BIM在铁路建设项目中的应用分析

卢祝清

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

随着我国铁路进入高速发展阶段，一大批铁路项目开工建设，对铁路工程的工期、质量和技术要求越来越高。然而铁路建设项目是个复杂的系统工程，需要各阶段相互衔接、各专业协同设计。现在的铁路建设大多都是采用二维平面设计，然后以邮件、会议等形式来传递图纸和说明等形式协同工作。在信息沟通、资源调配、进度控制、设计标准化等方面的统一管理复杂且低效。各专业间信息沟通不及时、不顺畅;设计意图表达和理解不明确、不完整;设计成果对于铁路运营、维护和管理的服务效果不明显。现代铁路工程的技术更加复杂、周期要求短、需要众多设计人员频繁交换信息。建筑信息模型(BIM)以包含多层信息的三维模型为基础，通过模型与设计人员的信息交流实现协同设计，能够有效满足铁路建设发展的要求。

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)的简称，BIM技术是指将建筑工程项目中的单一构件或物体作为基本元素，将描述基本元素的几何数据、物理特性、施工要求、价格资料等相关信息有机地组织起来，形成一个数据化的建筑模型，作为整个建筑工程项目的数据资料库。这些围绕建筑物构件或物体组织起来的数据不仅只是简单地反映了建筑元素的几何特征、物理属性等特性，相互之间还保持着作为建筑整体一部分的空间关系和逻辑关系，作为虚拟空间的数字化建筑物，形成了完整的、有层次的信息系统。这个模型不仅可以用于设计，还可以用于设备管理、工程量统计、成本计算、运营维护管理等。可以在整个建筑业中发挥作用，管理建筑生命周期的全部信息。如图1所示。

图1 虚拟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采用参数化来描述建筑单元，以墙、窗、梁、柱等建筑构件为基本对象而不是CAD中的点、线、面等几何元素，并将建筑单元的各种真实属性通过参数的形式进行模拟[1]。如图2所示为普通CAD软件与BIM所包含建筑信息的比较。

图2 CAD绘图软件与BIM软件所包含建筑信息的比较

1.3 BIM技术特点

(1)信息多元化。在建筑信息模型中，建筑构件并不只是一个虚拟的视觉构件，而是可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性，物理信息、功能信息、甚至全生命周期信息。

(2)参数驱动。是指模型的所有图元之间的关系。BIM软件立足于数据关联的技术上进行三维建模，模型建立后，可以随意生成各种平、立、剖二维图纸。对数据库中数据的任何更改，都马上可以在其他关联的地方反映出来。

(3)遵照统一标准，实现多种软件的信息互访。BIM的数据是开放的，所有采用BIM技术的软件都支持国际标准组织认可的工业基础分类(IFC)标准。当BIM采用IFC格式输出数据时，其他支持IFC标准的软件就可以直接读入这些数据进行数据处理。

(4)参与各方协同合作。随着建筑工程复杂性的增加，跨学科的合作成为设计的趋势。建筑信息模型为传统建筑各专业提供了一个良好的技术协作平台。BIM内嵌的大型数据库支持多人在同一建筑数据模型下在建筑生命周期3个主要阶段即设计、施工和管理的每个阶段中，访问模型关键信息。

2 BIM的应用现状

2.1 BIM的应用现状

目前，BIM的应用在欧美发达国家正在迅速推进，如美国已推出国家BIM标准，规定房屋建筑设计必须应用BIM技术，推行集成项目交付IPD管理模式。比较成熟的BIM软件例如Graphisoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的 Microstation.TriFoma，和 Autodesk公司的Revit这些软件都以数字化的建筑实体和构件作为设计元素，并能自动计算和反映这些元素之间的空间关系、功能联系等，为设计师想象力的发挥提供了极大的空间。在国内，基于BIM技术的建筑设计、节能设计、成本预测、施工优化、施工安全分析等建筑工程软件有了深入研究。在建筑、公路、地铁、机场等领域，BIM技术都得到了广泛应用。

