BIM?技術(shù)在德國鐵道線路上部工程中的應(yīng)用

1 背景

德國絕大多數(shù)鐵道線路基礎(chǔ)設(shè)施的新建、改建、維修均由德國鐵路股份公司下屬線路網(wǎng)絡(luò)子公司（DB Netz AG）負(fù)責(zé)。該公司的主要職責(zé)是保障線路基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營。在2015年—2019年期間，DB Netz AG用于新建和維修鐵道線路上部結(jié)構(gòu)的資金高達(dá)120億歐元。線路上部結(jié)構(gòu)包括鋼軌、軌枕、道床、道砟、防爬設(shè)備和聯(lián)接零件等組件，其功能在于引導(dǎo)軌道車輛前進(jìn)，并傳遞來自軌道車輛的巨大壓力。線路上部工程包括線路上部結(jié)構(gòu)的新建、改建和維修，這里的維修是指材料和部件的更新和替換。

為改變德國鐵道線路上部結(jié)構(gòu)新建、改建、維修規(guī)劃不善，工期延誤和成本巨額增加的狀況，德國重大項(xiàng)目建設(shè)改革委員會(huì)在2013年建議采用建筑信息模型（BIM）技術(shù)。德國聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部（BMVI）根據(jù)德國的BIM技術(shù)相關(guān)規(guī)定采納并執(zhí)行了此建議。

BIM技術(shù)是一種在五維（5D）數(shù)字建筑模型（如路線模型）上協(xié)同工作的、非常簡便的技術(shù)。此技術(shù)將3D模型擴(kuò)展到包括時(shí)間和成本的維度，并引入了與規(guī)劃和施工相關(guān)的過程。使用此方法可以在規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目時(shí)進(jìn)行成本和時(shí)間控制，并在項(xiàng)目建設(shè)的整個(gè)過程中保證參建各方進(jìn)行良好、透明的溝通和交流。

2 BIM 技術(shù)應(yīng)用概述

線路上部工程施工由于涉及眾多專業(yè)領(lǐng)域，見圖1，因此與房屋建筑施工相比，對(duì)施工過程、物流、工地安全防護(hù)以及許多其他專業(yè)領(lǐng)域的規(guī)劃人員有不同的要求。圖1a顯示了線路上部工程項(xiàng)目施工規(guī)劃的傳統(tǒng)過程，其中的不同專業(yè)相互關(guān)聯(lián)。這些關(guān)系的復(fù)雜性和多樣性決定了為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)需要進(jìn)行復(fù)雜且密切的溝通和交流。圖1b顯示了使用BIM模型的線路上部工程施工規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，各專業(yè)領(lǐng)域人員共同依托1個(gè)5D模型展開工作。這樣可以確保經(jīng)過授權(quán)的項(xiàng)目參建方共享所需的信息。為實(shí)現(xiàn)各參建方在模型中的合作，需要使用合適的軟件，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全面的控制。

利用BIM技術(shù)的各種工具，可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目控制和參建各方之間的協(xié)作。其中包括“客戶信息需求”、“BIM清算計(jì)劃”和“公共數(shù)據(jù)環(huán)境”3大工具。有關(guān)上述3種工具的詳細(xì)信息可在DB Netz AG網(wǎng)站查詢。

為了創(chuàng)建數(shù)字建筑模型，必須在規(guī)劃施工工地之前根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)采集和處理基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的數(shù)據(jù)。對(duì)于線路上部工程，在細(xì)節(jié)水平上有特殊要求：用于摘取工程量的數(shù)據(jù)必須達(dá)到規(guī)定的精度，其余數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能少，以最大限度地減少待處理的數(shù)據(jù)量。在數(shù)據(jù)獲取方式上，可以通過列車行車、常規(guī)測量或激光掃描創(chuàng)建的點(diǎn)云采集數(shù)據(jù)。

在施工過程中，必須記錄每個(gè)施工工序及所有施工對(duì)象的實(shí)際數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的用途是：①輔助承包商進(jìn)行必要的補(bǔ)充計(jì)算和后期計(jì)算;②創(chuàng)建線路的數(shù)字孿生模型。

與傳統(tǒng)方法相比，線路上部工程項(xiàng)目使用BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：①面向?qū)ο蟮挠?jì)算形式;②提供已有或新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)詳細(xì)信息;③5D模型在進(jìn)行任意更改后會(huì)同步更新所有尺寸和視圖。

