基于青连铁路四电工程BIM技术的应用研究

闫立忠

(青连铁路有限责任公司,青岛 266499)

BIM技术在我国铁路行业的研究和应用已全面展开，各个铁路项目逐渐将BIM技术作为衡量工程管理与施工质量的重要指标，推广应用BIM技术是建设数字铁路、智慧铁路、精品铁路的必然选择[1]。

青连铁路四电工程作为中国铁路总公司工程管理中心选取的建筑信息模型技术(BIM)应用试点项目之一，为中国铁路BIM技术推广应用进一步积累了技术、管理经验，并培养人才，发挥BIM技术应用示范带头作用。

1 项目概况

1.1 试点工程范围

(1)青连铁路胶南中继站至董家口段，里程范围DK89+000～改DK105+450，线路长度16.45 km。

(2)胶南牵引变电所相关工程，里程范围DK72+000～DK74+000，DDK1+000～DDK3+000，线路长度4 km。

1.2 试点工程概况

试点工程包含两部分，一部分为段落DK89+000～改DK105+450，线路全长16.45 km，段落中包含车站1座即董家口车站；分区所1座即董家口分区所；特大、大中型桥梁10座；路基长度共9 454.31 m。另一部分为胶南牵引变电所以及相应的站前配套工程。

1.3 参与专业

鉴于四电工程的专业特点，青连铁路四电BIM试点工程需站前、房建以及其他站后工程参与，作为四电工程的基础，试点项目为站前、站后全专业协同设计。

本次BIM设计工作参与专业为通信、信息、信号、电力、牵引变电、接触网专业，站前线路、轨道、桥梁、路基专业，以及房建、给排水专业。

1.4 软件平台

基于铁路四电工程以及其他多专业协同的特点，本试点工程采用达索公司的软件平台以及二次开发来实施：项目采用达索物理服务器2017x系统，协同设计采用3DEXPERIENCE平台，模型采用CATIA建模软件，协同管理采用ENOVIA平台，通过二次开发实现属性赋予、验证、数据交互等工作。

2 BIM技术在协同设计中的方法研究

设计阶段的BIM应用是整个铁路四电工程建设的基础，其应用质量关系到整个施工图的质量、模型交付质量等，影响到下一阶段的BIM工作开展。通过BIM技术进行协同设计，在同一项目环境中建立通信、信息、信号、电力、接触网、牵引变电专业主体工程BIM模型，满足空间布设合理性分析及检测，综合管线、设备设施碰撞检查等BIM应用，有效解决传统设计沟通和信息传递不及时的问题，提高设计质量和效率。协同工作流程及内容见图1。

图1 BIM协同工作流程及内容

2.1 多方全面参与，为BIM协同设计提供保障

通过3DEXPERIENCE设计协同平台设置账户权限以及版本管理等功能，为项目参与各方开通独立账户，设置角色权限，创建协同空间，配置数据成熟度等措施，保证BIM协同设计持续稳定、高效有序推进。

(1)人员账户

在3DEXPERIENCE系统平台中的用户，拥有独立的用户名和密码。可隶属于某个组织，拥有某些角色，为某个协同空间工作。

(2)角色权限

达索3DEXPERIENCE系统中角色常用的包括Reader、 Author、 Leader，不同的角色代表着对不同对象有不同的权限范围，Reader表示有访问权限，Author表示有创建和设计修改功能，Leader表示有管理设计资源的功能，包括模板库(Catalog)、模板(Template)等。

(3)协同空间

协同空间包括模板空间和项目空间，协同空间按照保密等级分为4种：私有的，受保护的，公共的，标准的。

(4)数据成熟度及版本管理

数据成熟度常用的包括设计状态(Under Global Design)、发布状态(Released)、废弃状态(Obsolete)。

2.2 统一的数据库及平台，为BIM设计及应用提供同一数据源

达索软件本身不具备铁路设计功能，更没有四电专业主要设备模型和标准构件，通过建立四电专业本工程主要设备、构件模型，并积累补充国铁一级铁路标准的专业模板，为整个项目设计协同及应用管理提供统一的基础环境：在3DEXPERIENCE平台中登录系统时，各专业组织选择对应专业，协同工作空间选择青连线。青连铁路工作空间分为项目空间和模板空间[2]。各专业在进行与项目有关的工作时，选择在“QingLianLine”项目空间进行，各专业相关模板和标准设备存放在“Standard-专业”模板空间内(图2)。

