鐵路專用線BIM正向設計思考

摘" 要：隨著TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統一標準》的發布，鐵路BIM正向設計進入一個新階段。該文通過研究國際國內BIM標準發展歷程，說明鐵路BIM標準與建筑BIM標準的關系，通過研究國內外主流BIM設計軟件并結合工程案例展示鐵路BIM標準的實際應用，最后結合鐵路專用線設計的實際需求和規范要求，提出基于Dynamo軟件的正向設計思路。

關鍵詞：鐵路專用線；BIM標準；正向設計；Dynamo；鐵路通信

中圖分類號：U284" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0107-04

Abstract： With the release of the unified standard of railway engineering information model， the forward design of railway BIM has entered a new stage. By studying the development process of international and domestic BIM standards， this paper illustrates the relationship between railway BIM standards and building BIM standards， and shows the practical application of railway BIM standards by studying the mainstream BIM design software at home and abroad and combining with engineering cases. Finally， according to the actual requirements and specification requirements of railway special line design， the forward design idea based on Dynamo software is put forward.

Keywords： railway private line; BIM standard; forward design; Dynamo; railway communication

BIM（建筑信息模型）目前已成為工程建設信息化領域廣義的集合概念，內涵十分豐富，可以體現為建設工程決策、設計、施工和運營等全生命周期所維護的“模型”，也可以體現為建立“模型”所需的成套的方法和工具。BIM技術在未來還有望成為進入“數字孿生”這一理想國的基本路徑。BIM“模型”在生命周期不同階段的功能需求大不相同，在不同行業領域的分解結構大不相同，再加上不同地域的個性化要求、不同設計方的利益導向和不同軟件開發商的市場細分差異，就造成建立“模型”的方法和工具多種多樣，進而難以在BIM技術的應用上形成規模效應[1]。而工程建設信息化的推進離不開效率和效益的提高，因此追求統一的、適用性廣泛的方法與工具成為必由之路。

1" 鐵路BIM標準

1.1" 鐵路BIM標準發展

2012年，根據《關于印發2012年工程建設標準規范制訂修訂計劃的通知》（建標〔2012〕5號），住房和城鄉建設部開始組織編制民用建筑領域BIM國家標準，并于2016年發布GB/T 51212—2016《建筑信息模型應用統一標準》，2017年發布GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標準》和GB/T 51235—2017《建筑信息模型施工應用標準》，2018年發布GB/T 51301—2018《建筑信息模型設計交付標準》和JGJ/T 448—2018《建筑工程設計信息模型制圖標準》，2021年發布GB/T 51447—2021《建筑信息模型存儲標準》。2017年以來，北京、山東、吉林、遼寧、安徽、湖南、重慶和廣州等省市相繼發布地方性民用建筑BIM規范和建設標準，并在招投標、設計、施工和竣工驗收等階段進行應用探索。2021年，交通運輸部發布JTG/T 2420—2021《公路工程信息模型應用統一標準》等3部公路工程BIM行業標準。

2014年，根據鐵路總公司鐵路工程建設信息化總體方案，鐵路BIM聯盟理事會組織相關單位，開始鐵路BIM標準研究，并于2014年至2018年間，陸續發布了T/CRBIM 001—2014《鐵路工程實體結構分解指南（1.0版）》、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標準（1.0版）》和T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數據存儲標準（1.0版）》等13項團體標準。

2021年，國家鐵路局發布我國首部鐵路BIM行業標準：TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統一標準》。

1.2" 鐵路BIM技術標準淺析

BIM技術的標準體系最先由建筑行業提出并建立，20世紀90年代起國際標準組織（ISO）開始制訂建筑信息分類編碼統一標準，buildingSMART組織（前身為國際數據互用聯盟）開始制訂數據交換標準。目前，兩大國際組織制定的ISO 12006-2、ISO 12006-3及IFC標準，是建筑信息能夠統一數據化描述和交換的基礎，均已成為事實上的BIM標準。2012年，美國建筑科學研究院發布美國國家BIM標準第二版（NBIMS-US V2）[2]，明確了BIM標準體系和引用的國際標準，其中就采用了IFC（工業基礎類）標準（圖1）、基于ISO 12006-2的OmniClass（現代建筑信息分類體系）標準和基于ISO 12006-3的IFDlibrary（國際數據字典框架庫）標準和XML（可擴展標記語言）標準等，在后來2015年發布的美國國家BIM標準第三版（NBIMS-US V3）中又引入了LOD（精細度，后用于描述模型成熟度）等標準。

