盧祝清

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國鐵路進入高速發(fā)展階段，一大批鐵路項目開工建設(shè)，對鐵路工程的工期、質(zhì)量和技術(shù)要求越來越高。然而鐵路建設(shè)項目是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要各階段相互銜接、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計。現(xiàn)在的鐵路建設(shè)大多都是采用二維平面設(shè)計，然后以郵件、會議等形式來傳遞圖紙和說明等形式協(xié)同工作。在信息溝通、資源調(diào)配、進度控制、設(shè)計標準化等方面的統(tǒng)一管理復(fù)雜且低效。各專業(yè)間信息溝通不及時、不順暢;設(shè)計意圖表達和理解不明確、不完整;設(shè)計成果對于鐵路運營、維護和管理的服務(wù)效果不明顯?，F(xiàn)代鐵路工程的技術(shù)更加復(fù)雜、周期要求短、需要眾多設(shè)計人員頻繁交換信息。建筑信息模型(BIM)以包含多層信息的三維模型為基礎(chǔ)，通過模型與設(shè)計人員的信息交流實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，能夠有效滿足鐵路建設(shè)發(fā)展的要求。

1 BIM的基本概念

1.1 BIM的基本概念

BIM是“建筑信息模型”(Building Information Model)的簡稱，BIM技術(shù)是指將建筑工程項目中的單一構(gòu)件或物體作為基本元素，將描述基本元素的幾何數(shù)據(jù)、物理特性、施工要求、價格資料等相關(guān)信息有機地組織起來，形成一個數(shù)據(jù)化的建筑模型，作為整個建筑工程項目的數(shù)據(jù)資料庫。這些圍繞建筑物構(gòu)件或物體組織起來的數(shù)據(jù)不僅只是簡單地反映了建筑元素的幾何特征、物理屬性等特性，相互之間還保持著作為建筑整體一部分的空間關(guān)系和邏輯關(guān)系，作為虛擬空間的數(shù)字化建筑物，形成了完整的、有層次的信息系統(tǒng)。這個模型不僅可以用于設(shè)計，還可以用于設(shè)備管理、工程量統(tǒng)計、成本計算、運營維護管理等?？梢栽谡麄€建筑業(yè)中發(fā)揮作用，管理建筑生命周期的全部信息。如圖1所示。

圖1 虛擬建筑模型在建筑生命周期中的信息共享

1.2 BIM的核心特征

建筑信息模型BIM采用參數(shù)化來描述建筑單元，以墻、窗、梁、柱等建筑構(gòu)件為基本對象而不是CAD中的點、線、面等幾何元素，并將建筑單元的各種真實屬性通過參數(shù)的形式進行模擬[1]。如圖2所示為普通CAD軟件與BIM所包含建筑信息的比較。

圖2 CAD繪圖軟件與BIM軟件所包含建筑信息的比較

1.3 BIM技術(shù)特點

(1)信息多元化。在建筑信息模型中，建筑構(gòu)件并不只是一個虛擬的視覺構(gòu)件，而是可以模擬除幾何形狀以外的一些非幾何屬性，物理信息、功能信息、甚至全生命周期信息。

(2)參數(shù)驅(qū)動。是指模型的所有圖元之間的關(guān)系。BIM軟件立足于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的技術(shù)上進行三維建模，模型建立后，可以隨意生成各種平、立、剖二維圖紙。對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的任何更改，都馬上可以在其他關(guān)聯(lián)的地方反映出來。

(3)遵照統(tǒng)一標準，實現(xiàn)多種軟件的信息互訪。BIM的數(shù)據(jù)是開放的，所有采用BIM技術(shù)的軟件都支持國際標準組織認可的工業(yè)基礎(chǔ)分類(IFC)標準。當BIM采用IFC格式輸出數(shù)據(jù)時，其他支持IFC標準的軟件就可以直接讀入這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。

