鐵路行業BIM技術應用難點分析及對策建議

摘 要：總結BIM技術在鐵路行業應用中出現的難點和問題，分別針對BIM協同軟件平臺的發展、地形模型和地質模型的交叉融合、BIM+GIS為基礎的管理系統進行分析，提出政策引導、資源整合、面向市場等對策，為BIM技術在鐵路行業的應用提出建議。

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）03-0014-03

近年來，以BIM技術為代表的三維設計技術的應用，在縮短工程周期、降低工程成本、提高設計水平和質量方面具有促進作用，并日益成為勘察設計企業轉型升級的重要手段之一。越來越多的項目業主、設計企業和施工單位都想通過應用BIM技術實現自身的轉型升級。幾年來，鐵路行業各大設計院、施工單位在工程設計、施工等方面開展了形式多樣的BIM應用研究，并取得了一定程度的突破。從這些工程應用的效果看，BIM技術在鐵路行業的應用還存在很多難點和問題，主要有：BIM應用平臺不完備、地形地質模型與構筑物模型難以深度結合、BIM與GIS技術結合的應用還不成熟等。這些難點和問題在一定程度上阻礙了BIM技術在鐵路行業的應用，也降低了其應用價值。

1 BIM應用中的難點分析

1.1 關于BIM平臺

1.1.1 建模軟件平臺

目前BIM軟件平臺比較多，在樓宇、異型建筑、水電站等領域案例較多，應用較好，但應用到鐵路行業又各有不足，體現在以下兩方面。

一是不能滿足鐵路特有專業本身的設計需要。主要體現在軟件本身沒有適應于鐵路行業的模型標準，其內含的模板、構件、樣式、出圖格式等不能滿足鐵路設計要求。在模板（族類型）方面，沒有適應鐵路行業的橋梁、隧道、路基、軌道等基礎模板。用戶自定義的模板不具備內在的關聯與約束，增加了使用難度。在構件（族庫）、樣式、出圖格式等方面，鐵路行業的內容非常缺乏，需要用戶自己去逐步開發、定義、配置，這不但加大了工作量，而且對用戶的要求很高，致使軟件普及困難。另外，有些軟件還存在范圍限制、容量限制等問題。

二是不能滿足專業間的接口需要。由于目前BIM軟件各有千秋，不同的專業需要不同的軟件來完成BIM工作，而不同軟件之間的接口還很不暢通，造成專業間協同困難。首先是模型不能互相識別，即不能實現接口；其次是即使可以通過一些方式實現對接，但存在模型信息丟失問題；再次是模型導入軟件后，往往不能對各種屬性及幾何形狀進行編輯，如有更改，則需要重新在原軟件中編輯，重新導入。這些接口及兼容問題，不僅在不同廠家的軟件之間存在，而且同一廠家不同軟件之間也存在，給專業之間的協同帶來了極大的困難。

要解決這些問題，需要大量而艱苦的開發工作，大體有3個層次：

（1）軟件平臺自身完善開發。從BIM設計的角度看，需要在軟件的基礎類型、模板、樣式等方面增加鐵路專業的內容，或便于擴展為鐵路專業的內容。從接口的角度看，在鐵路行業發布統一的IFC標準后，各軟件需要支持該標準，逐步實現模型信息的無損接口。

（2）專業BIM軟件開發。專業公司或設計企業，根據專業特點和需求，對通用的軟件平臺進行二次開發，形成如鐵路橋梁、隧道、站場、路基等專業的輔助設計軟件。

（3）企業自身的應用工具開發。BIM設計應用企業，根據自身的專業特點、管理特點、數據接口特點和應用需求，對軟件平臺進行適當的二次開發，形成工具軟件，以提高局部的設計效率。

1.1.2 項目管理平臺

隨著BIM技術在工程項目中的應用，對項目管理平臺的要求也不斷提高，基于BIM的項目全生命周期管理平臺也提上日程。該平臺的主要特點有：（1）項目周期完整，項目周期包括概念設計、勘察設計、建設管理（包括施工）、運營維護乃至報廢管理等全過程管理；（2）項目信息齊全，包括項目實體信息（BIM）、設計施工圖紙、各類文檔資料等，囊括了與項目相關的各類信息；（3）信息可繼承、可追溯，項目每一個周期的信息資源不僅需要完整保存，同時要在后面的各周期能夠繼承和使用；（4）物理模型和數據信息深度關聯，可通過BIM模型檢索到各類信息。

