BIM在鐵路設(shè)計中的應(yīng)用探討

韓秀輝，袁　鋒，羅世輝，葉航行

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都　610031；2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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BIM在鐵路設(shè)計中的應(yīng)用探討

韓秀輝1，袁鋒2，羅世輝1，葉航行1

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

通過闡述建筑信息模型(BIM)概念，分析基于BIM技術(shù)的全生命周期理念的建筑優(yōu)勢，并介紹BIM技術(shù)在國內(nèi)外建筑業(yè)及國內(nèi)鐵路行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出鐵路設(shè)計應(yīng)用BIM的5個關(guān)鍵點：與GIS技術(shù)結(jié)合、綜合管線碰撞檢測、站場運營管理、協(xié)同設(shè)計與作業(yè)、項目各階段的銜接，總結(jié)國內(nèi)BIM發(fā)展存在的問題：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失、三維協(xié)同設(shè)計理念缺乏、專業(yè)軟件不足、市場認(rèn)知與人才培養(yǎng)問題，并提出對應(yīng)的推行BIM策略，最后提出BIM將引領(lǐng)鐵路建設(shè)向信息化、智能化發(fā)展。

BIM；鐵路設(shè)計；發(fā)展現(xiàn)狀；全生命周期；協(xié)同設(shè)計

1　概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)理念最早于20世紀(jì)70年代由喬治亞理工大學(xué)的Chunk Eastman教授提出。BIM是利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)集成了建筑物的物理及功能特性等各種相關(guān)信息的工程模型，既包括幾何信息，還包括非幾何屬性信息，能為工程項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營維護(hù)直至拆除的全生命周期信息進(jìn)行存儲和運用，為工程決策提供更好的依據(jù)，最大限度地實現(xiàn)工程價值。相比于傳統(tǒng)CAD模型，BIM引入時間軸和費用軸，即5D模型，既可實現(xiàn)項目虛擬建設(shè)及管理，又可實現(xiàn)工程計量和費用計算的自動化。據(jù)斯坦福大學(xué)調(diào)研表明，BIM可以減少設(shè)計變更40%，提高施工現(xiàn)場勞動率20%～30%[1]。鐵路是一個龐大的系統(tǒng)工程，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，BIM應(yīng)用于鐵路工程建設(shè)已是大勢所趨。

2　國內(nèi)外BIM發(fā)展現(xiàn)狀

2.1建筑業(yè)BIM發(fā)展

美國作為全球BIM發(fā)展與應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者，GSA組織于2003年確立了3D-4D-BIM計劃，并于2007年要求所有重大項目都要應(yīng)用BIM技術(shù)；在英國，政府于2011年提出《UK Government Construction Strategy》，旨在推行BIM技術(shù)在政府工程項目中的應(yīng)用，明確強(qiáng)調(diào)了BIM在未來英國建筑業(yè)的重大作用；新加坡發(fā)行了《Singapore BIM Guide》(2012)，并成立了專門基金用于激勵企業(yè)相關(guān)項目的BIM技術(shù)實施；韓國于2010年先后發(fā)布了《建筑領(lǐng)域BIM應(yīng)用指南》、《設(shè)施管理BIM應(yīng)用指南》[2]，提出應(yīng)用BIM時需注意的方法及要素，用于指導(dǎo)工程各階段進(jìn)展，并要求國內(nèi)公共設(shè)施建設(shè)在2016年全面應(yīng)用BIM技術(shù)。

在中國，建筑業(yè)發(fā)展迅猛，市場競爭異常激烈，信息化建筑理念逐漸被重視，BIM的發(fā)展雖不如以上國家，但BIM的優(yōu)勢正在被廣泛認(rèn)可。2009年，香港成立了BIM學(xué)會，同年房屋署發(fā)布了BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，確定了2014-2015年將BIM技術(shù)全面應(yīng)用于房屋項目；2013年，北京正式啟動《民用建筑信息模型(BIM)設(shè)計基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》編制工作，這是國內(nèi)第一部地方BIM標(biāo)準(zhǔn)；2015年6月，中國住建部印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》[3]，要求實現(xiàn)建筑項目全生命期的BIM應(yīng)用，通過設(shè)計資源共享充分發(fā)揮BIM在全生命周期中的優(yōu)勢。BIM在中國的發(fā)展情況見圖1。