(4)參與各方協(xié)同合作。隨著建筑工程復(fù)雜性的增加，跨學(xué)科的合作成為設(shè)計的趨勢。建筑信息模型為傳統(tǒng)建筑各專業(yè)提供了一個良好的技術(shù)協(xié)作平臺。BIM內(nèi)嵌的大型數(shù)據(jù)庫支持多人在同一建筑數(shù)據(jù)模型下在建筑生命周期3個主要階段即設(shè)計、施工和管理的每個階段中，訪問模型關(guān)鍵信息。

2 BIM的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 BIM的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，BIM的應(yīng)用在歐美發(fā)達國家正在迅速推進，如美國已推出國家BIM標準，規(guī)定房屋建筑設(shè)計必須應(yīng)用BIM技術(shù)，推行集成項目交付IPD管理模式。比較成熟的BIM軟件例如Graphisoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的 Microstation.TriFoma，和 Autodesk公司的Revit這些軟件都以數(shù)字化的建筑實體和構(gòu)件作為設(shè)計元素，并能自動計算和反映這些元素之間的空間關(guān)系、功能聯(lián)系等，為設(shè)計師想象力的發(fā)揮提供了極大的空間。在國內(nèi)，基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)計、節(jié)能設(shè)計、成本預(yù)測、施工優(yōu)化、施工安全分析等建筑工程軟件有了深入研究。在建筑、公路、地鐵、機場等領(lǐng)域，BIM技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用。

BIM進行建筑模型的整體搭建，塑造了形體和空間關(guān)系，使表達不再是單純的平面圖紙。如圖3(a)為哈爾濱西火車站設(shè)計初期，進行三維設(shè)計的過程，圖3(b)為設(shè)計完成并經(jīng)過渲染的立體效果圖[2]。

圖3 哈爾濱西站三維設(shè)計

2.2 BIM在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

在鐵路領(lǐng)域，采用BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用也在快速發(fā)展。運營、設(shè)計及軟件開發(fā)等相關(guān)部門都在大力推進鐵路數(shù)字化發(fā)展。從鐵路設(shè)計開始到施工，一直到運營維護，都可以用1個完整的模型整合在一起，這樣可確保將鐵路系統(tǒng)從設(shè)計階段到運營階段的各個技術(shù)項點統(tǒng)一在1個完整的數(shù)據(jù)平臺之上，為設(shè)計者、施工者、運營管理者提供1個有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，讓他們?nèi)崿F(xiàn)各自在不同環(huán)節(jié)的工作目標。

3 在鐵路建設(shè)項目中應(yīng)用BIM技術(shù)的設(shè)想[3～6]

3.1 立項決策階段

在鐵路建設(shè)項目的初期，需要經(jīng)過逐步細化的論證過程。預(yù)可行性研究報告是項目立項的依據(jù)，根據(jù)鐵路中長期規(guī)劃，收集相關(guān)資料，系統(tǒng)研究項目在路網(wǎng)及綜合交通運輸體系中的作用和對社會經(jīng)濟發(fā)展的作用，初步提出建設(shè)方案、規(guī)模和主要技術(shù)標準，論證項目建設(shè)的必要性和可能性?？尚行匝芯课募琼椖繘Q策的依據(jù)，根據(jù)國家批準的項目建議書進行全面深入的論證，提出建設(shè)方案、規(guī)模等推薦意見，經(jīng)過基礎(chǔ)性設(shè)計和研究后，進行經(jīng)濟評價，論證建設(shè)項目的可行性。

在這一階段，可以利用BIM的思想構(gòu)建驗證鐵路建設(shè)項目必要性的三維可視電子模型。在模型中包括:所在區(qū)域既有鐵路網(wǎng)和其他可替代交通方式組成的交通網(wǎng)信息;沿線經(jīng)濟發(fā)展、人口、民族、政治等影響項目的社會信息;包含重大不良地質(zhì)信息、沿線自然特征的地理信息。

由于模型元素都是參數(shù)化和可運算的，因此可以基于模型信息進行分析和計算，在模型中進行客貨運量預(yù)測，確定項目功能定位和建設(shè)的必要性，綜合沿線自然特征、影響線路走向的重要因素，確定線路平面方案的帶狀走廊帶。

