■ 魏州泉

BIM技術(shù)在鐵路橋隧工程中的應(yīng)用研究

■ 魏州泉

橋梁和隧道是鐵路建設(shè)項(xiàng)目中較為重要的工程內(nèi)容。中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司在開展BIM技術(shù)的應(yīng)用研究工作中，以橋隧工程為重點(diǎn)，從應(yīng)用框架、資源配置、技術(shù)管理和質(zhì)量管理等方面入手，結(jié)合清涼山隧道和十岔溝中橋工程，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探索，以期從整體上形成BIM設(shè)計(jì)能力，為企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)打好基礎(chǔ)。

BIM；橋梁；隧道；應(yīng)用平臺(tái)；交付標(biāo)準(zhǔn)；模型；協(xié)同設(shè)計(jì)

自2013年4月起，隨著中國鐵路總公司在鐵路建設(shè)領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)的應(yīng)用推廣，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱鐵一院）結(jié)合西成線清涼山隧道、十岔溝中橋BIM科研項(xiàng)目，將BIM技術(shù)在橋隧工程中的應(yīng)用逐步深化，以期為今后的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

1 BIM在橋隧工程中應(yīng)用的基本框架

BIM技術(shù)在鐵一院的深入研究與應(yīng)用始于2011年，尤其在站后四電工程方面，進(jìn)行了較為超前的探索與嘗試，取得了一些可供借鑒的成果。在此基礎(chǔ)上，參考BIM在建筑、水電領(lǐng)域的應(yīng)用情況，總結(jié)了設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的基本框架（見圖1）。

由圖1可以看出，采用BIM技術(shù)后，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到模型建立是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，沒有這個(gè)過程，其余的一切都是奢談，這也是采用BIM技術(shù)后首先要解決的關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)的主要成果均以模型為基礎(chǔ)，通過不同層面的模型屬性及相關(guān)組合，獲得不同的成果。這些成果主要分為如下幾個(gè)方面：

（1）分析：一是對(duì)模型的邏輯合理性進(jìn)行分析，特別是模型的力學(xué)性質(zhì)等，以保證建立的BIM模型能夠滿足規(guī)范規(guī)定的力學(xué)要求。主要分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)分析，需要結(jié)合目前常用的力學(xué)分析軟件進(jìn)行。二是基于模型各組成部分的空間分析，不出現(xiàn)差錯(cuò)漏碰等情況，徹底去除2D狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的各種弊端，使設(shè)計(jì)主體更趨完善。三是基于模型的性能分析，如日照、雨量等分析。

圖1 設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用基本框架

（2）出圖：主要是指基于模型的二維圖紙輸出。由于目前尚無統(tǒng)一的三維交付標(biāo)準(zhǔn)，因此就圖紙而言，可以通過BIM模型生成符合既有技術(shù)規(guī)范的圖紙，作為基本的技術(shù)交付依據(jù)。通過模型也可直接形成3D格式的pdf文件，對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，用于移動(dòng)或便攜設(shè)備，在施工過程中直接瀏覽查看。

（3）數(shù)量：工程數(shù)量是設(shè)計(jì)過程中最為重要的內(nèi)容之一。通過模型可以直接獲得該工程不同部位的工程量以及工程總量，進(jìn)而計(jì)算出準(zhǔn)確的工程造價(jià)。

（4）展示：主要分為大場(chǎng)景展示（把橋隧工程模型直接植入到建設(shè)場(chǎng)地的真實(shí)環(huán)境中，展示工程主體與環(huán)境的相容性以及與其他工程的相互關(guān)系）、工程主體展示（通過渲染和漫游，觀察工程主體的整體狀況或者某個(gè)局部）等。

（5）模擬施工：設(shè)計(jì)階段的模擬施工只是近似地模擬施工階段的進(jìn)度管理等情況，為施工組織提供基本的參考依據(jù)。

（6）技術(shù)交底：基于模型的技術(shù)交底具有直觀、易懂的特點(diǎn)，關(guān)鍵部位或者技術(shù)要點(diǎn)，可以通過模擬方式進(jìn)行展示。

（7）交流：基于模型的交流，將使建設(shè)方及各參建單位（設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位）變得更加高效。