NBIMS的BIM體系框架中，將BIM標準分為技術標準和執行標準，技術標準面向的是軟件開發者，執行標準面向的是工程實施者。其中技術標準分為3類：數據存儲標準（IFC、XML）、信息語義標準（OmniClass、IFD）和信息傳遞標準（IDM）。在后來的各類研究文獻中，一般采用IFC、IFD和IDM來代表這3類標準。后來各國發布的這3類技術標準有的采用了國際標準，有的是基于國際標準和國內標準制定的新標準。技術標準的統一化在國內外均取得了不錯的進展，但在各軟件開發商的響應方面卻不盡相同。

2011年，清華大學BIM課題組發布了《中國建筑信息模型標準框架研究》第一版（CBIMS），體系結構和NBIMS類似。后來建設部組織編制建筑領域BIM國家標準，借鑒了國際BIM標準，也兼顧國內的相關規范，形成了3個層次的標準體系[2]。第一層次為最高要求，包括GB/T 51212—2016《建筑信息模型應用統一標準》；第二層次為基礎技術標準，包括GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標準》、GB/T 51447—2021《建筑信息模型存儲標準》；第三層次為執行標準，包括GB/T 51301—2018《建筑信息模型設計交付標準》、JGJ/T 448—2018《建筑工程設計信息模型制圖標準》。

鐵路行業相較于建筑行業，在信息化方面所面臨的問題更為復雜，除了包含民用建筑行業的全部需求，在地理信息、橋梁、隧道和電氣化等領域有更深入的要求，在線路、路基和信號等專業有特殊的要求，并且BIM模型的地域范圍和數據量也更大。因此，除了參照建筑BIM標準，鐵路行業必須制定和推廣適合于鐵路行業的BIM標準，必須開發適合于鐵路行業的BIM軟件工具。

鐵路BIM聯盟發布的13項BIM標準，也借鑒國際BIM標準體系和建筑BIM國標體系[3]，可分為技術標準和執行標準。其中，技術標準中T/CRBIM 001—2014《鐵路工程實體結構分解指南（1.0版）》參考現行鐵路專業和工程量清單進行實體線性分解和編碼，可以為每個實體構造物在樹形結構里找到位置；T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標準（1.0版）》參考ISO 12006-2和現行國標對建筑物、建筑空間、專業領域、功能、形式、構件、工項、項目階段、人員角色、組織角色、產品、特性和地理信息等進行分類和編碼，是較為詳盡的IFD標準，可以為模型和子構件賦予相應編碼[4]；T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數據存儲標準（1.0版）》在IFC 4×1的標準上進行了擴展，為除建筑外的其他專業采用EXPRESS語言（信息建模語言）定義了IFC屬性集[5]；T/CRBIM 005—2017《鐵路工程信息模型表達標準（1.0版）》將各專業模型幾何的表達精度、成熟度分為4個層級進行了統一要求（表1）。

國家鐵路局發布的TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統一標準》，則是參照國標體系，從第一個層次明確了鐵路工程信息模型實施主體責任、應用階段、信息分類、數據存儲、信息交換和保密安全等方面的總體要求。

2" 鐵路BIM工具及正向設計案例

BIM技術標準的落地離不開軟件及輔助工具的支持，BIM技術體系因不同地域、行業有所差異，對于軟件開發商而言則難以全部兼顧。目前能夠提供行業級整體解決方案的BIM軟件公司主要有歐特克Autodesk（AutoCAD、Revit、Civil3D、Navisworks和Dynamo）、本特利Bentley（MicroStation、ProjectWise、OpenRoads、OpenRail和OpenBridge）、達索Dassault（CATIA、SolidWorks、DELMIA、3DVIA和3DE）、圖軟Graphisoft（ArchiCAD）、McNeel（Rhino、Grasshopper）和谷歌Google（SketchUp）等。