圖1　BIM在中國的發(fā)展

2.2鐵路行業(yè)BIM發(fā)展

2013年12月，中國鐵路BIM聯(lián)盟成立，由中國鐵道科學(xué)研究院等8家單位共同發(fā)起，旨在為中國鐵路設(shè)計、施工、運營管理全生命周期管理提供支撐平臺[4-5]；2015年9月，國內(nèi)知名鐵路高校西南交通大學(xué)BIM工程研究中心揭牌成立，契合鐵路工程業(yè)界需求，為深入開展鐵路行業(yè)BIM研究工作做準(zhǔn)備；2015年9月，鐵道第三勘察設(shè)計院正式啟動陽(泉北)大(寨)鐵路BIM技術(shù)研發(fā)工作，成立了陽大BIM應(yīng)用小組，意在提高工程總承包項目信息化管理水平；2015年11月，由中鐵四局主建的(北)京沈(陽)客專TJ-5標(biāo)，是國內(nèi)首個鐵路BIM技術(shù)施工試點項目，標(biāo)志著鐵路施工大數(shù)據(jù)時代的到來；2015年12月，廣東省發(fā)布了《2015年度城市軌道交通領(lǐng)域BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂計劃》，目的是推進(jìn)廣東省城市軌道交通向智能化發(fā)展[6]。綜上所述，一場基于BIM技術(shù)的鐵路行業(yè)革命已經(jīng)到來。

3　鐵路設(shè)計中BIM技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵點

隨著我國鐵路的高速發(fā)展，大批鐵路工程建設(shè)項目正在進(jìn)行。因鐵路項目具有投資大、工期長、技術(shù)復(fù)雜等特點，對設(shè)計質(zhì)量提出很高要求。傳統(tǒng)的CAD二維設(shè)計僅關(guān)注項目中的某一階段或某一方面[7]，易導(dǎo)致某階段各專業(yè)間或不同階段間各參與方信息難以共享、傳遞，容易形成信息孤島，無法滿足復(fù)雜鐵路項目的設(shè)計要求，而BIM技術(shù)注重的是項目整體進(jìn)程，可實現(xiàn)多方協(xié)同設(shè)計與作業(yè)，保證信息的及時傳遞，大大降低返工次數(shù)，提高工作效率、節(jié)約成本，目前已得到國內(nèi)各鐵路相關(guān)單位重視。

建筑業(yè)BIM應(yīng)用日趨成熟，但鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用尚處于初級階段[8]，遠(yuǎn)未發(fā)揮BIM在全生命周期中的工程價值，盡管已取得部分成果，但仍應(yīng)注意以下幾個關(guān)鍵點。

3.1與GIS的結(jié)合

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是一種特定的空間信息系統(tǒng)，能查詢和分析建筑物所處的地理相關(guān)環(huán)境信息，對環(huán)境進(jìn)行預(yù)測與模擬[9]。與其他建筑物相比，鐵路是一種線狀結(jié)構(gòu)，地理空間跨度大，在選線時GIS能提供鐵路設(shè)計所需的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行決策分析，確定最合理的走線方案，并通過三維形式展現(xiàn)出來。選線確定后，GIS技術(shù)可以對工點內(nèi)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測與分析，如確定工點存放臨時設(shè)備的最優(yōu)位置、工點內(nèi)危險區(qū)域，跟蹤監(jiān)測建筑材料如何通過供應(yīng)鏈等。

BIM注重項目本身“內(nèi)環(huán)境”，GIS則負(fù)責(zé)項目周圍“外環(huán)境”，兩者結(jié)合可以為工程設(shè)計與施工發(fā)揮更大作用。此外，鐵路工程建設(shè)涉及多個專業(yè)，通過GIS可以將各專業(yè)BIM模型整合并表現(xiàn)出來，實現(xiàn)全線路的BIM展示。