图2 青连铁路BIM协同设计平台

各专业基于同一数据源同步开展设计，为设计过程资料的传递带来了便利，也避免了传统设计上下序专业因使用版本不一致产生差错。同时，基于达索3DEXPERIENCE平台和统一的数据库，开展建模、管理、分析、展示、仿真等工作，各种应用可直接使用BIM设计模型数据。

2.3 协同响应机制是协同设计的核心

(1)自顶向下、骨架驱动

利用3DEXPERIENCE平台和CATIA软件开展铁路各专业的三维设计，遵循“自顶向下逐级展开、骨架驱动模型”的设计思路，将每段BIM设计先按不同专业进行划分，专业内再按工点进行工程分解，形成总装结构树。以线路空间曲线为主骨架，各专业内再设计专业骨架，最后创建专业模型的方式，开展专业设计。青连铁路四电BIM试点项目的总装结构树如图3所示。

图3 青连铁路工程结构树

(2)发布引用、更新同步

达索系统中下序专业要使用上序专业的资料，通过上序专业发布骨架元素、下序专业参考引用的方式实现，并且内含自动响应机制，当上序发布的骨架发生调整后，会以特殊的图标自动通知下序专业，需要更新骨架，下序专业更新时会以先更新各级专业骨架，然后再按更新专业模型的顺序逐步更新。

通过梳理传统二维设计上、下序资料，研究在BIM环境下，站前专业与四电专业的上下序资料内容和接口形式。在BIM设计环境下，四电专业通过协同设计管理平台，向站前专业提出土建要求，站前专业在进行BIM设计时，以点、线、面、实体、坐标系等形式，为四电专业预留相应骨架。四电专业确认骨架资料无误之后，进行四电专业BIM设计[3]。

基于达索软件平台，建立BIM模式下协同设计的流程框架，进行建设项目设计同一专业内部、不同专业之间的协同设计(图4)，如桥梁专业按照接触网专业下序资料要求为其预留的支柱定位元素(图5)，站场提供的道岔关键点位元素和信号专业根据道岔关键点位元素设计的信号机机位(图6)。

图4 桥梁与接触网专业间接口应用流程

图5 桥梁提供接触网支柱基础定位元素

图6 站场提供道岔关键点位元素和信号专业设计的机位

3 BIM技术在项目管理中的方法及应用

3.1 基于ENOVIA平台的项目管理

使用达索ENOVIA协同管理平台进行整个青连铁路工程建设项目在设计、施工、建设管理以及运营维护等多方参与下的全生命周期管理，包括人员、权限、任务、流程、交付等。任务管理采用自顶向下逐级分解模式，总体建立总任务节点、各专业互提信息要求的子任务和各专业总任务子节点，并将不同任务分别指派给各专业负责人，由专业负责人再分下一级任务并指派，直至任务分解完成。

为加强项目过程控制，依据WBS分解原则，对青连铁路四电BIM试点项目的相关工作进行任务分解。任务管理包括标准、骨架、模板、模型、二次开发、专业间发布、文档等，原则上分解粒度为每项工作用时不超过3 d，并将各项工作具体落实到人，过程中责任人动态进行填报。工作任务分解如图7所示。

图7 ENOVIA平台各专业工作任务分解

通过使用ENOVIA项目管理平台使工程总体进度可控，过程中能及时发现控制点并提前做好协调工作。协同平台记录所有工作过程、交付物及审批流程，对交付物进行完整的版本控制，确保资料的正确性。