2 資源綜合配置形成BIM設(shè)計(jì)能力

鐵路設(shè)計(jì)企業(yè)從2D設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)為BIM設(shè)計(jì)已是大勢(shì)所趨，因此需要綜合配置資源才能形成真正的設(shè)計(jì)能力。首先，領(lǐng)導(dǎo)層理念的轉(zhuǎn)變及對(duì)BIM工作在戰(zhàn)略層面的重視是推廣應(yīng)用中的關(guān)鍵。其次是組建具有專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的BIM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，以項(xiàng)目為基礎(chǔ)，形成設(shè)計(jì)、復(fù)核、校審、審定的工作流程，建立例會(huì)工作制度，定期對(duì)工作進(jìn)行總結(jié)、交流，對(duì)任務(wù)進(jìn)度進(jìn)行追蹤檢查，討論疑難問題，確定解決方案。再次是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)軟硬件的配備。對(duì)資源進(jìn)行綜合配置，以項(xiàng)目為基礎(chǔ)，通過激勵(lì)機(jī)制推進(jìn)BIM應(yīng)用工作，才能形成真正的BIM設(shè)計(jì)能力。

軟件平臺(tái)的選擇是開展B I M工作的基礎(chǔ)。歐特克（Autodesk）、奔特力（Bentley）、達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systems）是市場(chǎng)上提供的主要BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)，其軟件系統(tǒng)針對(duì)不同的領(lǐng)域，各有特點(diǎn)，也有各自的解決方案。目前，尚無專門針對(duì)鐵路行業(yè)技術(shù)特點(diǎn)而研發(fā)的軟件平臺(tái)。參與鐵路建設(shè)和管理的企業(yè)，對(duì)應(yīng)用平臺(tái)的選擇，需要結(jié)合相關(guān)專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)適應(yīng)性進(jìn)行綜合考察。而要提升BIM應(yīng)用效率，基于應(yīng)用軟件平臺(tái)的二次開發(fā)工作及研發(fā)工作都是必不可少的內(nèi)容。

為保證BIM應(yīng)用工作的可持續(xù)發(fā)展，鐵一院在上述工作的基礎(chǔ)上，加大投入，把BIM課題分為基礎(chǔ)研究、專題研究、綜合研究、二次開發(fā)和業(yè)務(wù)建設(shè)5個(gè)方面，每個(gè)方面均針對(duì)不同的重點(diǎn)，進(jìn)行全方位的研究，提升BIM應(yīng)用的系統(tǒng)性。

3 深化BIM應(yīng)用

橋梁和隧道是鐵路建設(shè)項(xiàng)目中較為重要的工程內(nèi)容。鐵一院結(jié)合中國鐵路總公司清涼山隧道和十岔溝中橋科研項(xiàng)目，通過資源綜合配置，強(qiáng)化BIM應(yīng)用基礎(chǔ)，特別是對(duì)BIM構(gòu)件庫建設(shè)與管理、設(shè)計(jì)模型的技術(shù)管理與質(zhì)量管理等，形成了基本的工作流程，從而保證了模型質(zhì)量，為基于模型的各項(xiàng)工作打下良好基礎(chǔ)。

BIM技術(shù)應(yīng)用過程中，專業(yè)內(nèi)部的協(xié)同、專業(yè)之間的協(xié)同是非常重要的內(nèi)容。除了設(shè)計(jì)平臺(tái)提供的基本協(xié)同方式外，還需要結(jié)合企業(yè)技術(shù)管理、質(zhì)量管理、計(jì)劃管理的平臺(tái)來承載協(xié)同工作，才能提高BIM設(shè)計(jì)效率。

作為設(shè)計(jì)企業(yè)，向施工企業(yè)進(jìn)行BIM交付，是體現(xiàn)其成果并為基于BIM的施工過程奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鐵一院在這方面做了一些有益的嘗試，相關(guān)交付標(biāo)準(zhǔn)也在制訂之中。

4 BIM在橋隧工程中的應(yīng)用實(shí)踐

鐵一院在BIM技術(shù)推廣應(yīng)用過程中，從規(guī)劃層面、資源配置層面、團(tuán)隊(duì)建設(shè)層面及科技研發(fā)層面進(jìn)行了系統(tǒng)部署，同時(shí)結(jié)合中國鐵路總公司推動(dòng)的科研項(xiàng)目，做了全方位的應(yīng)用探索。

4.1 BIM構(gòu)件庫建設(shè)及基礎(chǔ)模型研究

BIM構(gòu)件庫及基礎(chǔ)模型是完成BIM設(shè)計(jì)工作的第一步，需要從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各環(huán)節(jié)綜合考慮建模原則。從設(shè)計(jì)的角度，構(gòu)件需要考慮“最小功能單元、最小成本單元”，施工方面則要結(jié)合工藝工法考慮“最小施工單元、最小安裝單元”。由基礎(chǔ)構(gòu)件完成的模型才能同時(shí)符合設(shè)計(jì)和施工的要求。部分構(gòu)件和模型見圖2。

