铁路行业BIM技术应用难点分析及对策建议

摘 要：总结BIM技术在铁路行业应用中出现的难点和问题，分别针对BIM协同软件平台的发展、地形模型和地质模型的交叉融合、BIM+GIS为基础的管理系统进行分析，提出政策引导、资源整合、面向市场等对策，为BIM技术在铁路行业的应用提出建议。

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2015）03-0014-03

近年来，以BIM技术为代表的三维设计技术的应用，在缩短工程周期、降低工程成本、提高设计水平和质量方面具有促进作用，并日益成为勘察设计企业转型升级的重要手段之一。越来越多的项目业主、设计企业和施工单位都想通过应用BIM技术实现自身的转型升级。几年来，铁路行业各大设计院、施工单位在工程设计、施工等方面开展了形式多样的BIM应用研究，并取得了一定程度的突破。从这些工程应用的效果看，BIM技术在铁路行业的应用还存在很多难点和问题，主要有：BIM应用平台不完备、地形地质模型与构筑物模型难以深度结合、BIM与GIS技术结合的应用还不成熟等。这些难点和问题在一定程度上阻碍了BIM技术在铁路行业的应用，也降低了其应用价值。

1 BIM应用中的难点分析

1.1 关于BIM平台

1.1.1 建模软件平台

目前BIM软件平台比较多，在楼宇、异型建筑、水电站等领域案例较多，应用较好，但应用到铁路行业又各有不足，体现在以下两方面。

一是不能满足铁路特有专业本身的设计需要。主要体现在软件本身没有适应于铁路行业的模型标准，其内含的模板、构件、样式、出图格式等不能满足铁路设计要求。在模板（族类型）方面，没有适应铁路行业的桥梁、隧道、路基、轨道等基础模板。用户自定义的模板不具备内在的关联与约束，增加了使用难度。在构件（族库）、样式、出图格式等方面，铁路行业的内容非常缺乏，需要用户自己去逐步开发、定义、配置，这不但加大了工作量，而且对用户的要求很高，致使软件普及困难。另外，有些软件还存在范围限制、容量限制等问题。

二是不能满足专业间的接口需要。由于目前BIM软件各有千秋，不同的专业需要不同的软件来完成BIM工作，而不同软件之间的接口还很不畅通，造成专业间协同困难。首先是模型不能互相识别，即不能实现接口；其次是即使可以通过一些方式实现对接，但存在模型信息丢失问题；再次是模型导入软件后，往往不能对各种属性及几何形状进行编辑，如有更改，则需要重新在原软件中编辑，重新导入。这些接口及兼容问题，不仅在不同厂家的软件之间存在，而且同一厂家不同软件之间也存在，给专业之间的协同带来了极大的困难。

要解决这些问题，需要大量而艰苦的开发工作，大体有3个层次：

（1）软件平台自身完善开发。从BIM设计的角度看，需要在软件的基础类型、模板、样式等方面增加铁路专业的内容，或便于扩展为铁路专业的内容。从接口的角度看，在铁路行业发布统一的IFC标准后，各软件需要支持该标准，逐步实现模型信息的无损接口。

（2）专业BIM软件开发。专业公司或设计企业，根据专业特点和需求，对通用的软件平台进行二次开发，形成如铁路桥梁、隧道、站场、路基等专业的辅助设计软件。

（3）企业自身的应用工具开发。BIM设计应用企业，根据自身的专业特点、管理特点、数据接口特点和应用需求，对软件平台进行适当的二次开发，形成工具软件，以提高局部的设计效率。

1.1.2 项目管理平台

随着BIM技术在工程项目中的应用，对项目管理平台的要求也不断提高，基于BIM的项目全生命周期管理平台也提上日程。该平台的主要特点有：（1）项目周期完整，项目周期包括概念设计、勘察设计、建设管理（包括施工）、运营维护乃至报废管理等全过程管理；（2）项目信息齐全，包括项目实体信息（BIM）、设计施工图纸、各类文档资料等，囊括了与项目相关的各类信息；（3）信息可继承、可追溯，项目每一个周期的信息资源不仅需要完整保存，同时要在后面的各周期能够继承和使用；（4）物理模型和数据信息深度关联，可通过BIM模型检索到各类信息。

