BIM技术在铁路弱电行业的应用

王 潇

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 BIM的概述

1974年，“Building Description System”被Chuck Eastman提出，被认为是BIM的起源[1].在历史上，BIM有Building Information Modeling和Building Information Model两种解释。2002年2月，Revit Technology Corproation（RTC）被Autodesk公司副总裁Phil Bernrstein和Jay Bhatt收购，之后创造了Building Information Modeling（BIM）这一术语。2002年下半年，BIM（Building Information Modeling）在国际建筑师协会（UIA）上正式被提出[2]。在《BIM白皮书》中，Autodesk对BIM（Building Information Modeling）做了完整的阐述，标志将BIM研究推入一个新的高度[3]。

根据维基百科对BIM定义，可总结BIM具有以下三大特点：1）BIM是参数化的模型，可以真实展现设备设施，任意读取设备中信息；2）各个专业协同工作，在同一个平台搭建模型，资源共享及实时碰撞检测；3）BIM贯穿设施的全生命周期，为各个阶段提供可靠的依据[4].

BIM的定义由国际标准组织设施信息委员会(Facilities Information Council)给出：BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目全寿命周期信息的可计算、可运算的形式表现，从而为决策提供支持，以更好地实现项目的价值[5]。BIM技术具有可视化、协同性、优化性、模拟性、出图性等基本特点[6]。在建筑行业，美国、日本、新加坡、韩国等多个国家已提出BIM应用要求，并建立BIM应用标准。

2 BIM在国内铁路行业的应用

2.1 概述

在港铁运营阶段，香港铁路有限公司应用数字化三维技术实现了能耗、采光、烟雾、人流和可视化的碰撞检测。BIM在铁路行业的应用还处于起步阶段，中铁二院开展了“石鼓山隧道BIM三维设计应用”及桥梁BIM三维设计应用的研究，部分桥梁类型的三维设计得到了实现;根据西成线BIM应用研究，开展了基于BIM模型的铁路路基施工工艺研究;完成了《铁路工程信息模型应用统一标准》初稿[7]。中铁四院、中铁三院、中国中铁等铁路行业与建筑业较接近的车站中应用BIM较多[8]，并且取得了一些成果，只是初步的应用，为推动BIM技术在铁路行业的应用。中国铁路总公司启动“铁路工程建设信息化关键技术研究”等研究工作。

BIM在铁路行业的应用分别从勘测规划阶段、设计阶段、施工阶段和运维阶段4个阶段进行详细的阐述[9]，具体如下:

规划阶段:对场地进行分析为现场调查提供充足的准备工作、建筑用房的可视化策划、及对方案进行模拟论证;

设计阶段:设备布设位置检查、弱电系统的差、错、漏、碰检测、性能分析、管线综合、可视化协同设计、工程信息模型生成、协同设计及工程量统计;

施工阶段:数字化建造、可视化施工指导、关键工程空间定位、模拟施工组织、可视化隐蔽工程验收、模拟施工进度及竣工交付等;

运维阶段:设备定位及查看、空间管理、资源信息链管理、信号逻辑信息流仿真应用、维修指导、模型维护、教育培训及防灾救援。

2.2 BIM在轨道交通弱电工程的应用

2.2.1 轨道交通工程应用所需的核心软件及其特点

BIM核心建模软件是Autodesk公司研发的Revit Structure，由于Revit软件本身携带的构件族有限，不能满足各个专业建模的需要，尤其是在轨道交通弱电专业，比如信号专业的信号机、转辙机、信标以及通信专业的音频话筒盒、监视器显示屏、操作控制台等，这些构件族都必须满足本专业的技术要求及规格尺寸。

因此，首先根据各个专业需要创建构件族。族设计可以进行数学运算和函数运算，数学运算符有：加减乘除，关系运算有：大于、小于、大于等于、小于等于及不等于，函数有 ：“and”、“or”、“not”、“mod”、“int”、“if”、Size_ Lookup 等等。