BIM进行建筑模型的整体搭建，塑造了形体和空间关系，使表达不再是单纯的平面图纸。如图3(a)为哈尔滨西火车站设计初期，进行三维设计的过程，图3(b)为设计完成并经过渲染的立体效果图[2]。

图3 哈尔滨西站三维设计

2.2 BIM在铁路领域的应用现状

在铁路领域，采用BIM技术的研究与应用也在快速发展。运营、设计及软件开发等相关部门都在大力推进铁路数字化发展。从铁路设计开始到施工，一直到运营维护，都可以用1个完整的模型整合在一起，这样可确保将铁路系统从设计阶段到运营阶段的各个技术项点统一在1个完整的数据平台之上，为设计者、施工者、运营管理者提供1个有效的数据基础，让他们去实现各自在不同环节的工作目标。

3 在铁路建设项目中应用BIM技术的设想[3～6]

3.1 立项决策阶段

在铁路建设项目的初期，需要经过逐步细化的论证过程。预可行性研究报告是项目立项的依据，根据铁路中长期规划，收集相关资料，系统研究项目在路网及综合交通运输体系中的作用和对社会经济发展的作用，初步提出建设方案、规模和主要技术标准，论证项目建设的必要性和可能性。可行性研究文件是项目决策的依据，根据国家批准的项目建议书进行全面深入的论证，提出建设方案、规模等推荐意见，经过基础性设计和研究后，进行经济评价，论证建设项目的可行性。

在这一阶段，可以利用BIM的思想构建验证铁路建设项目必要性的三维可视电子模型。在模型中包括:所在区域既有铁路网和其他可替代交通方式组成的交通网信息;沿线经济发展、人口、民族、政治等影响项目的社会信息;包含重大不良地质信息、沿线自然特征的地理信息。

由于模型元素都是参数化和可运算的，因此可以基于模型信息进行分析和计算，在模型中进行客货运量预测，确定项目功能定位和建设的必要性，综合沿线自然特征、影响线路走向的重要因素，确定线路平面方案的带状走廊带。

3.2 勘察设计阶段

3.2.1 外业勘察阶段

外业勘察是铁路设计的基础。为铁路设计提供基础资料和设计前提。在外业勘察期间除了要进行地形测绘、地质勘探外，还要完成设计资料的收集工作，进行地下管线、道路交叉、电力交叉、重大拆迁工程、水文、土源等调查工作。并完成方案的确定和部分设计工作，比如确定线路走向、道路改移、桥跨形式、涵洞布置和隧道布置等方案。

在勘察阶段引入BIM技术，首先是在前期模型的基础上，建立由外业程序数据库、外业成果数据库和流程数据库组成的外业BIM平台，将铁路设计需要的各种信息填充到铁路模型中。在此平台上规范各专业外业工作程序，各专业从BIM平台获取工作要求及开展工作所需的资料，并将工作细分，确定时间节点、指定工作责任人分别开展。各专业开展工作后，实时将成果资料输入到平台数据库，包括地形地物测绘数据、中线数据、地质情况数据、桥涵水文资料，线路、站场、桥梁、隧道等专业的设计成果并提出下一步设计工作要求。同时，BIM平台在接收到新数据后，及时按照预定程序将新的数据成果分发给需要的专业和执行人，使相关专业可以随时了解和查看该专业相关数据变化的结果，采用各专业间资料交流的电子接口，实现各专业工作的联动。并能通过网络实现各测段的信息交流和外业与内业设计的实时交流。

3.2.2 设计阶段[7]

利用BIM进行设计，是BIM技术应用最成熟的阶段。BIM最初就是从汽车、飞机等工业产品设计采用的三维技术应用到建筑工程设计进行软件开发的过程中提出的概念，铁路设计涉及20多个专业，包括线路、站场、路基、桥梁、隧道等站前专业和通信、信号、电化、给排水、机械、牵引、车辆等站后专业等。各专业间需进行频繁和海量的设计信息沟通。