基礎(chǔ)構(gòu)件必須要有軟件進(jìn)行統(tǒng)一管理，使得創(chuàng)建過程符合統(tǒng)一的質(zhì)量審核流程，保證創(chuàng)建的構(gòu)件符合規(guī)范要求。

4.2 構(gòu)件編碼規(guī)則研究

根據(jù)族構(gòu)件的系統(tǒng)性、兼容性、可擴(kuò)充性、穩(wěn)定性

分類原則，對(duì)族構(gòu)件的編碼規(guī)則進(jìn)行了研究，為使族編碼具有唯一、簡(jiǎn)明、規(guī)范、便于檢索的特點(diǎn)，經(jīng)過多次討論研究提出了編碼規(guī)則，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。4.3 BIM交付標(biāo)準(zhǔn)研究

圖2 部分構(gòu)件和模型

經(jīng)過和施工單位多次溝通、交流、研討，在充分了解施工期間的模型應(yīng)用需求和附屬信息格式的基礎(chǔ)上，研究了以“最小施工單元、最小安裝單元”為基本構(gòu)件，滿足施工單位基于BIM模型進(jìn)行的施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全管理需求的交付標(biāo)準(zhǔn)。交付的模型必須滿足如下需求：

（1）能夠進(jìn)行3D查看、旋轉(zhuǎn)、剖切、量測(cè)等，傳遞完整的幾何信息及附加的設(shè)計(jì)信息（例如工程數(shù)量）等。

（2）參與項(xiàng)目建設(shè)的單位能夠在模型上增加新的屬性信息。

（3）各種信息能夠方便讀取，以供各方使用。

（4）能夠添加時(shí)間參數(shù)，形成4D模型，完成施工步驟演示，人工、機(jī)械等費(fèi)用計(jì)算。

（5）設(shè)計(jì)單位根據(jù)需要能夠修改模型，如變更設(shè)計(jì)。

（6）模型中附加的工程數(shù)量信息根據(jù)需要可由設(shè)計(jì)單位修改。

在科研項(xiàng)目中，采用了Autodesk公司的NWC格式作為交付模型的基本格式。交付標(biāo)準(zhǔn)需要在實(shí)踐基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步研究來完成。圖3為十岔溝中橋整體模型、清涼山隧道整體模型（包含1號(hào)、2號(hào)斜井模型）。

圖3 整體模型

圖4 方案的匯報(bào)展示

4.4 模型應(yīng)用研究

（1）方案的匯報(bào)展示。利用BIM模型可準(zhǔn)確反映建筑物的情況，方便制作渲染圖及漫游動(dòng)畫，形象生動(dòng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的匯報(bào)展示（見圖4）。

（2）二維出圖、算量。在三維BIM模型的基礎(chǔ)上研究提出二維圖紙的解決方案。對(duì)模型在Revit中的剖切、標(biāo)注、字體、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)、圖框模板的定制進(jìn)行了深入研究。目前已經(jīng)能夠快速生成橋梁、隧道專業(yè)的工程數(shù)量表及部分二維圖紙。

（3）施工過程及工法4D模擬。利用十岔溝中橋的BIM模型，在NavisWorks中導(dǎo)入施工步驟及計(jì)劃工期信息，模擬橋梁的建造過程；以清涼山隧道中最復(fù)雜的施工方法——三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法為研究對(duì)象，完成了三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的4D施工模擬。

（4）地形模型應(yīng)用。利用地形模型點(diǎn)擊任意點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)注徑流方向、

圈繪出匯流面積，大大簡(jiǎn)化外業(yè)的水文圈繪工作；利用地形模型能夠簡(jiǎn)單方便地完成如橋臺(tái)等放坡開挖，準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)并計(jì)算出工程數(shù)量。

（5）碰撞檢查。建立了高速鐵路12 m寬橋梁結(jié)構(gòu)和橋上附屬結(jié)構(gòu)BIM模型，通過碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)下錨柱基礎(chǔ)與聲屏障干擾、拉線基礎(chǔ)與橋梁遮板干擾，研究解決方案，編制《高速鐵路12 m梁寬橋上聲屏障安裝標(biāo)準(zhǔn)圖》BIM模型，并以BIM模型進(jìn)行技術(shù)交底（見圖5）。