学校培养目标的定位导致学校中不同程度地存在着重学业、轻素质，重教育、轻责任文化素质的现象，从而导致忽视学生全面素质的提高，形成部分学生对于责任意识淡薄、责任认知薄弱，在校园内时常出现违纪现象，每每遇到困难或挫折，便不知所措，甚至走向极端，缺乏承受心理压力的能力及应变能力。大学生大多年龄在18岁—22岁之间，他们体力和脑力活动能量日益增大，思维逐步进入理性化阶段，思想日趋活跃。因此，我们可以根据学生身心发展的特点，围绕学生身心发展过程中的疑难问题设计主题，开展责任文化素主题活动，提升学生责任担当能力。

根据轨道交通信号专业转辙机及信号机的技术规格书创建的构件族，左边实物照片和BIM模型对比如图1所示。

图1 转辙机、信号机实景照片及BIM模型Fig.1 Photos of physical point switch， signals and BIM model

轨道交通弱电专业的通信专业的BIM模型，如图2所示，分别为壁挂扬声器、音频话筒盒、监视器显示屏、操作控制台及多功能电话。

2.2.2 BIM在轨道交通弱电工程的应用

1）传统模式下弱电工程的现状分析及应用BIM的优势对比

图2 通信专业的BIM模型Fig.2 BIM models of communication specialty

传统的CAD二维图纸虽然设计时间短，设计成本低，但存在很多问题：a.设计阶段缺乏统一设计平台，设计数据难以同步，管线综合设计难度大，相关专业的资料解读困难，专业间交叉干扰严重、协调困难。因此很难直观的发现各个专业的冲突节点。b.施工过程难以追溯，施工阶段资料不详尽，交叉施工困难，施工组织难度大，现场才能发现各个专业之间的干涉碰撞，施工协调量大困难，造成窝工返工率高等。因此也增加了建设资金的投入，造成了建设资金的浪费。c.运维阶段维修维护欠缺标准，查阅麻烦，资料繁多，维修后与设计资料不符，设备维修操作不规范，信息流向排查困难，隐蔽工程难以核对等等。

应用BIM技术，虽然设计时间长，设计成本高，但是BIM不但是大数据的载体：包括模型构件的尺寸、材料、重量、价格等，而且BIM可以虚拟施工，使各个专业进行碰撞检测出碰撞报告、设备定位布设、出工程量计算书、出对比分析报告、完善施工计划计及4D/5D项目施工管理等这样可以使施工进度有保障，有效的控制进度成本，从而使材料浪费少，利润提高，因此利用BIM可以减少项目的变更，缩短各个专业之间的协调时间，不但可以缩短施工的工期，也减少了很多的不必要的资金浪费。

2）BIM在弱电工程管线综合碰撞检测的应用

图3 传统CAD图纸与BIM模型管线综合的对比Fig.3 Comparison between traditional CAD drawing and BIM model pipelines

因此应用BIM技术在弱电专业管线综合方面意义很突出，各个专业可视化同一个平台协同设计，避免管线碰撞。工程信息模型生成，设计数据随时可以同步。相关专业的资料在同一平台可视化，解读容易，沟通简单，提高效率，避免了窝工返工及各个专业间干扰及协调困难的问题。BIM模型的矩形风管和电缆桥架碰撞检测时发现“打架”的情况如图4所示。

图4 矩形风管和电缆桥架碰撞检测时出现“打架”现象Fig.4 "Fight" phenomena in the collision detection of rectangle air ducts and cable trays

并且BIM还可对任意专业间进行碰撞检测，其交付给软件Navisworks完成，因此BIM绝对不是指某款软件。

如图5所示，碰撞检查及对应的碰撞点都有已审阅、已核准、已解决等记录，记录时间并以颜色标注详细显示此碰撞点解决的进程、交付解决的对象及解决方案。清晰描述每个碰撞点，使相应专业之间直观有效地沟通及制定解决方案、记录解决方案及执行细节。

每一项碰撞所出的碰撞报告如图6所示，左边为表格的形式，右边是网页的形式。其报告详细记录每一个碰撞点的信息，比如每个“项目ID”可以回模型“按ID选择”其碰撞点进行调试，直到碰撞检测为零。

图5 碰撞检查及对应的碰撞点Fig.5 Collision detection and corresponding impact points

图6 表格和网页版的碰撞检查报告Fig.6 Collision detection reports presented in table and web versions