在铁路设计中使用BIM技术，可以利用勘察设计一体化程序，以外业勘测数据库为基础，创建以包含铁路多层次信息三维模型为核心的专业设计平台。以该平台提供各专业所需的设计资料，整合各专业设计软件，统一数据格式、集中设计成果存储。与勘察阶段一样，可以通过该工作平台控制各专业设计作业程序和流程，通过设计人员与模型的数据电子交流接口，实现各专业设计修改联动的协同设计工作。利用铁路三维模型，既可以提取出传统的二维平面图、纵断面图、横断面图和各种设计图表、文档，又可以提供三维模型视图、局部构造物三维模型视图等。图4(a)为使用三维设计软件进行建模设计得到的某铁路三维透视图。设计完成后，经过添加材质及渲染后可以得到如图4(b)的三维效果图。

图4 铁路三维设计

3.2.3 方案测评阶段

在传统设计过程中，一般都是等线路方案基本稳定之后，交由相关专业进行专业测评。引入BIM技术后，可以勘察、设计甚至立项阶段的BIM平台中整合评测模块，在勘察设计阶段进行环境、水文、振动与噪声的测评。利用包含铁路多层次信息的三维模型模拟工程建设过程及运营中周边敏感点受到的影响，从而为线路走向及各工点设计方案提供设计依据。

3.3 工程实施阶段[8]

通过对工程的施工模拟，得出最优的施工方案，并细化施工过程确定施工进度。通过赋予建筑构件材质、光照等属性，构建施工过程虚拟环境，实现施工进度可视化。为施工过程的进度管理提供对比依据。对施工过程进行施工操作冲突分析与设施碰撞检测，进行设施之间、施工机械之间以及施工机械与主体结构之间的碰撞检测。通过施工工序的模拟计算，得出工序工期、人力、机械、场地等资源的占用情况，为施工过程中人、机定额管理和材料消耗数量提供对比，对施工工期、资源配置以及场地布置进行优化。对施工过程中建筑结构、施工工序及场地设施布置等随进度的变化状况进行虚拟模拟，并在施工模拟过程中进行实时的人机交互，实现施工计划、场地布置、机械操作的实时调整。

3.4 竣工验收及运营维护阶段

在验收过程中，可以通过检测系统对竣工的铁路进行数据检测并将数据输入铁路模型，包括对路基、桥梁、隧道等基础设施的检测以及列车运行的动态检测数据。通过对比各项设计指标，评定出铁路施工质量。

在运营阶段，可以基于BIM模型平台，及时输入客、货流量，通过对比分析，实时调整客、货列车运行。

在维护过程，通过设施监测、检测系统获取基础设施的状态数据，综合列车运行情况，制定养护维修计划。

4 结语和展望

建筑信息模型是对工程项目信息的数字化表达，是数字技术在工程中的直接应用，它代表了信息技术在工程中应用的新方向。BIM在铁路建设项目中的应用还仅仅是个开始，还存在统一行业标准、开发专用软件等一系列的问题，但是可以通过在设计等个别阶段率先实施、整合现在既有的勘察设计模型、施工管理模型、运营维护模型等渠道，开发实现多阶段、多专业一体化的大型BIM平台，让BIM在铁路建设领域中发挥应有的作用。

[1]刘照球，李云贵.建筑信息模型的发展及其在设计中的应用[J].建筑科学，2009(1).

[2]BIM 资讯网.BIM 应用:哈尔滨西火车站[OL].http://www.biminfo.cn/BIM-application/BIM-design/755.html.

[3]祝嘉.在城市轨道交通建设项目中应用BIM技术的设想[J].建筑经济，2008(S2).

[4]中华人民共和国铁道部.铁路建设管理办法[S/OL].http://www.china-mor.gov.cnzwzcgzzd/tlgz/201012/t20101229_6020.html.

[5]中华人民共和国铁道部.铁路建设工程勘察设计管理办法[S/OL].http://www.china-mor.gov.cn/zwzc/gzzd/tlgz201012/t20101229_6042.html.

[6]中铁工程设计咨询集团有限公司.新建铁路吉林至珲春线施工图:线路篇[Z].北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2010.

[7]朱江.BIM在铁路设计中的应用初探[J].铁道工程学报，2010(10).

[8]张建平.基于BIM和4D技术的建筑施工优化及动态管理[J].中国建设信息，2010(2).