BIM技术应用于数字铁路建设的实践与思考

刘为群

(1. 中国铁路设计集团有限公司, 天津 300142； 2. 城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室, 天津 300251)

“数字地球”(Digital Earth)概念是由美国副总统戈尔在1998年1月31日在加利福尼亚科学中心提出的。“数字铁路”是“数字地球”概念的一个子集。“数字铁路”是建立在铁路信息基础结构上的把铁路机、车、工、电、检、行政指挥决策、运营管理等各部门的海量的动态和静态、多分辨率、三维的数据按统一的地理坐标集成起来的信息集合[1]。数字铁路基于地理信息系统(GIS)、建筑信息模型(BIM)、遥感、卫星定位、物联网、虚拟化、信息集成等技术，BIM技术是数字铁路建设核心技术之一。BIM不只是一项技术，也是一个项目管理过程[2]，可定义为建筑资产物理和功能特征的数字化表达[3]，也可定义为贯穿资产整个生命周期的过程[4]。虽然定义的角度不同，但其共同之处在于BIM由四个关键要素组成：协作、表达、过程、生命周期[5]。BIM可以节省项目成本和时间，减少误差和遗漏，减少返工率，提高生产力[6-8]。近年来，BIM与其他新兴技术的集成研究越来越多，例如，BIM与3D打印[9]、BIM与3D激光扫描[10]、BIM与增强现实等[11]。

2013年中国铁路总公司确定将BIM技术作为铁路工程建设信息化的主要技术发展方向[12]，并指出加快BIM技术的推广和应用，切实抓好建设模型向运维模型的移交和运用，是构建数字铁路的必然选择。为此，铁路总公司主导成立了铁路BIM联盟，研究制定铁路BIM标准体系框架、发布《铁路工程信息模型数据存储标准》等系列标准，组织开展铁路BIM试点应用，推动BIM这一革命性新技术在数字铁路建设上的深度应用。

目前，针对BIM技术在铁路建设中的应用研究越来越多。Bensalah等从定性的角度总结了BIM技术在铁路建设中的应用优势，如决策支持、施工进度监控、辅助管理与运维等[13]。Salman从定量的角度论述了使用BIM技术带来的效益，如可减少7%的工期等[14]。Smith表示BIM技术在铁路建设中的应用是一个长期的过程[15]。但这些研究大都是基于当地铁路行业现状，并未考虑中国铁路工程特性。而国内BIM技术在数字铁路建设中的应用还处于初步探索阶段。因此，本文从中国铁路BIM应用实践出发，对BIM技术在数字铁路建设中应用所面临的问题和挑战进行了系统分析，并提出了一些建议，可为其他相关研究者和从业者提供参考。

1 BIM标准研究与制定

2013至2014年，铁路BIM联盟组织制定了《中国铁路BIM标准体系框架》，铁路BIM标准体系由技术标准和实施标准两大部分组成。技术标准分为信息语义标准、数据存储标准、信息传递标准。实施标准主要从资源、行为、交付物、协同管理四方面指导和规范BIM应用[16]。

2014至2017年，铁路BIM联盟组织编写和发布《铁路工程信息模型分类和编码标准》(铁路IFD)[17]、《铁路工程信息模型数据存储标准》(铁路IFC)[18]、《面向铁路工程信息模型应用的地理信息交付标准》、《基于信息模型的铁路工程施工图设计文件编制办法》等行业团体标准。

在铁路BIM联盟组织制定和发布行业团体标准的同时，铁路设计和施工企业也在根据各企业选择的BIM平台特点编制企业标准。如中国铁路设计集团有限公司于2016年至2018年间，编制和发布了《铁路工程结构分解及命名标准》、《铁路工程协同设计骨架标准》、《铁路BIM模型配色标准》、《铁路工程协同设计信息传递标准》等系列企业BIM实施标准。

2017年国家铁路局也启动了铁路BIM相关行业标准的编制工作。

以上行业标准、行业团体标准、企业标准共同组成了中国铁路BIM标准体系，见图1。

2 铁路BIM应用实践

自2014年以来，中国铁路总公司组织开展了16个铁路BIM应用试点项目，试点工作主要集中在设计阶段。5年来铁路BIM设计应用实践从单专业单工点应用、多专业成段落应用，发展到全专业全线应用。从专业设计发展到多专业协同设计，从单纯设计应用发展到设计向施工交付。铁路BIM应用试点工作达到了搭建协同设计平台、验证BIM标准、建立BIM工作流程、创建和交付BIM成果的目标。

2.1 京沈客专探索站前多专业BIM协同设计[19]

京沈客专开展了站前多专业BIM协同设计，其成段落BIM设计成果见图2。

(1) 统一搭建了站前专业BIM协同设计平台。对现有主流设计软件进行广泛调研、试用后，引进并建设了BIM协同设计主平台，各专业基于统一环境、同源数据高效交换信息。

(2) 梳理优化BIM模式下站前专业协同设计的业务流程，建立铁路工程结构树，实现了骨架驱动、模板智能的BIM设计。

(3) 基于协同设计，建立了测绘、地质、线路、站场、桥梁、隧道、路基、轨道各专业成段落BIM模型，并对支挡防护等工程做了局部优化。

(4) 为标准的编制和落地应用提供了试验田。试点项目和BIM标准编制项目同步推进，边摸索工程模型的分解，边研究标准分类，两项工作基本在2015年6月同步完成。将标准植入了BIM设计平台，实现了标准信息模型输出。