（6）指導(dǎo)實(shí)習(xí)與培訓(xùn)工作。為某職業(yè)技術(shù)學(xué)院隧道實(shí)訓(xùn)基地開展關(guān)于隧道技術(shù)的BIM應(yīng)用研究。隧道實(shí)訓(xùn)基地建筑長(zhǎng)90 m，寬32 m，包括各種施工工法的開挖、支護(hù)、綁扎鋼筋、架設(shè)鋼架、安裝模板、防水板安裝、預(yù)埋件、拱墻仰拱混凝土澆筑、施工縫防水做法、監(jiān)控量測(cè)、洞門施工、邊坡防護(hù)等內(nèi)容，采用BIM應(yīng)用指導(dǎo)實(shí)習(xí)過程，收到了良好效果。

在新員工培訓(xùn)過程中，通過BIM形象展示施工過程及場(chǎng)景，改變了以往文字加圖片的說教方式，極大地提升了新員工對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)及施工過程的理解能力。

4.5 協(xié)同設(shè)計(jì)研究

BIM設(shè)計(jì)的專業(yè)之間、專業(yè)內(nèi)協(xié)同工作非常重要，可以最大限度地避免以往設(shè)計(jì)中的差、錯(cuò)、漏、碰等問題，協(xié)同設(shè)計(jì)是BIM重要的理念之一，通過及早發(fā)現(xiàn)和解決沖突，從而避免在施工期間的變更設(shè)計(jì)、返工等問題，達(dá)到降低造價(jià)、縮短工期、提高工程質(zhì)量的目的。針對(duì)西成線橋隧工程，進(jìn)行了航測(cè)、地質(zhì)、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、環(huán)保、通信信號(hào)等站前站后多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)研究（見圖6）。

4.6 科技研發(fā)工作

從常規(guī)的2D設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為BIM設(shè)計(jì)，需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程。以往在2D狀態(tài)下的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件以及管理系統(tǒng)，都要逐步進(jìn)行過渡。部分已經(jīng)完成或正在進(jìn)行的研發(fā)項(xiàng)目如下：

（1）基于Revit族的隧道模型拼裝系統(tǒng)：以Revit族為基本單元，通過路徑設(shè)定和選定的基本族單元，自動(dòng)拼裝完成隧道整體模型，極大地提高了建模效率，同時(shí)克服了用基礎(chǔ)族在曲線上拼裝產(chǎn)生的問題（見圖7）。

（2）BIM族庫管理系統(tǒng)：對(duì)各專業(yè)基礎(chǔ)族庫分權(quán)限、分角色進(jìn)行管理，保證族庫內(nèi)容的有效性和動(dòng)態(tài)管理（見圖8）。

（3）基于BIM的鐵路空間信息系統(tǒng)：以GIS為基礎(chǔ)，對(duì)BIM進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)全線各工程的整體管理，為運(yùn)營提供管理手段（見圖9）。

圖5 碰撞檢查

圖6 多專業(yè)協(xié)同后的效果圖

圖7 基于Revit族的隧道模型拼裝系統(tǒng)界面

圖8 BIM族庫管理系統(tǒng)界面

圖9 基于BIM的鐵路空間信息系統(tǒng)界面

5 結(jié)束語

目前，BIM在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用主要以設(shè)計(jì)過程和施工過程為主。就這兩個(gè)環(huán)節(jié)而言，交付標(biāo)準(zhǔn)依然是最為迫切的研究?jī)?nèi)容。盡管BIM在應(yīng)用推廣過程中還存在諸多問題與困難，例如基礎(chǔ)平臺(tái)的不完善、地質(zhì)信息與模型的互動(dòng)、地理信息與海量數(shù)據(jù)的處理等，但隨著中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯(lián)盟強(qiáng)有力地推動(dòng)，BIM的推廣應(yīng)用一定具有更加廣闊的發(fā)展前景。

[1] 清華大學(xué)BIM課題組，互聯(lián)立方（isBIM）公司BIM課題組. 設(shè)計(jì)企業(yè)BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)指南[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 清華大學(xué)BIM課題組. 中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架研究[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] 秦軍. Autodesk Revit Architecture 201X建筑設(shè)計(jì)全攻略[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

魏州泉：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，副院長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師，陜西 西安，710043

責(zé)任編輯盧 敏

U44；U45；TP319

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1672-061X（2014）05-0009-05