3.2綜合管線碰撞檢測

綜合管線是車輛基地的專項設(shè)計內(nèi)容，其涉及專業(yè)廣且信息繁雜，最能體現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)性與質(zhì)量水平。一直以來，車輛基地內(nèi)系統(tǒng)眾多且復(fù)雜，機(jī)電管線更是異常龐雜，傳統(tǒng)二維管線綜合設(shè)計中水暖電3個專業(yè)分別獨立進(jìn)行，各專業(yè)內(nèi)圖紙又會分為若干張，檢查管線排放的差錯漏碰問題往往比設(shè)計更花費時間和精力，同時二維圖紙表達(dá)不夠直觀、系統(tǒng)，圖紙內(nèi)很多問題難以發(fā)現(xiàn)，從而為工程埋下隱患。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于管線綜合，可以在設(shè)計時通過三維模型直觀表述設(shè)計意愿，初期可通過觀察發(fā)現(xiàn)碰撞問題，后期可通過碰撞檢測軟件檢查，如用Navisworks進(jìn)行全面檢測并生成報告，可清楚表達(dá)所有碰撞問題，以便快速調(diào)整修改，避免了后期設(shè)計過程中出現(xiàn)大量的調(diào)整和返工。

3.3站場運營管理

站場是鐵路工程建設(shè)的節(jié)點，也是鐵路客貨服務(wù)運營管理的中心。基于BIM技術(shù)的三維模型，在建模初期就集成了非幾何屬性信息。BIM模型在設(shè)計、施工階段錄入的站場設(shè)備信息，如設(shè)備型號、管理單位、維修周期與內(nèi)容等，為后續(xù)運營維護(hù)提供了數(shù)據(jù)支持，顯著提高了運營管理階段對前期工程信息的利用率。

此外，BIM模型通過結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可及時發(fā)送、傳遞信息，幫助管理人員辦理客、貨運業(yè)務(wù)，管理列車接發(fā)、會讓等。相比傳統(tǒng)二維設(shè)計與運營管理階段的割裂，BIM為站場檢修設(shè)備及管理等提供了有力的信息支持，充分發(fā)揮了BIM中“I”的優(yōu)勢。

3.4協(xié)同設(shè)計與作業(yè)(圖2)

鐵路工程建設(shè)涉及專業(yè)多達(dá)二十幾個，站前專業(yè)如線路、站場、橋梁、路基等，站后專業(yè)如暖通、給排水、機(jī)械、電力等專業(yè)[10-11]，每個專業(yè)內(nèi)或不同專業(yè)間都要密切配合與協(xié)作，確保信息溝通順暢、準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的二維設(shè)計抽象復(fù)雜，多專業(yè)圖面零亂繁雜，很難直觀表述模型的設(shè)計意圖，特別是工程進(jìn)行時因圖紙差錯導(dǎo)致的返工，單專業(yè)錯誤可能導(dǎo)致其他專業(yè)的圖紙變更，大幅增加了設(shè)計工作量，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，甚至增加項目成本。

圖2　基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計與作業(yè)

應(yīng)用BIM技術(shù)能夠使各專業(yè)協(xié)同設(shè)計與作業(yè)，在設(shè)計初期及時溝通，進(jìn)行模型匯總整合，及時修正錯誤，確保設(shè)計信息及時準(zhǔn)確的呈現(xiàn)，將傳統(tǒng)方式下項目后期出現(xiàn)的問題提前解決。完善的BIM模型可最大限度降低圖紙變更帶來的損失，從根本上減少因此而產(chǎn)生的人力、物力的浪費。

3.5項目各階段的銜接

鐵路工程項目要經(jīng)歷立項、設(shè)計、施工、運營幾個階段[12]，以二維圖紙表述的建筑設(shè)計，使項目各階段內(nèi)無法及時更新圖紙信息，為其他參與方提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在項目工程進(jìn)行中，每一方設(shè)計變更都會導(dǎo)致另一方在相應(yīng)文件中做出調(diào)整，一旦出現(xiàn)修正不及時，都會使工期延長，傳統(tǒng)方法建造過程中，設(shè)計、施工單位的隔離與信息閉塞，使雙方溝通困難，讓設(shè)計方案無法按時施工或出現(xiàn)錯誤。

