BIM技術應用于數字鐵路建設的實踐與思考

劉為群

(1. 中國鐵路設計集團有限公司, 天津 300142； 2. 城市軌道交通數字化建設與測評技術國家工程實驗室, 天津 300251)

“數字地球”(Digital Earth)概念是由美國副總統戈爾在1998年1月31日在加利福尼亞科學中心提出的。“數字鐵路”是“數字地球”概念的一個子集。“數字鐵路”是建立在鐵路信息基礎結構上的把鐵路機、車、工、電、檢、行政指揮決策、運營管理等各部門的海量的動態和靜態、多分辨率、三維的數據按統一的地理坐標集成起來的信息集合[1]。數字鐵路基于地理信息系統(GIS)、建筑信息模型(BIM)、遙感、衛星定位、物聯網、虛擬化、信息集成等技術，BIM技術是數字鐵路建設核心技術之一。BIM不只是一項技術，也是一個項目管理過程[2]，可定義為建筑資產物理和功能特征的數字化表達[3]，也可定義為貫穿資產整個生命周期的過程[4]。雖然定義的角度不同，但其共同之處在于BIM由四個關鍵要素組成：協作、表達、過程、生命周期[5]。BIM可以節省項目成本和時間，減少誤差和遺漏，減少返工率，提高生產力[6-8]。近年來，BIM與其他新興技術的集成研究越來越多，例如，BIM與3D打印[9]、BIM與3D激光掃描[10]、BIM與增強現實等[11]。

2013年中國鐵路總公司確定將BIM技術作為鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向[12]，并指出加快BIM技術的推廣和應用，切實抓好建設模型向運維模型的移交和運用，是構建數字鐵路的必然選擇。為此，鐵路總公司主導成立了鐵路BIM聯盟，研究制定鐵路BIM標準體系框架、發布《鐵路工程信息模型數據存儲標準》等系列標準，組織開展鐵路BIM試點應用，推動BIM這一革命性新技術在數字鐵路建設上的深度應用。

目前，針對BIM技術在鐵路建設中的應用研究越來越多。Bensalah等從定性的角度總結了BIM技術在鐵路建設中的應用優勢，如決策支持、施工進度監控、輔助管理與運維等[13]。Salman從定量的角度論述了使用BIM技術帶來的效益，如可減少7%的工期等[14]。Smith表示BIM技術在鐵路建設中的應用是一個長期的過程[15]。但這些研究大都是基于當地鐵路行業現狀，并未考慮中國鐵路工程特性。而國內BIM技術在數字鐵路建設中的應用還處于初步探索階段。因此，本文從中國鐵路BIM應用實踐出發，對BIM技術在數字鐵路建設中應用所面臨的問題和挑戰進行了系統分析，并提出了一些建議，可為其他相關研究者和從業者提供參考。

1 BIM標準研究與制定

2013至2014年，鐵路BIM聯盟組織制定了《中國鐵路BIM標準體系框架》，鐵路BIM標準體系由技術標準和實施標準兩大部分組成。技術標準分為信息語義標準、數據存儲標準、信息傳遞標準。實施標準主要從資源、行為、交付物、協同管理四方面指導和規范BIM應用[16]。

2014至2017年，鐵路BIM聯盟組織編寫和發布《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》(鐵路IFD)[17]、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》(鐵路IFC)[18]、《面向鐵路工程信息模型應用的地理信息交付標準》、《基于信息模型的鐵路工程施工圖設計文件編制辦法》等行業團體標準。

在鐵路BIM聯盟組織制定和發布行業團體標準的同時，鐵路設計和施工企業也在根據各企業選擇的BIM平臺特點編制企業標準。如中國鐵路設計集團有限公司于2016年至2018年間，編制和發布了《鐵路工程結構分解及命名標準》、《鐵路工程協同設計骨架標準》、《鐵路BIM模型配色標準》、《鐵路工程協同設計信息傳遞標準》等系列企業BIM實施標準。