2.2 在阳大铁路实现站前站后全专业BIM设计

在阳大铁路总承包项目探索站前、站后多专业高效率BIM协同设计技术，全面应用并验证铁路IFD标准、铁路IFC标准等，并将精细化的BIM模型应用于建设管理。阳大铁路BIM模型见图3。

阳泉北站房桥协同设计模型见图4。利用该设计模型，发现并解决了阳泉北站桥梁与房建结构之间的多处干涉问题；对阳泉北站房管综设计进行检核与优化；辅助开展了设计交底；开展了温河特大桥陡坡高墩和桃河特大桥跨既有线转体梁虚拟施工，并用于施工方案编制与评审。

2.3 在京雄城际实现全线全专业BIM设计，并应用于设计审查及建设管理

京雄城际铁路初步设计和施工图阶段均开展全专业BIM设计，首次用于辅助设计审查，BIM模型直观、高效地方案表达能力发挥了传统设计不可比拟的作用。

京雄城际铁路BIM项目实施过程中全面应用铁路BIM标准，首次实现以铁路IFC标准格式从设计向建设管理阶段的交付。

2.4 在牡佳客专开展长大铁路全线BIM设计，实现向施工交付与服务

实现全线9个标段共367 km铁路BIM设计，并应用于建设管理和施工深化。首创BIM模型设计交付和施工深化应用服务模式，为施工阶段提供BIM深化应用平台及LOD350深度模型，服务器分布式异地部署，实现工程各参与方跨地域协作。交付流程见图5。

3 应用BIM技术推进数字铁路建设的思考

3.1 铁路BIM应用中的问题

铁路工程点多线长、场景复杂，站前站后专业众多，开展BIM设计需要高水平技术人员多，投入资源大，目前面临的主要问题有：

(1) 铁路BIM技术蓬勃发展的生态环境有待培育。特别是鼓励BIM技术应用的政策法规和配套措施亟待建立。

(2) BIM研究应用不充分、不平衡。设计企业研究应用BIM技术的积极性及整体水平较高，建设管理和施工企业的整体认识及技术水平参差不齐，而运维企业尚未起步，不利于BIM技术在铁路工程全生命周期应用。

(3) BIM标准尚待完善。虽已制定部分铁路技术标准和实施标准，但仍不完备，且已颁标准经试点验证仍需完善。

(4) 适用于铁路设计与施工的BIM软件功能不强、产品线不完整。BIM主流软件多来自建筑与机械制造行业，支持铁路应用的功能有限，需要持续的二次开发。

3.2 铁路BIM应用建议

根据国家发改委发布的《铁路“十三五”发展规划》，到2020年全国铁路里程将达到15万km，其中高速铁路3万km。发展规划要求充分发挥信息技术基础性、引领性作用，发展物联网技术，实施大数据战略，加快推进新一代信息技术与铁路融合发展，大力促进数字化、信息化、智能化铁路建设。

传统二维设计专业间存在不少“差、错、漏、碰”；工程建设各参与方之间信息交换不充分，容易发生工程质量问题；现有运维手段存在众多的信息孤岛，给铁路运营技术管理带来很大挑战。

铁路BIM模型可承载丰富的设计、施工和维修信息，应用BIM技术可以实现多专业间的系统协调，多工程参与方之间高效协作。基于BIM模型运维管理，可以有效提升管理水平和工作效率。

因此，加快BIM技术的研发应用，是构建数字铁路的必然选择。

(1) 应持续重视BIM标准的编制与应用

首先，要与buildingSMART、国际铁路联盟(UIC)、开放地理信息联盟(OGC)等国际BIM标准化组织开展积极合作，广泛深度参与国际BIM标准的制定工作，主导完成国际铁路BIM标准的编制。其次，增加铁路BIM标准对铁路工程全生命周期应用的支持，扩大覆盖的专业领域和生命周期阶段。同时，要持续推进铁路BIM标准的落地应用，依据反馈意见持续改进和完善铁路BIM标准，并以市场机制推动BIM软件厂商对铁路BIM标准的支持。

(2) 将BIM技术应用于铁路工程全生命周期发挥更大价值[20-21]

BIM技术的实施最大收益在运维阶段，设计和建设阶段产生的信息在漫长的运维阶段价值显著；其次是施工阶段，精细化的BIM设计成果对保证工期、减少返工方面价值突出。尤其是在路基自动化施工、拼装式建筑、桥梁、隧道等构筑物更能体现出BIM设计的应有价值。

目前BIM试点主要聚焦在设计阶段，BIM技术价值仍未完全体现，迫切需要推进施工、运维阶段BIM试点，将BIM设计成果向智能化技术装备、数字化施工及运维延伸，促进BIM在铁路工程全生命周期应用技术快速进步，发挥更大价值。

(3) 尽快制定铁路行业BIM技术应用推广政策

应尽快出台铁路BIM技术应用的指导意见，明确BIM技术应用要求，制定配套政策，建立基于BIM的价值分配机制，保障BIM技术应用的可持续发展。在铁路工程项目招投标中，应明确BIM应用要求。

进一步完善相关建设工程评奖管理办法，对申报优秀工程勘察设计、质量奖项的项目，凡应用BIM技术的应给予加分。建立BIM人才培养机制，加强对企业管理人员和技术人员关于BIM应用的相关培训，建立对BIM技术应用人员的奖励机制。加大产、学、研、用投入和资金扶持力度，培育发展BIM技术咨询服务和软件服务的企业。

4 结束语

当前，铁路正在由速度规模型向质量效益型转变，实施“交通强国、铁路先行”战略，推进“智能铁路、精品工程”建设，离不开铁路BIM技术。铁路行业BIM技术应用必将走上高速发展之路，更好地助力数字铁路建设。