各大軟件公司的優勢不同，Autodesk公司的Revit系列軟件在國內建筑行業應用最為廣泛，且促生了紅瓦、畢馬匯、盈建科、廣廈、廣聯達和魯班等一批輔助工具供應商，設計、施工和運維各階段及算量、計價和出圖各環節均有效提高了生產效率。Bentley公司的軟件基于MicroStation的統一平臺，在公路、鐵路和橋梁等市政工程領域應用最為廣泛。Dassault公司的3DE平臺在橋梁隧道設計中應用較為廣泛。除此之外，Rhino在建筑領域中應用較多，同時SketchUp在園林設計領域中應用較多。

國產軟件商中，北京構力科技有限公司開發的PKPM-BIM、廣聯達科技股份有限公司開發的BIMMAKE等在民建領域均有建樹。

2014年鐵路建設工程信息化總體方案發布以來，各大設計院所、施工單位都有不同程度的BIM應用。實踐中建筑專業軟件可選Revit、Rhino，橋梁隧道專業可選OpenBridge、3DE，站場路基專業可選Civil3D，線路專業可選OpenRail。由于鐵路行業的特殊性，目前的條件下，要實現成熟度為3級（多階段應用、多方協同和制圖算量）的完整項目建模，必然要使用不同公司的軟件，而上下游專業之間相互銜接的工作數據，在不同公司的軟件平臺間無法做到流暢交換，因此鐵路BIM正向設計難度陡增。

行業BIM標準的目的之一，就在于推動各大軟件公司做到模型的數據存儲、信息語義和信息傳遞均標準統一，然而難度同樣很大。軟件公司均傾向于在自身的平臺系統中實現標準統一。目前最適合鐵路行業的軟件系統無疑是Bentley公司基于MicroStation平臺的OpenRail設計軟件，該軟件可以基本實現鐵路站前專業的正向設計，且對長大線路支持良好，然而其房建設計、結構計算和出圖算量等功能卻不能滿足3級的深度要求，需要二次開發或單獨使用Revit等軟件建模。除此之外，其他如通信、信號專業，該平臺沒有現成的軟件，只能進行二次開發。

西安至十堰高速鐵路是第一個全線全專業推進BIM正向設計的鐵路項目[6]，由鐵一院設計，主要采用Bentley平臺的MicroStation、OpenRailDesigner、Substatio、ProjectWise及CityMaker等軟件，同時進行了大量二次開發。通過該項目的實踐發現，軟件功能和傳統設計流程的契合度還不足，推進BIM正向設計還需要進一步完善標準，需要設計軟件對標準的支撐，需要以數據和數據流轉為核心，需要多專業協同平臺的建設。

方法和工具的統一是推動BIM正向設計的合理路線，關鍵在于技術標準、軟件和設計方法的統一。各大鐵路設計院在前期構建協同平臺時，基于Autodesk、Bentley和Dassault等公司的平臺均有嘗試，在長大線路方面，漸漸趨向于Bentley平臺，在其他站場、橋隧等單項工程方面，則各有優勢。2018年中交一公院和Bentley公司合作研發的道路工程BIM正向設計軟件CNCCBIM OpenRoads發布，有效推動了道路設計的國家規范、標準和建模方法的統一。由于鐵路行業的特殊性，今后鐵路BIM軟件的發展在市場競爭的環境下，可能會存在多個公司平臺不斷完善共存的情況。

3" 鐵路專用線BIM正向設計

隨著TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統一標準》的發布，后續技術標準和執行標準將更新。在鐵路BIM正向設計這條道路上，先走通者將占據市場優勢，這也必然要付出巨大的努力。