2017年國家鐵路局也啟動了鐵路BIM相關行業標準的編制工作。

以上行業標準、行業團體標準、企業標準共同組成了中國鐵路BIM標準體系，見圖1。

2 鐵路BIM應用實踐

自2014年以來，中國鐵路總公司組織開展了16個鐵路BIM應用試點項目，試點工作主要集中在設計階段。5年來鐵路BIM設計應用實踐從單專業單工點應用、多專業成段落應用，發展到全專業全線應用。從專業設計發展到多專業協同設計，從單純設計應用發展到設計向施工交付。鐵路BIM應用試點工作達到了搭建協同設計平臺、驗證BIM標準、建立BIM工作流程、創建和交付BIM成果的目標。

2.1 京沈客專探索站前多專業BIM協同設計[19]

京沈客專開展了站前多專業BIM協同設計，其成段落BIM設計成果見圖2。

(1) 統一搭建了站前專業BIM協同設計平臺。對現有主流設計軟件進行廣泛調研、試用后，引進并建設了BIM協同設計主平臺，各專業基于統一環境、同源數據高效交換信息。

(2) 梳理優化BIM模式下站前專業協同設計的業務流程，建立鐵路工程結構樹，實現了骨架驅動、模板智能的BIM設計。

(3) 基于協同設計，建立了測繪、地質、線路、站場、橋梁、隧道、路基、軌道各專業成段落BIM模型，并對支擋防護等工程做了局部優化。

(4) 為標準的編制和落地應用提供了試驗田。試點項目和BIM標準編制項目同步推進，邊摸索工程模型的分解，邊研究標準分類，兩項工作基本在2015年6月同步完成。將標準植入了BIM設計平臺，實現了標準信息模型輸出。

2.2 在陽大鐵路實現站前站后全專業BIM設計

在陽大鐵路總承包項目探索站前、站后多專業高效率BIM協同設計技術，全面應用并驗證鐵路IFD標準、鐵路IFC標準等，并將精細化的BIM模型應用于建設管理。陽大鐵路BIM模型見圖3。

陽泉北站房橋協同設計模型見圖4。利用該設計模型，發現并解決了陽泉北站橋梁與房建結構之間的多處干涉問題；對陽泉北站房管綜設計進行檢核與優化；輔助開展了設計交底；開展了溫河特大橋陡坡高墩和桃河特大橋跨既有線轉體梁虛擬施工，并用于施工方案編制與評審。

2.3 在京雄城際實現全線全專業BIM設計，并應用于設計審查及建設管理

京雄城際鐵路初步設計和施工圖階段均開展全專業BIM設計，首次用于輔助設計審查，BIM模型直觀、高效地方案表達能力發揮了傳統設計不可比擬的作用。

京雄城際鐵路BIM項目實施過程中全面應用鐵路BIM標準，首次實現以鐵路IFC標準格式從設計向建設管理階段的交付。

2.4 在牡佳客專開展長大鐵路全線BIM設計，實現向施工交付與服務

實現全線9個標段共367 km鐵路BIM設計，并應用于建設管理和施工深化。首創BIM模型設計交付和施工深化應用服務模式，為施工階段提供BIM深化應用平臺及LOD350深度模型，服務器分布式異地部署，實現工程各參與方跨地域協作。交付流程見圖5。

3 應用BIM技術推進數字鐵路建設的思考

3.1 鐵路BIM應用中的問題

鐵路工程點多線長、場景復雜，站前站后專業眾多，開展BIM設計需要高水平技術人員多，投入資源大，目前面臨的主要問題有：

(1) 鐵路BIM技術蓬勃發展的生態環境有待培育。特別是鼓勵BIM技術應用的政策法規和配套措施亟待建立。

(2) BIM研究應用不充分、不平衡。設計企業研究應用BIM技術的積極性及整體水平較高，建設管理和施工企業的整體認識及技術水平參差不齊，而運維企業尚未起步，不利于BIM技術在鐵路工程全生命周期應用。