BIM模型彌補(bǔ)了鐵路項目每個階段各參與方可能存在的問題，通過項目在各階段的信息共享，使各方更緊密的合作。BIM將設(shè)計、施工和運營知識結(jié)合在一起，順暢銜接并共同服務(wù)于項目，打破傳統(tǒng)企業(yè)間的壁壘[13]。

4　鐵路設(shè)計中BIM存在問題與發(fā)展對策

4.1存在問題與障礙

盡管BIM相比CAD技術(shù)有多方面的優(yōu)勢，但目前在鐵路行業(yè)發(fā)展過程中仍存在不少問題與障礙。

4.1.1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失

國內(nèi)的BIM標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，處于研究和制定階段，相對滯后，部分應(yīng)用鐵路建設(shè)的BIM案例都是根據(jù)項目或企業(yè)自身情況而定，僅用于某類工程試點，無法廣泛應(yīng)用，缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)某種程度制約了BIM的普及。

4.1.2三維協(xié)同設(shè)計理念缺乏

2D設(shè)計作為鐵路設(shè)計交付成果已是行業(yè)慣例[14]，即各專業(yè)在設(shè)計過程中單獨完成各自部分，匯總后反復(fù)修改核對后再交付。這種離散分步設(shè)計方式費時費力，嚴(yán)重影響鐵路項目整體進(jìn)程[15]。BIM帶來的三維協(xié)同設(shè)計理念促進(jìn)了鐵路設(shè)計各專業(yè)學(xué)科交叉與密切合作，但項目協(xié)同化設(shè)計要求在同一環(huán)境和同一標(biāo)準(zhǔn)下，各專業(yè)并行工作且溝通及時，而現(xiàn)實中各專業(yè)的軟件平臺難以兼容、遵循標(biāo)準(zhǔn)及理念不同、信息安全無法保證等問題阻礙了BIM這一理念的發(fā)展。

4.1.3專業(yè)軟件不足

現(xiàn)在市場上功能完善的BIM軟件多為國外軟件，國內(nèi)自主開發(fā)BIM軟件較少，且適合應(yīng)用于鐵路工程項目的更少，國外軟件與中國鐵路設(shè)計規(guī)范不匹配，突出了軟件的本土化問題，不少鐵路設(shè)計院也在嘗試進(jìn)行BIM軟件二次開發(fā)，但方向主要集中于方便建模、出圖及展示等，無法真正發(fā)揮BIM的優(yōu)勢，另外開發(fā)專業(yè)軟件周期長、難度大，前期投入較多，短期無法實現(xiàn)收益，讓很多企業(yè)望而卻步，也是亟待解決的一個問題。

4.1.4市場認(rèn)知問題

目前鐵路行業(yè)BIM基本只用于設(shè)計環(huán)節(jié)，主要是應(yīng)業(yè)主需求而試用于鐵路上某些特殊需要的項目，為業(yè)主作可視化展示。全生命周期的BIM應(yīng)用要求投入成本高，需要相關(guān)軟硬件設(shè)施的配合，可供參考BIM案例較少，使相關(guān)中小型企業(yè)因技術(shù)和實力不足在接受新技術(shù)獲得改變的過程中會猶豫不決，還處于觀望態(tài)度，無法感受BIM帶來的實際價值。

4.1.5人才的缺乏

人才先行是BIM推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵。BIM技術(shù)實現(xiàn)從軟件開始，現(xiàn)在鐵路行業(yè)接受培訓(xùn)學(xué)習(xí)BIM軟件的往往是新人，學(xué)習(xí)軟件能力強(qiáng)，但缺乏實際工程經(jīng)驗，而老員工通常覺得先進(jìn)技術(shù)不如經(jīng)驗做事效率高，觀念落伍，學(xué)習(xí)意愿不足，導(dǎo)致實際培訓(xùn)效果不理想，嚴(yán)重限制了BIM在企業(yè)中的發(fā)展，企業(yè)迫切需要一套完整的人才培訓(xùn)體系與方法。