具备上述特点的项目管理平台开发难度大、周期长，由一个企业或一个团队承担不具优势。中国铁路BIM联盟可组织有关方在一定标准框架内，分别完成项目全生命周期内不同阶段的项目管理平台，然后经过整合，形成完整的铁路项目全生命周期的管理平台。目前，铁路工程管理平台正在研发，铁路IFC标准也开始研究，可在该平台研发技术和应用经验的基础上，逐步拓展至其他建设阶段。

1.1.3 协同设计平台

由于铁路项目多专业、多进程的特点，需要专业间相互配合、密切协作。协同设计平台是方便专业协作、提高设计质量的有效途径。在BIM技术条件下，各专业的设计成果更为直观，专业之间的协同也更为紧密，对BIM协同设计平台的需求日益迫切。一个理想的BIM协同设计平台应具备的基本要素有：各专业的BIM模型能够集成，并可利用相应的工具进行模型检查；专业变更能够快速反映到模型中，相关专业能够及时了解；具备设计成果的权限与版本控制功能；具有设计流程控制和质量控制措施。

目前，市场上的类似软件要么缺少BIM模型集成功能，要么缺少流程控制功能，其主要困难一方面在于不同专业使用不同的BIM软件，其设计成果的集成十分困难，即使集成起来，要修改变更也非常麻烦；另一方面，主流BIM设计软件都是国外的产品，在三维设计方面比较突出，但在设计流程控制、质量控制等方面比较缺乏，而国内软件在三维模型的处理方面又有很大不足。

由于以上各种因素，BIM协同软件平台的发展比较缓慢。尽管任务艰巨，困难重重，仍需要设计企业及软件厂商紧密结合，大力推进。目前，在制定协同标准的情况下，可先解决主要专业之间的三维协同（应用的软件平台一致最好），再逐步完善过程控制，并陆续覆盖其他专业，循序渐进地实现BIM协同设计平台的建设。

1.2 关于地形、地质模型

一般工民建项目场址在有限的范围内，其地形、地质在完成一定的工程处理后，在BIM模型中可忽略或简化。而铁路工程则不然，大量的构筑物需要与地形模型和地质模型交叉融合，尤其是隧道和路基挡护构筑物与二者的交叉融合，尚存在较大的困难。

1.2.1 地形模型

由于铁路普遍采用航测手段，数字地模已经成熟并大量应用，但工程构筑物模型如何完整地嵌入地形模型中，目前还存在一定难度。地形模型通常是表面模型，适合于大场景展示工程项目，这就需要把工程构筑物实体模型加载到地形模型中。这种模型融合存在的问题是：一是地下工程无法很好展现，比如加载隧道模型，进出口位置与地形结合比较困难，需要特殊的处理；二是地形与构筑物接触部位需要特别处理。此外还有模型定位等。

如果把工程分成两种模型来设计，在地形模型中进行开挖、放坡、平整等场地处理，在实体模型平台中进行构筑物设计，然后通过接口工具进行贴合，使地形与建筑融合为一体，即可解决上述问题。目前条件下，这种方式的操作比较繁琐。毕竟同一建筑物在两个平台中设计，有很多不便的地方，工作效率较低。因此，还需要通过二次开发实现参数化设计，尽量减少手工的操作，方便设计人员，提高设计效率。

1.2.2 地质模型

单独建立地质模型，目前的技术是可以实现的，但将工程构筑物融合进去，并且是动态融合，尚有较大困难。这里“动态”一是指实施构筑物时对地质体的开挖与建造，如隧道施工过程中的开挖、量测、变更、支护、衬砌等都是一个动态过程。如果仅仅是一个静态的两种模型融合，那将失去BIM技术应用的意义。二是指与其他模型软件的兼容，比如地质模型要能够在设计软件中，与隧道模型深度结合，即隧道模型的建立过程，要放在对地质模型不断开挖的基础上进行，这样才能真实体现施工过程。

目前，实现这种动态融合过程还没有成熟的具体方案和措施，没有可供参考的工程实践。然而，地质模型单独存在，则只能浏览、观赏，只有融入其他模型软件，且实现动态融合，才有实用价值。因此，还需要集各方力量，对这一问题进行深入研究，争取在较短时间内取得突破。