3.2 勘察設(shè)計階段

3.2.1 外業(yè)勘察階段

外業(yè)勘察是鐵路設(shè)計的基礎(chǔ)。為鐵路設(shè)計提供基礎(chǔ)資料和設(shè)計前提。在外業(yè)勘察期間除了要進行地形測繪、地質(zhì)勘探外，還要完成設(shè)計資料的收集工作，進行地下管線、道路交叉、電力交叉、重大拆遷工程、水文、土源等調(diào)查工作。并完成方案的確定和部分設(shè)計工作，比如確定線路走向、道路改移、橋跨形式、涵洞布置和隧道布置等方案。

在勘察階段引入BIM技術(shù)，首先是在前期模型的基礎(chǔ)上，建立由外業(yè)程序數(shù)據(jù)庫、外業(yè)成果數(shù)據(jù)庫和流程數(shù)據(jù)庫組成的外業(yè)BIM平臺，將鐵路設(shè)計需要的各種信息填充到鐵路模型中。在此平臺上規(guī)范各專業(yè)外業(yè)工作程序，各專業(yè)從BIM平臺獲取工作要求及開展工作所需的資料，并將工作細分，確定時間節(jié)點、指定工作責(zé)任人分別開展。各專業(yè)開展工作后，實時將成果資料輸入到平臺數(shù)據(jù)庫，包括地形地物測繪數(shù)據(jù)、中線數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況數(shù)據(jù)、橋涵水文資料，線路、站場、橋梁、隧道等專業(yè)的設(shè)計成果并提出下一步設(shè)計工作要求。同時，BIM平臺在接收到新數(shù)據(jù)后，及時按照預(yù)定程序?qū)⑿碌臄?shù)據(jù)成果分發(fā)給需要的專業(yè)和執(zhí)行人，使相關(guān)專業(yè)可以隨時了解和查看該專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)變化的結(jié)果，采用各專業(yè)間資料交流的電子接口，實現(xiàn)各專業(yè)工作的聯(lián)動。并能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各測段的信息交流和外業(yè)與內(nèi)業(yè)設(shè)計的實時交流。

3.2.2 設(shè)計階段[7]

利用BIM進行設(shè)計，是BIM技術(shù)應(yīng)用最成熟的階段。BIM最初就是從汽車、飛機等工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計采用的三維技術(shù)應(yīng)用到建筑工程設(shè)計進行軟件開發(fā)的過程中提出的概念，鐵路設(shè)計涉及20多個專業(yè)，包括線路、站場、路基、橋梁、隧道等站前專業(yè)和通信、信號、電化、給排水、機械、牽引、車輛等站后專業(yè)等。各專業(yè)間需進行頻繁和海量的設(shè)計信息溝通。

在鐵路設(shè)計中使用BIM技術(shù)，可以利用勘察設(shè)計一體化程序，以外業(yè)勘測數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，創(chuàng)建以包含鐵路多層次信息三維模型為核心的專業(yè)設(shè)計平臺。以該平臺提供各專業(yè)所需的設(shè)計資料，整合各專業(yè)設(shè)計軟件，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、集中設(shè)計成果存儲。與勘察階段一樣，可以通過該工作平臺控制各專業(yè)設(shè)計作業(yè)程序和流程，通過設(shè)計人員與模型的數(shù)據(jù)電子交流接口，實現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計修改聯(lián)動的協(xié)同設(shè)計工作。利用鐵路三維模型，既可以提取出傳統(tǒng)的二維平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖和各種設(shè)計圖表、文檔，又可以提供三維模型視圖、局部構(gòu)造物三維模型視圖等。圖4(a)為使用三維設(shè)計軟件進行建模設(shè)計得到的某鐵路三維透視圖。設(shè)計完成后，經(jīng)過添加材質(zhì)及渲染后可以得到如圖4(b)的三維效果圖。