具備上述特點的項目管理平臺開發難度大、周期長，由一個企業或一個團隊承擔不具優勢。中國鐵路BIM聯盟可組織有關方在一定標準框架內，分別完成項目全生命周期內不同階段的項目管理平臺，然后經過整合，形成完整的鐵路項目全生命周期的管理平臺。目前，鐵路工程管理平臺正在研發，鐵路IFC標準也開始研究，可在該平臺研發技術和應用經驗的基礎上，逐步拓展至其他建設階段。

1.1.3 協同設計平臺

由于鐵路項目多專業、多進程的特點，需要專業間相互配合、密切協作。協同設計平臺是方便專業協作、提高設計質量的有效途徑。在BIM技術條件下，各專業的設計成果更為直觀，專業之間的協同也更為緊密，對BIM協同設計平臺的需求日益迫切。一個理想的BIM協同設計平臺應具備的基本要素有：各專業的BIM模型能夠集成，并可利用相應的工具進行模型檢查；專業變更能夠快速反映到模型中，相關專業能夠及時了解；具備設計成果的權限與版本控制功能；具有設計流程控制和質量控制措施。

目前，市場上的類似軟件要么缺少BIM模型集成功能，要么缺少流程控制功能，其主要困難一方面在于不同專業使用不同的BIM軟件，其設計成果的集成十分困難，即使集成起來，要修改變更也非常麻煩；另一方面，主流BIM設計軟件都是國外的產品，在三維設計方面比較突出，但在設計流程控制、質量控制等方面比較缺乏，而國內軟件在三維模型的處理方面又有很大不足。

由于以上各種因素，BIM協同軟件平臺的發展比較緩慢。盡管任務艱巨，困難重重，仍需要設計企業及軟件廠商緊密結合，大力推進。目前，在制定協同標準的情況下，可先解決主要專業之間的三維協同（應用的軟件平臺一致最好），再逐步完善過程控制，并陸續覆蓋其他專業，循序漸進地實現BIM協同設計平臺的建設。

1.2 關于地形、地質模型

一般工民建項目場址在有限的范圍內，其地形、地質在完成一定的工程處理后，在BIM模型中可忽略或簡化。而鐵路工程則不然，大量的構筑物需要與地形模型和地質模型交叉融合，尤其是隧道和路基擋護構筑物與二者的交叉融合，尚存在較大的困難。

1.2.1 地形模型

由于鐵路普遍采用航測手段，數字地模已經成熟并大量應用，但工程構筑物模型如何完整地嵌入地形模型中，目前還存在一定難度。地形模型通常是表面模型，適合于大場景展示工程項目，這就需要把工程構筑物實體模型加載到地形模型中。這種模型融合存在的問題是：一是地下工程無法很好展現，比如加載隧道模型，進出口位置與地形結合比較困難，需要特殊的處理；二是地形與構筑物接觸部位需要特別處理。此外還有模型定位等。

如果把工程分成兩種模型來設計，在地形模型中進行開挖、放坡、平整等場地處理，在實體模型平臺中進行構筑物設計，然后通過接口工具進行貼合，使地形與建筑融合為一體，即可解決上述問題。目前條件下，這種方式的操作比較繁瑣。畢竟同一建筑物在兩個平臺中設計，有很多不便的地方，工作效率較低。因此，還需要通過二次開發實現參數化設計，盡量減少手工的操作，方便設計人員，提高設計效率。

1.2.2 地質模型

單獨建立地質模型，目前的技術是可以實現的，但將工程構筑物融合進去，并且是動態融合，尚有較大困難。這里“動態”一是指實施構筑物時對地質體的開挖與建造，如隧道施工過程中的開挖、量測、變更、支護、襯砌等都是一個動態過程。如果僅僅是一個靜態的兩種模型融合，那將失去BIM技術應用的意義。二是指與其他模型軟件的兼容，比如地質模型要能夠在設計軟件中，與隧道模型深度結合，即隧道模型的建立過程，要放在對地質模型不斷開挖的基礎上進行，這樣才能真實體現施工過程。

目前，實現這種動態融合過程還沒有成熟的具體方案和措施，沒有可供參考的工程實踐。然而，地質模型單獨存在，則只能瀏覽、觀賞，只有融入其他模型軟件，且實現動態融合，才有實用價值。因此，還需要集各方力量，對這一問題進行深入研究，爭取在較短時間內取得突破。

