一為目標，以英國和新加坡制定的基于特定軟件的實施指南為代表。現有國內BIM標準基本可分為三類。

圖2 CBIMS體系框架

圖3 中國國家BIM標準層次

第一類：CBIMS標準框架，主要是從信息化的角度，從理論層面論述BIM標準體系的框架和方法論。該標準框架的理論和方法與NBIMS標準類似。CBIMS標準框架可以作為我國國家和行業BIM標準編制的理論基礎。

第二類：中國國家BIM標準系列。為住房和城鄉建設部主持編寫的建筑領域國家BIM標準，研究思路參照借鑒國際BIM標準的同時兼顧國內建筑規范規定和建設管理流程要求。

第三類：地方BIM標準。主要是對地域內建筑BIM應用的統一規定。例如北京市《民用建筑信息模型（BIM）設計基礎標準》。

2 國內外現有BIM標準對鐵路行業的適應性分析

2.1 現有國內外BIM標準未涵蓋鐵路行業

國內外BIM標準研究基本上都在建筑行業，包括的主要專業領域有：建筑、結構、暖通、電氣、設備、建筑施工管理、物業管理。

現有的國內外BIM標準不能涵蓋鐵路行業獨有的專業領域，包括：地理信息、工程地質、線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場、信號、機務車輛、電氣化等。在編制鐵路BIM標準時，所有鐵路行業獨有專業領域的信息模型都需要補充定義。

2.2 鐵路BIM標準應該是完整的標準體系

由于中國鐵路BIM標準必須支持軟件開發和工程應用，因此中國鐵路BIM標準體系應視一個完整的標準體系，包括技術標準和實施標準。技術標準包括數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準。實施標準主要用于指導和規范鐵路行業規劃、設計、施工、建設管理、運營企業實施BIM標準。中國鐵路BIM的技術標準和實施標準的專業范圍遠遠超出了現有建筑領域BIM標準的范疇，因此只有制定一套完整的標準體系，才能在鐵路工程中實現BIM應用的標準化。

2.3 鐵路BIM標準體系制定的難度和工作量巨大

由于建筑領域BIM標準中引用的基礎標準（IFC、IFD、Omni Class等）不能涵蓋鐵路專業領域，因此鐵路BIM標準體系中必須對這些基礎標準進行定義、擴充，定義的方法可以借鑒現行的國際標準。但該項工作的難度和工作量是巨大的。IFC、IFD、Omni Class等基礎標準每一個都是一個專業的研究領域，需要專業人員去研究應用、擴展等技術問題。

建筑工程是工點工程，鐵路工程是線路工程，與建筑業相比，鐵路行業具有自身的特殊性，主要表現在：與地形結合緊密，區域范圍廣，因此要求鐵路BIM標準還要涵蓋GIS領域，BIM與GIS的結合是一項技術難題。

2.4 BIM軟件對標準的支持至關重要

BIM專業設計軟件的發展以及對標準的支持非常重要。一方面BIM專業設計軟件多集中在建筑和設備相關的專業，鐵路工程中很多專業還沒有BIM軟件；另一方面，有實力占市場主導地位的軟件廠商對開放標準的支持不積極，對鐵路專業設計軟件的開發支持力度也較弱。沒有軟件的支持，BIM標準很難落地應用。

2.5 中國鐵路BIM標準必須適合中國鐵路建設的需要

BIM標準隱含著工程建設的法律法規、政府監管、建設管理模式、市場等一系列約束和需求，BIM標準的背后是一個國家對工程項目的管理體系，中國鐵路的BIM標準必須符合中國的國情，把國外的管理體系照搬到中國是不切實際、不可想象的，也無法取得成功。必須依照中國鐵路的情況來研究開發中國鐵路的BIM標準，只有符合中國鐵路的BIM標準才能規范、約束BIM技術在鐵路工程建設中應用，滿足中國鐵路工程建設的需求。