圖4 鐵路三維設(shè)計

3.2.3 方案測評階段

在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，一般都是等線路方案基本穩(wěn)定之后，交由相關(guān)專業(yè)進行專業(yè)測評。引入BIM技術(shù)后，可以勘察、設(shè)計甚至立項階段的BIM平臺中整合評測模塊，在勘察設(shè)計階段進行環(huán)境、水文、振動與噪聲的測評。利用包含鐵路多層次信息的三維模型模擬工程建設(shè)過程及運營中周邊敏感點受到的影響，從而為線路走向及各工點設(shè)計方案提供設(shè)計依據(jù)。

3.3 工程實施階段[8]

通過對工程的施工模擬，得出最優(yōu)的施工方案，并細化施工過程確定施工進度。通過賦予建筑構(gòu)件材質(zhì)、光照等屬性，構(gòu)建施工過程虛擬環(huán)境，實現(xiàn)施工進度可視化。為施工過程的進度管理提供對比依據(jù)。對施工過程進行施工操作沖突分析與設(shè)施碰撞檢測，進行設(shè)施之間、施工機械之間以及施工機械與主體結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測。通過施工工序的模擬計算，得出工序工期、人力、機械、場地等資源的占用情況，為施工過程中人、機定額管理和材料消耗數(shù)量提供對比，對施工工期、資源配置以及場地布置進行優(yōu)化。對施工過程中建筑結(jié)構(gòu)、施工工序及場地設(shè)施布置等隨進度的變化狀況進行虛擬模擬，并在施工模擬過程中進行實時的人機交互，實現(xiàn)施工計劃、場地布置、機械操作的實時調(diào)整。

3.4 竣工驗收及運營維護階段

在驗收過程中，可以通過檢測系統(tǒng)對竣工的鐵路進行數(shù)據(jù)檢測并將數(shù)據(jù)輸入鐵路模型，包括對路基、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的檢測以及列車運行的動態(tài)檢測數(shù)據(jù)。通過對比各項設(shè)計指標，評定出鐵路施工質(zhì)量。

在運營階段，可以基于BIM模型平臺，及時輸入客、貨流量，通過對比分析，實時調(diào)整客、貨列車運行。

在維護過程，通過設(shè)施監(jiān)測、檢測系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合列車運行情況，制定養(yǎng)護維修計劃。

4 結(jié)語和展望

建筑信息模型是對工程項目信息的數(shù)字化表達，是數(shù)字技術(shù)在工程中的直接應(yīng)用，它代表了信息技術(shù)在工程中應(yīng)用的新方向。BIM在鐵路建設(shè)項目中的應(yīng)用還僅僅是個開始，還存在統(tǒng)一行業(yè)標準、開發(fā)專用軟件等一系列的問題，但是可以通過在設(shè)計等個別階段率先實施、整合現(xiàn)在既有的勘察設(shè)計模型、施工管理模型、運營維護模型等渠道，開發(fā)實現(xiàn)多階段、多專業(yè)一體化的大型BIM平臺，讓BIM在鐵路建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

[1]劉照球，李云貴.建筑信息模型的發(fā)展及其在設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2009(1).

[2]BIM 資訊網(wǎng).BIM 應(yīng)用:哈爾濱西火車站[OL].http://www.biminfo.cn/BIM-application/BIM-design/755.html.

[3]祝嘉.在城市軌道交通建設(shè)項目中應(yīng)用BIM技術(shù)的設(shè)想[J].建筑經(jīng)濟，2008(S2).

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵路建設(shè)管理辦法[S/OL].http://www.china-mor.gov.cnzwzcgzzd/tlgz/201012/t20101229_6020.html.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路建設(shè)工程勘察設(shè)計管理辦法[S/OL].http://www.china-mor.gov.cn/zwzc/gzzd/tlgz201012/t20101229_6042.html.

[6]中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司.新建鐵路吉林至琿春線施工圖:線路篇[Z].北京:中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，2010.

[7]朱江.BIM在鐵路設(shè)計中的應(yīng)用初探[J].鐵道工程學(xué)報，2010(10).

[8]張建平.基于BIM和4D技術(shù)的建筑施工優(yōu)化及動態(tài)管理[J].中國建設(shè)信息，2010(2).