1.3 BIM与GIS

铁路工程项目是一个庞大而复杂的系统，不同于单体或有限范围内的一般建筑。施工是以单体构筑物为单元，但要对一条铁路甚至数条铁路线进行整体管理，包括设计、建造、运维各阶段的整体管理，则需要一个系统。这个系统不同于一般管理系统，而是一个大数据量、三维图形、真实场景于一体的管理系统，需要引入BIM+GIS的做法来实现，这也是铁路BIM应用不同于其他行业的重要区别之一。

BIM+GIS技术，是利用BIM技术整合工程建筑物本身的信息，利用GIS技术整合建筑物外部环境的信息，把微观领域的BIM技术和宏观领域的GIS技术进行融合，既能满足构筑物BIM信息的管理，又能满足空间信息的管理，特别适合长大铁路项目的综合管理，其主要特点有：（1）各种模型在同一平台上的融合。在需要宏观管理时，能够进行大范围的操作，在需要微观管理时，则能够对构筑物细节信息操作。（2）信息无损嵌入及拓展、更新。在两种模型结合过程中，既不能损失GIS应有的信息与功能，也不能损失BIM的信息和功能，且BIM包含的信息随着项目生命周期的变化，需要不断补充和扩展。（3）按铁路线状特点，以里程及高程为基准的定位模式。GIS技术以坐标定位，BIM定位还比较复杂，如果实现以铁路习惯来定位，将更加方便使用。

具备这些特点的，以BIM+GIS技术为基础的管理系统，目前还处于探索阶段，尽管有一些研究成果，但离实际应用还有一定的距离，还需要继续深入地研究。

2 对策建议

2.1 政策引导

中国铁路总公司和中国铁路BIM联盟作为铁路行业BIM技术应用的引领者，经过近年来的组织与推动工作，在BIM应用研究方面取得了有目共睹的成绩。BIM应用研究工作要得到持续深入的发展，政策层面的引导尤为重要：一是规划指引。根据铁路行业的建设特点制定BIM技术在一定时期内的整体发展计划，有利于引领BIM应用研究在设计、施工、运维各环节的发展节奏，提升整体发展水平。二是标准制定。尤其是交付标准的制定，可把设计与施工、施工与运维等环节的信息传递标准化，同时促进设计、施工、运维信息化管理工作的规范化。

2.2 资源整合

中国铁路BIM联盟提供了一个很好的平台，可以整合多方面的资源完成BIM应用研究的推动工作。一是集中资源完成行业顶层设计，制定行业BIM应用研究的技术发展路线。二是集中资源完善行业管理平台，为设计、施工乃至运维提供接口，促进各阶段BIM应用研究的发展。三是整合资源促进铁路行业BIM应用的国际化发展。在以往的信息化过程中，强调引用国际标准，更多地是为了兼容性；要强调行业技术的国际化，首先要在技术标准的扩展、制定方面得到国际标准组织的认可。四是推动行业内BIM应用研究工作的信息共享与交流工作，同阶段不同单位和不同阶段不同单位分工合作，共同研发，互相促进，成果共享，提高应用研究效率。

2.3 面向市场

有了行业性的政策引导和资源整合这样的基础，铁路行业的设计、施工、运维企业，可以更好地面向市场，获得优势资源，完善自身的发展需求。设计企业会从设计的工具平台、协同平台等方面入手，以质量和效率为重点，研究产品的BIM交付工作。施工企业则更注重项目管理与BIM的结合，进而实现进度、质量、成本的精细化管理。运维企业则以设计、施工运维信息为基础，把静态设施、设备信息与动态运维过程相结合，达到高效管控的目的。

3 结束语

从建筑行业的BIM应用发展历程来看，铁路行业的BIM应用工作也将是一个逐步深入发展的过程，需要克服各种难点和问题。值得欣喜的是，铁路行业的BIM应用是在中国铁路总公司和中国铁路BIM联盟的统一组织下推进的，这是其他行业不具有的优势，这也是铁路行业BIM应用能够持续发展的保障。

魏州泉：中铁第一勘察设计院集团有限公司，副院长，教授级高级工程师，陕西 西安，710043

责任编辑 苑晓蒙