3.2 进度管理

铁路四电工程施工现场千变万化，有时候由于各方面的原因会造成进度管理上的问题，比如：设计图纸的滞后带来的进度管理问题；施工进度计划编制不合理造成的进度管理问题；现场人员的素质不高造成的进度管理问题；因参与者众多，沟通和衔接不畅导致的进度管理问题以及施工环境的问题等[4]。正是由于在项目进度管理中存在诸多问题，因此，通过BIM技术将四电3D模型附加时间，构成4D模拟，按照工程项目的施工计划模拟现实的施工过程，通过虚拟建造，发现实际进度与进度计划之间的差异，从而调整进度计划，把控项目的进度管理。

通过将铁路四电BIM模型与四电施工进度计划关联和场地状况进行4D动态模拟，4D动态模拟可以形象地反映出施工过程中施工现场状况以及各项数据的变化。通过对日期、工序的选择，可直观展示当日、当前工序工程进展情况以及工程量变化情况。比如通过分析接触网各工序布置与施工进度之间、各种施工设施之间、材料供给与需求之间等诸多复杂的依存关系。将四电BIM模型和施工进度计划连接起来，可实现BIM模型与进度软件之间的双向数据交流和反馈[5]。

3.3 成本管理

铁路四电工程单位工程量内的成本很高，而且线缆敷设和接线工作细致繁琐，专业性要求高，由于不同专业的特点和线缆特性产生的人工成本差异较大。在传统的铁路四电成本管理和造价核算中存在材料浪费，盲目采购，检查、验收、领用控制不严，成本核算混乱、账目不清晰，各环节相分离等现象[6]。

基于四电IFC以及BIM模型中的材料、尺寸等设计信息，ENOVOA平台对设备进行统计汇总并生成设备数量清单(Bill of Material，BOM)，根据BOM及《铁路工程预算定额》，逐步形成工程数量及工程预算统计结果。这种基于BIM的算量方法，将算量工作大幅度简化，也为图纸上没有体现的线缆路径提供了算量依据，减少了因人为原因造成计算错误，大量的节约了人为的工作量和所花费时间[7]。同时依据BOM对物资采购和工人领料作出严格精细化的管控，避免零散采购和材料浪费。

在传统的成本核算方法下，一旦发生设计优化或者变更，变更需要进行审批、流转，造价人员就需要手动检查设计变更，更改工程造价，这样的过程不仅缓慢，而且可靠性不强。而BIM依靠强大的工程信息数据库，实现了二维施工图与材料、造价等各模块的有效整合与关联变动，使得设计变更和材料价格等变动可以在BIM模型中进行实时更新。变更各环节之间的时间被缩短，效率提高，更加及时准确地将数据提交给工程各参与方，以便各方及时做出有效的应对和调整[8]。

3.4 质量安全管理

铁路四电工程点多、线长、面广、施工工序复杂、设计标准高、工艺要求精，配合部门多、施工人员分散、技能水平层次不齐，质量安全管理工作繁琐，是一项多方参与，多专业协调，多方位推进，多工种交叉作业的系统性工程。

通过工序模拟，对错漏碰缺、交叉作业等影响工程质量的位置进行重点分析，提前避免工程质量问题。对于线缆走向，设备安装方向严格按照四电BIM模型进行施工和安装，利用工单管理系统分配到个人的任务进行有针对性的质量管理和检查，通过施工前三维交底、过程中实时查阅BIM模型、完工后拍照上传等基于BIM模型和平台技术的手段，对过程中精准有效的把控，保证并提升工程质量，为全线静态验收、联调联试等工作奠定基础。

铁路四电工程的施工安全管理，可归纳为生产过程中对人、设备、环境风险因素的评估、消除和控制的综合管理[9]。将BIM技术引入铁路四电工程施工安全管理和风险控制当中，规避施工过程中的安全风险，通过CATIA建立精确的BIM模型模拟安全防护现场，寻找安全防护的关键部位，得出有效防护措施，安全性得以提高，提前规避风险。

3.5 变更管理

铁路四电工程各个专业之间相互交叉、相互涵盖，相互预留接口，每一个专业的变更都不是独立的，往往是牵一发动全身，不仅对专业施工有影响，同时和进度、工序、成本等都有密不可分的联系。