3 中國鐵路BIM標準體系框架

3.1 中國鐵路BIM標準序列

中國鐵路行業領域BIM標準序列應分為三個層次：

第一層，中國鐵路BIM標準。作為一種行業標準，應該滿足和遵守國家BIM標準的相關要求和規定。同時鐵路BIM標準體系內一些對其他行業領域具有強制要求、指導或借鑒意義的規定可以上升為國家標準。

第二層，企業BIM標準。鐵路設計、施工、建設管理、運營企業，在BIM國家標準、行業標準、地方標準的約束指導下，為實施本單位BIM項目制定的工作手冊或作業指導書。

第三層，企業項目團隊針對具體的建設項目制定的，具有高度項目相關性的項目BIM工作原則。

中國鐵路BIM標準序列與中國國家BIM標準、地方BIM標準和相關行業領域間的關系見圖4。

3.2 中國鐵路BIM標準體系框架

中國鐵路BIM標準體系包括技術標準和實施標準兩大部分（見圖5）。

技術標準分為數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準，其主要目標是為了實現鐵路建設項目全生命周期內不同參與方與異構信息系統間的互操作性，用于指導和規范鐵路BIM軟件開發，主要面向IT工具。

實施標準主要是從資源、行為、交付物三方面指導和規范鐵路行業規劃、設計、施工、建設管理、運營企業實施BIM標準。

3.2.1 技術標準

技術標準的主要目標是為了實現鐵路建設項目全生命周期內不同參與方與異構信息系統間的互操作性，并為BIM實施標準的制定提供技術依據。主要用于指導和規范鐵路BIM軟件開發。依據CBIMS和NBIMS方法論，中國鐵路BIM標準體系的技術標準可分為數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準（見圖6）。

圖4 中國鐵路BIM標準體系與相關BIM標準關系

圖5 中國鐵路BIM標準體系框架

（1） 數據存儲標準。主要研究BIM模型數據存儲格式、語義擴展方式、數據訪問方法、一致性測試規范等內容。

一種可行的方案是采用對建筑領域通用的IFC（工業基礎類）標準進行擴展的方式實現鐵路BIM數據存儲標準。借用IFC中資源層和核心層定義的對信息模型幾何信息和非幾何信息的邏輯及物理組織方式，作為鐵路信息模型數據格式；使用IFC現有的外部參照關聯機制，將鐵路BIM信息語義關聯到IFC模型。該方案需要對語義擴展規則和方式進行統一的定義。優點是不用對IFC領域進行大量擴展，不會對現有BIM軟件帶來過多的兼容性問題。擴展鐵路專業領域后的IFC框架見圖7。

（2）信息語義標準。包括分類編碼體系和數據字典兩部分。

分類編碼體系可以參照ISO 12006-2《施工工程信息的組織 第2部分：信息分類框架》，結合我國鐵路行業的情況建立。將是一個采用面分類法，面向鐵路工程全生命周期的分類體系。該分類編碼體系的設計應考慮與鐵路建設管理模式、既有鐵路定額體系、中國國家BIM標準等的協調性。

圖6 鐵路BIM技術標準組成

圖7 擴展鐵路專業領域后的IFC框架

數據字典可參照ISO 12006-3《施工工程信息的組織第3部分：面向對象的信息框架》建立，對行業中的概念語義，如完整名稱、定義、備注等進行規范，數據字典中的每一個概念都對應一個全球統一標識符（GUID）。

（3）信息傳遞標準。主要研究信息的傳遞和交換過程，信息模型的交付標準、信息安全與信息模型的知識產權等問題。

信息的傳遞。分析和定義鐵路建設項目全生命周期內信息流動的過程、規則和場景。信息的傳遞一般發生在兩個維度：全生命周期內規劃、設計、施工、運維各階段之間；業主（業務主管部門）、設計方、施工方、運營方各參與方之間，或參與方內部各專業之間（見圖8）。

信息模型的交付標準。結合我國鐵路建設管理規定，定義預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖、竣工驗收等主要成果節點的信息模型幾何信息和非幾何信息的精度要求。

信息安全。鐵路作為國家基礎設施，鐵路BIM信息模型在信息交換的過程中不可避免的要涉及基礎地理信息、基礎地質信息等一些關系國家安全的敏感信息，如何在保證信息安全的前提下，最大限度地發揮鐵路BIM信息模型的效益是一項要研究的內容。