鐵路專用線相較于干線鐵路，區間短、橋隧少及建設周期短，Bentley平臺的優勢減少，通過分析選型[7]，Autodesk公司的系列軟件支持IFC標準，在國內市場應用廣泛，基于Autodesk平臺的正向設計體系具備一定優勢。本文針對鐵路專用線工程，提出基于Autodesk平臺Dynamo、Revit、Civil3D軟件及傳統鐵路選線軟件的正向設計思路，以期實現成熟度2級（單階段、多專業協同和簡單公共數據環境）的BIM模型應用，數據傳遞統一，可視化簡單，可以在前期規劃、招投標階段取得相對優勢。

基本步驟如下。

①基于測量圖，采用傳統鐵路選線軟件（RLDVS等）進行選線設計，定義線路中心線。②基于線路中心線數據，進行處理時滿足IFC標準，導入Dynamo軟件中生成空間曲線。③基于測量圖的點云數據，在Civil3D軟件中生成地質模型曲面，導入Dynamo中的空間曲線進行線路驗證和調整，確定場平數據。④基于空間曲線，使用Dynamo程序化設計語言進行放樣，布置軌枕、軌道和道床?；诘来睬妫褂肈ynamo進行橋梁、隧道定位及布置?；谲壍篮蜆蛩淼目臻g位置進行接觸網、信號設備布置。⑤使用Revit軟件進行站房設計，包括建筑、結構、電氣化和機房布置等，導入Dynamo中。⑥基于Civil3D軟件中的地質模型曲面，導入Dynamo中的空間模型進行場平優化和管網設計。⑦在Civil3D軟件中完成模型調整、優化，利用NavisWorks或Lumion軟件進行模型動畫展示。⑧優化Dynamo程序模型和數據，進行合規處理，編制交付文件。

上述方法的核心在于利用Dynamo軟件強大的程序化設計功能，導入初始數據和階段性數據，實現參數化設計，流程化生成模型。利于鐵路專用線設計單位的低成本高效率建模。該方法借鑒了目前民建領域Rhino+Grasshopper的建模方案。

上述方法雖然免去了二次開發過程，但搭建適用性廣泛的Dynamo程序架構依然具有挑戰性，Dynamo作為Revit和Civil3D間的橋梁，需要深入匹配2種軟件的操作屬性。上述方法的優勢在于具備后續優化的空間，如可以直接利用Civil3D進行選線和土方設計，可以利用Revit進行隧道和橋梁設計后加入Dynamo模型中，可以利用Revit所支持的設計插件快速進行強弱電、裝修設計，可以在Civil3D中導出CAD平面圖。最終形成的Dynamo模型包含成熟度2級的模型數據，而Revit和Civil3D包含某一單項工程成熟度3級的模型數據。

在后續Dynamo應用中，需要增加對曲線超高、道岔分組、接觸線及支柱的支持，需要在模塊和構件屬性中加入現行標準所要求的存儲及編碼信息，需要支持以XML格式或IFC格式導出模型數據。

4" 結束語

鐵路BIM正向設計，可以預見是一個方法與工具不斷磨合的過程，要實現BIM技術所帶來的種種便利，必須進行技術探索和人才積累。在統一的設計工具和設計方法完成之前，結合實際需求進行多種嘗試是必要的。本文提出的基于Dynamo+Civil3D+Revit的專用線正向設計思路成本低效率高，并且市場應用廣泛、配套工具多，具備一定優勢。

參考文獻：

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[2] 李華良，楊緒坤，王長進，等.中國鐵路BIM標準體系框架研究[J].鐵路技術創新，2014（5）：16-21.

[3] 朱純瑤，楊緒坤.建筑信息分類編碼體系對鐵路BIM的借鑒作用[J].鐵路技術創新，2014（2）：35-41.

[4] 李華良，楊緒坤，沈東升，等.鐵路工程信息模型分類和編碼標準研究[J].鐵路技術創新，2015（3）：17-20.

[5] 趙飛飛.鐵路工程信息模型數據存儲國際標準框架研究[J].鐵道工程學報，2018（2）：90-95.

[6] 劉彥明，許興旺.西安至十堰高速鐵路BIM正向設計應用實踐及創新[J].鐵道標準設計，2021（12）：63-68.

[7] 付功云，王燁，王婷，等.基于模糊層次分析法的BIM正向協同設計平臺選型分析[J].鐵路計算機應用，2022（1）：43-49.