3 BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 面向?qū)ο蟮挠?jì)算形式

如果當(dāng)前產(chǎn)生的工程量是根據(jù)工程量說明、工程量清單或施工部位確定的，則可由面向?qū)ο蟮挠?jì)算形式替代。

為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要待維修路線當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的完整5D模型。應(yīng)用BIM技術(shù)需與施工過程和物流相關(guān)聯(lián)，所以BIM建模時(shí)應(yīng)包含施工段及其附近區(qū)域（包括停車區(qū)域、倉庫和貨物換裝場），以及用于物流運(yùn)輸?shù)母L鐵路線（包括收費(fèi)站）。圖2中顯示了上述各區(qū)域。每個(gè)區(qū)域中，對(duì)于建模精度和模型對(duì)象的幾何形狀都有不同的要求，因此應(yīng)根據(jù)具體要求創(chuàng)建模型。

3.2 模型創(chuàng)建和精度等級(jí)

創(chuàng)建符合BIM技術(shù)要求的線路模型時(shí)，應(yīng)考慮滿足不同需求后的數(shù)據(jù)精簡，僅保留必要信息。使用BIM模型可以采集和融合施工期間的海量實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)，由于德國移動(dòng)數(shù)據(jù)連接的可用性還有待提高，因此很有必要縮減數(shù)據(jù)量。

3.3 線路上部工程項(xiàng)目計(jì)算

承包商的報(bào)價(jià)和工程量計(jì)算以施工工地5D模型中生成的工程量為基礎(chǔ)。有許多工具軟件可以支持承包商進(jìn)行面向?qū)ο笥?jì)算，其中包括標(biāo)準(zhǔn)化的施工流程數(shù)據(jù)庫，以及自動(dòng)化的資源優(yōu)化和工資成本計(jì)算軟件等。圖3為具體的計(jì)算流程圖。

上述應(yīng)用軟件之一是線路上部工程施工工序的標(biāo)準(zhǔn)工程量數(shù)據(jù)庫（SLAG）。它是有關(guān)新建、改建和維修線路上部結(jié)構(gòu)時(shí)所有典型施工工序的數(shù)據(jù)庫。借助SLAG，可以根據(jù)實(shí)際模型與目標(biāo)模型之間的對(duì)象更改（如鋼軌更換），創(chuàng)建包含所有所需施工工序的清單;還可以根據(jù)從5D模型中獲取的更多信息，尤其是物流邊界條件，制定施工組織計(jì)劃。但使用SLAG還無法全面考慮所有可能的施工工序、依賴關(guān)系和相互作用，所以自動(dòng)創(chuàng)建的施工工序清單存在不能完全符合實(shí)際應(yīng)用需要的情況，還需再進(jìn)行人工更正、優(yōu)化和最終確認(rèn)。

創(chuàng)建施工工序清單后，承包商可以針對(duì)人員和機(jī)械開展資源計(jì)劃，以優(yōu)化施工過程。采用施工過程中的人員和資源動(dòng)態(tài)分配方法，并保證（大型）機(jī)械和設(shè)備的多樣性，有助于計(jì)算得到最佳解決方案。此時(shí)，應(yīng)該區(qū)分己方設(shè)備和第三方設(shè)備，并將其他因素（如運(yùn)輸成本）考慮進(jìn)來。

4 結(jié)論

通過使用BIM技術(shù)，可以使線路上部工程施工的規(guī)劃和計(jì)算得以優(yōu)化。為此，5D模型是基礎(chǔ)。然而，5D模型的創(chuàng)建和維護(hù)花費(fèi)巨大。因此，對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目，必須驗(yàn)證創(chuàng)建模型的必要性及其可能產(chǎn)生的附加值。簡化的線路模型也需要驗(yàn)證。

盡管在線路上部工程中使用BIM技術(shù)的形式多種多樣，但在施工工地上仍需要訓(xùn)練有素的人員，他們能夠在施工物流、施工過程等發(fā)生變化的情況下，做出判斷并確定下一步的程序。

因?yàn)榭梢允褂?D模型執(zhí)行其他應(yīng)用程序，例如噪聲計(jì)算、可視化或維修計(jì)劃等，對(duì)于復(fù)雜的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目而言，線路的完整5D模型非常有用。

在將來，線路的5D模型還可以推動(dòng)線路上部工程施工過程自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。此外，其還可以用于全生命周期成本研究，從而將當(dāng)前的和預(yù)測的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)與維修計(jì)劃和鐵路運(yùn)營聯(lián)系起來。借助整體線路模型，可以識(shí)別和管理鐵路系統(tǒng)中復(fù)雜的相互關(guān)系，例如在特定運(yùn)行載荷下的鋼軌磨損增加等。

參考文獻(xiàn)

[1]Christoph Schütze. Anwendung von Methode des Building Information Modeling（BIM）bei Instandsetzungsma?nahmen im Gleisbau[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：49-52.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-12-01