1.3 BIM與GIS

鐵路工程項目是一個龐大而復雜的系統，不同于單體或有限范圍內的一般建筑。施工是以單體構筑物為單元，但要對一條鐵路甚至數條鐵路線進行整體管理，包括設計、建造、運維各階段的整體管理，則需要一個系統。這個系統不同于一般管理系統，而是一個大數據量、三維圖形、真實場景于一體的管理系統，需要引入BIM+GIS的做法來實現，這也是鐵路BIM應用不同于其他行業的重要區別之一。

BIM+GIS技術，是利用BIM技術整合工程建筑物本身的信息，利用GIS技術整合建筑物外部環境的信息，把微觀領域的BIM技術和宏觀領域的GIS技術進行融合，既能滿足構筑物BIM信息的管理，又能滿足空間信息的管理，特別適合長大鐵路項目的綜合管理，其主要特點有：（1）各種模型在同一平臺上的融合。在需要宏觀管理時，能夠進行大范圍的操作，在需要微觀管理時，則能夠對構筑物細節信息操作。（2）信息無損嵌入及拓展、更新。在兩種模型結合過程中，既不能損失GIS應有的信息與功能，也不能損失BIM的信息和功能，且BIM包含的信息隨著項目生命周期的變化，需要不斷補充和擴展。（3）按鐵路線狀特點，以里程及高程為基準的定位模式。GIS技術以坐標定位，BIM定位還比較復雜，如果實現以鐵路習慣來定位，將更加方便使用。

具備這些特點的，以BIM+GIS技術為基礎的管理系統，目前還處于探索階段，盡管有一些研究成果，但離實際應用還有一定的距離，還需要繼續深入地研究。

2 對策建議

2.1 政策引導

中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯盟作為鐵路行業BIM技術應用的引領者，經過近年來的組織與推動工作，在BIM應用研究方面取得了有目共睹的成績。BIM應用研究工作要得到持續深入的發展，政策層面的引導尤為重要：一是規劃指引。根據鐵路行業的建設特點制定BIM技術在一定時期內的整體發展計劃，有利于引領BIM應用研究在設計、施工、運維各環節的發展節奏，提升整體發展水平。二是標準制定。尤其是交付標準的制定，可把設計與施工、施工與運維等環節的信息傳遞標準化，同時促進設計、施工、運維信息化管理工作的規范化。

2.2 資源整合

中國鐵路BIM聯盟提供了一個很好的平臺，可以整合多方面的資源完成BIM應用研究的推動工作。一是集中資源完成行業頂層設計，制定行業BIM應用研究的技術發展路線。二是集中資源完善行業管理平臺，為設計、施工乃至運維提供接口，促進各階段BIM應用研究的發展。三是整合資源促進鐵路行業BIM應用的國際化發展。在以往的信息化過程中，強調引用國際標準，更多地是為了兼容性；要強調行業技術的國際化，首先要在技術標準的擴展、制定方面得到國際標準組織的認可。四是推動行業內BIM應用研究工作的信息共享與交流工作，同階段不同單位和不同階段不同單位分工合作，共同研發，互相促進，成果共享，提高應用研究效率。

2.3 面向市場

有了行業性的政策引導和資源整合這樣的基礎，鐵路行業的設計、施工、運維企業，可以更好地面向市場，獲得優勢資源，完善自身的發展需求。設計企業會從設計的工具平臺、協同平臺等方面入手，以質量和效率為重點，研究產品的BIM交付工作。施工企業則更注重項目管理與BIM的結合，進而實現進度、質量、成本的精細化管理。運維企業則以設計、施工運維信息為基礎，把靜態設施、設備信息與動態運維過程相結合，達到高效管控的目的。

3 結束語

從建筑行業的BIM應用發展歷程來看，鐵路行業的BIM應用工作也將是一個逐步深入發展的過程，需要克服各種難點和問題。值得欣喜的是，鐵路行業的BIM應用是在中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯盟的統一組織下推進的，這是其他行業不具有的優勢，這也是鐵路行業BIM應用能夠持續發展的保障。

魏州泉：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，副院長，教授級高級工程師，陜西 西安，710043

責任編輯 苑曉蒙