信息模型的知識產權。BIM應用離不開BIM軟件，要想高效的使用BIM軟件，就離不開BIM模型庫（族庫）。BIM模型庫的豐富程度在很大程度上決定了BIM應用的推廣程度。BIM模型庫（族庫）的建立需要持續不斷的積累和大量的人力投入，因此BIM信息模型應該具有知識產權。BIM信息模型知識產權的界定和使用規則需要研究。

圖8 信息傳遞的兩個維度

3.2.2 實施標準

實施標準是技術標準的使用規范，企業可根據實施標準對自身的工作程序、管理模式、資源搭建、環境配置以及成果交付物進行規范化。實施標準中一般包括：資源標準、行為標準、交付標準。

資源標準：資源指各階段工作中實施BIM應用所需要的條件和環境。資源標準是指資源組織和定義相關規范。如軟件要求、硬件要求、網絡要求、構件庫要求等。

行為標準：行為是指實施BIM應用工作中相關人員的活動和過程。行為標準是指規范行為的要求和規章制度，如建模、制圖、協同規范。

交付標準：交付物是指實施BIM應用產生的成果。交付標準是指定義、組織和管理交付物的規范規定。

4 展望

4.1 鐵路BIM標準未來可上升為國家和國際標準從現有的調研結果看，國內外現有的BIM標準均為建筑領域，中國鐵路BIM標準是首次提出。待鐵路BIM標準體系達到一定成熟度后，可以考慮推薦到國家標準層面，并結合我國高速鐵路走出去戰略，進一步推薦為國際標準。

4.2 重視BIM軟件開發

BIM的三維、海量數據、信息共享等特性決定了沒有相關BIM軟件就沒辦法開展BIM應用。BIM應用的多樣性又決定了不可能有能夠完成所有BIM任務的大一統BIM軟件，BIM軟件一定是各種完成特定BIM任務的系列軟件的集合。鐵路BIM專業軟件的功能性和成熟度是BIM技術成功應用的決定性因素之一，而目前國內外針對鐵路專業領域開發的BIM軟件很少，許多鐵路特有專業完全沒有BIM軟件可用。沒有軟件，鐵路BIM標準就無法落地，鐵路BIM軟件與BIM標準體系應從戰略層面同步思考和推進。

[1] 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，2011.

[2] National Institute of Building Sciences. National BIM Standard-United States Version 2[S].

[3] ISO/DIS 12006-2 Building construction-organization of information about construction works-Part2：Framework for classification of information[S]，2001.

[4] ISO/PAS 12006-3 Building construction-organization of information about construction works-Part3：Framework for object-oriented information[S]，2007.

[5] GB/T 25507—2010/ISO/PAS 16739：2005 工業基礎類平臺規范[S]. 北京：中國標準出版社，2010.

[6] AEC（UK）BIM Standard for Autodesk Revit Version 1.0[S].

[7] BCA. Singapore BIM Guide Version 2[EB/OL]. http:// www.corenet. gov.sg/integrated_submission/bim/BIM/ Singapore BIM Guide_V2.pdf.

[8] BCA. Singapore BIM Guide Version 1.0[EB/OL]. http:// www.corenet.gov.sg/integrated_submission/bim/BIM/ Singapore_BIM_Guide_Version_1.pdf

[9] 何關培. BIM總論[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

李華良：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，副總工程師，教授級高級工程師，天津，300142

楊緒坤：鐵道第三勘察設計院集團有限公司工程實驗室數字化實驗室，主任，教授級高級工程師，天津，300142

王長進：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，副總工程師，勘察大師，天津，300142

王召祜：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，副總工程師，教授級高級工程師，天津，300142

魏英洪：鐵道第三勘察設計院集團有限公司信息中心，副總工程師，高級工程師，天津，300142

韓祖杰：鐵道第三勘察設計院集團有限公司工程實驗室航測遙感實驗室，主任，教授級高級工程師，天津，300142

責任編輯楊倩

U29

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1672-061X（2014）02-0012-06