4.2發(fā)展對策

鐵路建設(shè)具有專業(yè)眾多、技術(shù)繁雜的特點，BIM應(yīng)用與推廣難度大。要想使BIM在鐵路行業(yè)廣泛使用，可以結(jié)合鐵路行業(yè)特點，效仿鐵路工程試點成功案例，組織制定鐵路標(biāo)準(zhǔn)框架和體系標(biāo)準(zhǔn)；還應(yīng)兼顧各專業(yè)特點，建立良好的三維協(xié)同設(shè)計管理體制及執(zhí)行計劃，增強(qiáng)各專業(yè)協(xié)調(diào)工作能力，另外保證模型信息安全性尤為重要；同時BIM的軟件推行需要政府支持，政府可以采取激勵措施，鼓勵企業(yè)自主開發(fā)專業(yè)軟件，保護(hù)國內(nèi)自主開發(fā)BIM軟件版權(quán)，構(gòu)建產(chǎn)品服務(wù)支持體系；當(dāng)今BIM技術(shù)主要應(yīng)用于房屋建筑，鐵路作為基礎(chǔ)設(shè)施，其BIM技術(shù)的應(yīng)用剛剛開始，BIM利于鐵路的智能建造、鐵路信息智能管理，適應(yīng)國家鐵路科技發(fā)展規(guī)劃需求，政府部門應(yīng)配合并出臺相關(guān)政策扶持，提高其在中小企業(yè)中的認(rèn)知；同時也要要求各企業(yè)制定培訓(xùn)計劃和考核制度，重點培訓(xùn)新老員工的BIM技術(shù)水平，強(qiáng)化BIM專業(yè)知識和軟件應(yīng)用能力，逐漸使BIM應(yīng)用普遍化、全面化。

5　結(jié)語

BIM是建筑業(yè)的一次革命，其發(fā)展帶來的不僅是技術(shù)的進(jìn)步、建筑效益的提高，更改變了建筑企業(yè)的思維模式。鐵路既是國民不可或缺的公共基礎(chǔ)設(shè)施，同時也是我國先進(jìn)技術(shù)走出國門的一把鑰匙，其建設(shè)更應(yīng)及時跟進(jìn)。雖然目前鐵路BIM技術(shù)的應(yīng)用與實踐發(fā)展緩慢，還存在諸多問題，但其帶來的工程價值顯著，我們要用正確、長遠(yuǎn)的眼光去看待其發(fā)展，不能急于求成。相信BIM技術(shù)一定會穩(wěn)步推進(jìn)鐵路行業(yè)建設(shè)，在不久的將來取代CAD，引領(lǐng)鐵路建設(shè)向信息化、智能化的更高層次發(fā)展。

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Discussion on the Application of BIM in Railway Design

HAN Xiu-hui1， YUAN Feng2， LUO Shi-hui1， YE Hang-xing1

(1.Traction Power State Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.The 3rd Railway Survey & Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

By outlining the concept of building information modeling (BIM)， this paper analyzes the advantages of whole life cycle concept based on BIM technology and reviews the development status of BIM technology in the building industry and domestic railway. Moreover， five key points of BIM application should be taken into account in railway design: combination with GIS， comprehensive pipeline collision detection， yard operation management， collaborative design and operation， and coordination in each stage of the project. There are five problems in domestic BIM development: absence of industry standards， lack of 3D collaborative design concept， insufficient professional software， and market cognition and talents cultivation issues. Corresponding strategies of BIM implementation are also put forward. It is concluded that BIM will lead to the informationalized and intelligent development of railway．

BIM; Railway design; Development status; Whole life cycle; Collaborative design

2016-01-16；

2016-01-24

韓秀輝(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：664710613@qq.com。

1004-2954(2016)08-0017-04

U212

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.004