根据变更，在CATIA软件中对模型进行及时更新，通过ENOVIA平台在各个专业之间建立一致的变更流程，将变更决策清晰地传达到所有受影响的专业，编排和同步从项目监管到工程实施的变更场景，同时将变更与对应版本的模型进行挂接，保持严格的控制和可追溯性。

4 BIM技术在施工中的应用

4.1 设计优化

各专业模型建完后，在进行专业间协调检查时，发现了BIM设计过程中及图纸设计过程中的部分专业接口问题[10]。

通过建立连贯的三维路基、桥梁电缆槽，发现传统电缆槽各自为政的设计方法存在的弊端，桥梁、路基完成各自区域内电缆槽之后，未进行区间电缆槽过渡段设计，导致电缆槽无法衔接，电缆无法敷设。此类问题在实际设计时也经常出现，路桥隧等站前专业在设计或者施工时，没有考虑站后电缆槽衔接问题，导致四电施工进场之后，需要对电缆槽进行破坏和修复，造成不必要的损失。见图8。

图8 未进行桥梁路基电缆槽过渡段设计模型

针对这一问题，BIM设计人员根据标准图集，结合工程实际情况，建立桥路、桥隧过渡段电缆槽详细模板，提交路桥隧等相关专业，完善电缆槽过渡段设计(图9)。

图9 完成桥梁路基电缆槽过渡段设计模型

4.2 碰撞检查

利用BIM设计多专业成果统一、协同的特点，在三维环境中全面检查各专业设计成果，通过建立设备实际尺寸模型，并布置在三维环境中，可快速发现专业间设备碰撞、冲突，通过与设计团队密切合作，修改碰撞和冲突，优化传统二维设计，为施工阶段提供高质量的设计图纸和BIM模型。诸如，桥梁上接触网下锚坠砣限制架与避车台冲突，桥梁上接触网下锚装置与声屏障冲突，以及站场接触网支柱基础与电缆沟、电缆井、过轨管冲突等。见图10～图12。

图10 桥梁上接触网下锚坠砣限制架与避车台冲突

图11 接触网支柱与桥梁结构冲突

图12 接触网支柱与电缆井冲突

4.3 设备安装位置合规性检查

对信号设备外缘限界检查，以及信号机显示距离及遮挡检查。

在此次青连铁路BIM设计中，对信号设备设施的安全净距以及信号机显示距离等内容进行了设计及检查。利用现有技术条件和专业技术手段建立可视化限界图例，并进行人工确认检查，将出现碰撞、遮挡、侵限的关键节点进一步修改和处理，确保设计成果的正确性和合规性。

利用此项BIM技术，可以实现信号设备设施的限界、碰撞、视距范围的可视化，能够一目了然地了解各个设备设施的安装情况是否满足设计规范、是否发生冲突与碰撞、是否出现显示范围内的遮挡等设计问题，能够有效开展多专业协同设计及碰撞检查，提高设计的准确性和适用性。见图13～图15。

图13 出站信号机显示距离及外缘净距范围

图14 调车信号机显示距离及外缘净距范围

图15 进站信号机显示距离及外缘净距范围

4.4 施工模拟

由于铁路四电工程施工有其特殊的施工顺序和作业组织方式，如电力专业和接触网专业要按铺轨区段设置作业区段，统筹考虑与站前专业、铺轨专业交叉配合施工。整体施工组织要按照“大循环，小流水”的程序化方式进行施工；变电专业施工不受线路施工制约，无紧前工序制约，但受大型电气设备供货、外电引入、房屋进度等影响。而且由于传统的二维图纸只包含本专业的管线以及设备的基本情况，不能了解整个系统内的关系，也不能呈现出集成图纸的效果，所以在施工过程中会经常发生系统、专业间的冲突碰撞。通过BIM技术的引入，可以对铁路四电工程进行BIM三维模型可视化的施工模拟[11]。通过模拟四电工程的施工顺序和作业组织方式，可以直观地看到各专业及各系统之间的空间关系及碰撞问题等。在施工之前，及时解决通过BIM施工模拟发现的各方面问题，从而进行方案的改进和优化，提升施工质量，减少浪费，创造价值[12]。