这样各个专业不用由于二维图纸看不清而必须花费大量时间去现场调查、测量，也不需要在一起开协调会议，而只需要在办公室里拿来图纸调看每个专业之间的碰撞点，及解决方案的进展程度，可视直观，问题一目了然，各个专业沟通简单明确，工作分工明了，节约了的大量的时间，在施工前解决很多不可预知的信息。避免了各个专业之间意见不统一而打架的现象及不断窝工返工的现象，节省成本。

3）BIM在弱电工程的设备布设位置快速定位检查

利用BIM室内、室外设备快速定位检查。并与各个专业协调配合，差错漏碰检测，比如室内设备通风照明方面的检查，室外设备与各个专业相对位置的检测。施工前在图纸上修改，避免了施工后发现问题从而造成返工窝工的现象。如图7所示，传统CAD的方式无法定位设备的具体位置.而在BIM模型中每个设备的位置清晰直观.因此室内看图纸就可以做到对每个设备进行正确定位，计算限界及和其他专业设备的距离是否符合各个专业的标准。

图7 二维CAD图纸和BIM 图纸对信号设备的定位对比Fig.7 Comparison between 2D CAD drawing and BIM drawing of signal equipment

4）BIM在弱电工程中设备工程量统计及成本预算上的应用

BIM可以自动生成任意一个工程量统计表，REVIT中统计的大数据明细表，可以交付给ODBC的软件（如EXCEL、ACCESS、SQL、ORCAL…），如图8所示，右上为管道的明细表，其表格选择族与类型、材质、尺寸、外径等的数量统计。

对于轨道交通弱电专业的信号与通信等专业来说，设备是根据本专业技术规格书自建的常规模型，而管线综合以电缆桥架为主要，如图8所示左下边为电缆桥架的明细表，右下边为弱电专业建立的族的明细表，而且每一个量都对应模型，直观方面快捷，减少了繁重的计算与工作，表格可以根据需求灵活选择所要的数据。在弱电工程成本预算上也有很大的优势，根据BIM出的工程量明细表写工程量计划书，并且出对比分析报告，4D5D项目施工管理控制达到有效的成本进度控制。

图8 BIM生成明细表对工程量的分析Fig.8 Works list generated by BIM

5）BIM在弱电工程中运营维护改造及EPC工程总承包项目的应用

BIM可以涉及到工程项目全生命周期管理的各个阶段，不仅在弱电项目规划、设计、施工等方面具有突出的优势，并且在后期的运营、维护、检修及改造方面有很大的优势，比如铁路经常会站场改造，这样就可以直接拿来图纸，对改造项目进行快速定策，不用花费很多时间再去现场，这样大大节省了人力、财力及时间。

由于BIM贯穿了整个工程项目的全生命周 期， 对 于 Public Private Partnership（PPP)及Engineering Procurement Construction（EPC）工程总承包项目更是能体现出其优势，EPC工程总承包项目的管理核心：设计、采购、施工一体化模式。采用 BIM一体化协同设计，避免各个专业之间的碰撞协调困难及专业之间沟通难的风险，保证EPC工程总承包项目弱电的核心设计顺利高效正确无误完成。用BIM作为承载工具，向采购、施工、运营、维护、站改全生命过程提供有效的信息并加以利用。因此在“设计、采购、施工一体化”核心理念指导下实现规划、设计、施工和运维的全产业链信息共享下的协同工作，作为大数据载体的BIM是工程项目中最好工具。

3 结论

本文阐述了BIM在国内的发展现状，及BIM引进铁路行业的现状和其在轨道交通弱电工程方面的应用。体现出BIM作为一个技术性的革命在中国一步一步发展，并成为了当前一项热门的新技术，是CAD技术的更新换代。BIM技术的优势也为越来越多的企业带来更多的经济效益，在轨道交通弱电行业碰撞检测、设备定位、工程量统计、成本预算、运营、维护、站改全生命周期等方面体现出BIM的优势。BIM与EPC工程总承包项目结合的新理念，使BIM在轨道交通弱电专业也会有更加广阔的应用前景。