(3) BIM標準尚待完善。雖已制定部分鐵路技術標準和實施標準，但仍不完備，且已頒標準經試點驗證仍需完善。

(4) 適用于鐵路設計與施工的BIM軟件功能不強、產品線不完整。BIM主流軟件多來自建筑與機械制造行業，支持鐵路應用的功能有限，需要持續的二次開發。

3.2 鐵路BIM應用建議

根據國家發改委發布的《鐵路“十三五”發展規劃》，到2020年全國鐵路里程將達到15萬km，其中高速鐵路3萬km。發展規劃要求充分發揮信息技術基礎性、引領性作用，發展物聯網技術，實施大數據戰略，加快推進新一代信息技術與鐵路融合發展，大力促進數字化、信息化、智能化鐵路建設。

傳統二維設計專業間存在不少“差、錯、漏、碰”；工程建設各參與方之間信息交換不充分，容易發生工程質量問題；現有運維手段存在眾多的信息孤島，給鐵路運營技術管理帶來很大挑戰。

鐵路BIM模型可承載豐富的設計、施工和維修信息，應用BIM技術可以實現多專業間的系統協調，多工程參與方之間高效協作。基于BIM模型運維管理，可以有效提升管理水平和工作效率。

因此，加快BIM技術的研發應用，是構建數字鐵路的必然選擇。

(1) 應持續重視BIM標準的編制與應用

首先，要與buildingSMART、國際鐵路聯盟(UIC)、開放地理信息聯盟(OGC)等國際BIM標準化組織開展積極合作，廣泛深度參與國際BIM標準的制定工作，主導完成國際鐵路BIM標準的編制。其次，增加鐵路BIM標準對鐵路工程全生命周期應用的支持，擴大覆蓋的專業領域和生命周期階段。同時，要持續推進鐵路BIM標準的落地應用，依據反饋意見持續改進和完善鐵路BIM標準，并以市場機制推動BIM軟件廠商對鐵路BIM標準的支持。

(2) 將BIM技術應用于鐵路工程全生命周期發揮更大價值[20-21]

BIM技術的實施最大收益在運維階段，設計和建設階段產生的信息在漫長的運維階段價值顯著；其次是施工階段，精細化的BIM設計成果對保證工期、減少返工方面價值突出。尤其是在路基自動化施工、拼裝式建筑、橋梁、隧道等構筑物更能體現出BIM設計的應有價值。

目前BIM試點主要聚焦在設計階段，BIM技術價值仍未完全體現，迫切需要推進施工、運維階段BIM試點，將BIM設計成果向智能化技術裝備、數字化施工及運維延伸，促進BIM在鐵路工程全生命周期應用技術快速進步，發揮更大價值。

(3) 盡快制定鐵路行業BIM技術應用推廣政策

應盡快出臺鐵路BIM技術應用的指導意見，明確BIM技術應用要求，制定配套政策，建立基于BIM的價值分配機制，保障BIM技術應用的可持續發展。在鐵路工程項目招投標中，應明確BIM應用要求。

進一步完善相關建設工程評獎管理辦法，對申報優秀工程勘察設計、質量獎項的項目，凡應用BIM技術的應給予加分。建立BIM人才培養機制，加強對企業管理人員和技術人員關于BIM應用的相關培訓，建立對BIM技術應用人員的獎勵機制。加大產、學、研、用投入和資金扶持力度，培育發展BIM技術咨詢服務和軟件服務的企業。

4 結束語

當前，鐵路正在由速度規模型向質量效益型轉變，實施“交通強國、鐵路先行”戰略，推進“智能鐵路、精品工程”建設，離不開鐵路BIM技術。鐵路行業BIM技術應用必將走上高速發展之路，更好地助力數字鐵路建設。