通过BIM技术，对铁路四电工程进行三维模型可视化的施工模拟，不但可以解决各专业、各系统之间的工序问题和碰撞问题，还可以解决四电的设备定位、现场空间分析、资源分配计划等施工阶段的各种问题，给四电的施工带来了巨大的帮助。

5 铁路BIM标准的应用和验证

5.1 铁路IFC标准的应用和验证

本项目BIM实施依据《铁路四电工程信息模型数据存储标准》(1.0版)。在IFC标准类下建立相应的三维模型，并附加相应的IFC属性集[13]。由于IFC4.0中原有的实体和属性集未包含在铁路四电IFC标准中，所以在达索系统中补充铁路四电IFC相关实体和属性集，还将原IFC4.0中与四电有关的内容部署在达索系统中[14]。例如在铁路四电IFC现有的基础上新增枚举项定义CANTILEVER腕臂、SUPPORTOR肩架，新增属性Pset_Cable Carrier Segment Type Cantilever、Pset_CableCarrierSegmnentTypeSupportor。

各专业首先形成了本专业的IFC分类和属性表，然后在ENOVIA平台上通过定义扩展类型的方式，完成IFC分类和属性集在达索系统的部署，并进行了将BIM模型导出成ifc格式的文件的测试验证，保证创建的BIM模型符合IFC标准，能被其他支持IFC的软件正确识别[15]。

5.2 铁路IFD标准的应用和验证

本项目BIM实施依据《铁路工程信息模型分类和编码标准》。明确编码原则，并为模型添加IFD编码[16]。IFD标准的分类多，覆盖面广，若应用场景不明确，将难以选用IFD编码。因此，四电专业根据工程实际情况与设计习惯，制定IFD编码原则，使本项目中设备和构建编码规则一致，为查询和搜索奠定基础。通过开发IFD查询与部署工具，将BIM模型赋予IFD编码，并可自动更新。

5.3 交付精度标准的应用和验证

本项目BIM实施依据《铁路工程信息模型交付精度标准》，本项目对照《铁路工程信息模型交付精度标准》(征求意见稿)[17]，将标准中所要求的几何精度和信息深度以三维模型和IFC、IFD的形式添加至BIM模型中。

几何精度：按照工程图纸，建立四电各专业设备、构件及线统的模型，模型几何精度均可达到1 mm。

几何信息：根据工程实际需求，建立工程三维模型，包含设备模型的长、宽、高以及定位信息等[18]。

非几何信息：通过部署IFC属性集、IFD分类编码以及达索系统自带的模型信息，完成模型的非几何信息的添加。

5.4 工程结构分解

各专业工程结构分解按照《铁路工程设计信息模型表达标准》中设计单元的划分，并结合《铁路工程信息模型结构分解标准》(暂行)，选取适合专业特点的方法进行分解，形成适合本项目的工程结构[19]。

5.5 对标准的建议

(1)交付精度标准中需要输入的非几何信息，需要与IFC的属性相对应；

(2)交付精度标准中需要输入的非几何信息，如厂家信息等无法在设计阶段获取的，需要修改交付精度标准；

(3)针对IFD编码方式不唯一的情况，建议统一编码原则；

(4)IFC缺乏对于施工、运维等应用阶段的全部描述，其各类设备、缆线等的属性集不完全适用于

模型全生命周期的应用，建议考虑工程全生命周期的应用。

6 结论与展望

青连铁路四电BIM试点项目是首次开展以四电为主的全专业的BIM应用项目，站前站后多专业BIM协同设计，实现铁路四电工程信息模型数据存储标准(IFC)的部署、验证和补充，实现铁路工程信息模型分类和编码标准(IFD)查询和部署，探索BIM三维模型的建立，完成四电工程由2D向3D、4D转变，探索BIM技术在设计、施工、运维中的应用，以数字化、信息化和可视化的方式提升设计精度和深度，并达到施工信息的无缝传递、管理协调、安全质量控制等目的。

通过青连铁路四电BIM试点工程，探索BIM成果验收、审核、转发、归档等管理模式和实现途径，为真正实现BIM技术在铁路四电工程全生命周期中的应用，提供了可参考的案例[20]。