BIM?技术在德国铁道线路上部工程中的应用

1 背景

德国绝大多数铁道线路基础设施的新建、改建、维修均由德国铁路股份公司下属线路网络子公司（DB Netz AG）负责。该公司的主要职责是保障线路基础设施的安全运营。在2015年—2019年期间，DB Netz AG用于新建和维修铁道线路上部结构的资金高达120亿欧元。线路上部结构包括钢轨、轨枕、道床、道砟、防爬设备和联接零件等组件，其功能在于引导轨道车辆前进，并传递来自轨道车辆的巨大压力。线路上部工程包括线路上部结构的新建、改建和维修，这里的维修是指材料和部件的更新和替换。

为改变德国铁道线路上部结构新建、改建、维修规划不善，工期延误和成本巨额增加的状况，德国重大项目建设改革委员会在2013年建议采用建筑信息模型（BIM）技术。德国联邦交通和数字基础设施部（BMVI）根据德国的BIM技术相关规定采纳并执行了此建议。

BIM技术是一种在五维（5D）数字建筑模型（如路线模型）上协同工作的、非常简便的技术。此技术将3D模型扩展到包括时间和成本的维度，并引入了与规划和施工相关的过程。使用此方法可以在规划基础设施项目时进行成本和时间控制，并在项目建设的整个过程中保证参建各方进行良好、透明的沟通和交流。

2 BIM 技术应用概述

线路上部工程施工由于涉及众多专业领域，见图1，因此与房屋建筑施工相比，对施工过程、物流、工地安全防护以及许多其他专业领域的规划人员有不同的要求。图1a显示了线路上部工程项目施工规划的传统过程，其中的不同专业相互关联。这些关系的复杂性和多样性决定了为实现项目目标需要进行复杂且密切的沟通和交流。图1b显示了使用BIM模型的线路上部工程施工规划系统。该系统中，各专业领域人员共同依托1个5D模型展开工作。这样可以确保经过授权的项目参建方共享所需的信息。为实现各参建方在模型中的合作，需要使用合适的软件，并对项目进行全面的控制。

利用BIM技术的各种工具，可以实现项目控制和參建各方之间的协作。其中包括“客户信息需求”、“BIM清算计划”和“公共数据环境”3大工具。有关上述3种工具的详细信息可在DB Netz AG网站查询。

为了创建数字建筑模型，必须在规划施工工地之前根据规划目标采集和处理基础设施相关的数据。对于线路上部工程，在细节水平上有特殊要求：用于摘取工程量的数据必须达到规定的精度，其余数据应尽可能少，以最大限度地减少待处理的数据量。在数据获取方式上，可以通过列车行车、常规测量或激光扫描创建的点云采集数据。

在施工过程中，必须记录每个施工工序及所有施工对象的实际数据。这些数据的用途是：①辅助承包商进行必要的补充计算和后期计算;②创建线路的数字孪生模型。

与传统方法相比，线路上部工程项目使用BIM技术的优点在于：①面向对象的计算形式;②提供已有或新创建的数据详细信息;③5D模型在进行任意更改后会同步更新所有尺寸和视图。

3 BIM技术的具体应用

3.1 面向对象的计算形式

如果当前产生的工程量是根据工程量说明、工程量清单或施工部位确定的，则可由面向对象的计算形式替代。

为实现这一点，需要待维修路线当前状态和目标状态的完整5D模型。应用BIM技术需与施工过程和物流相关联，所以BIM建模时应包含施工段及其附近区域（包括停车区域、仓库和货物换装场），以及用于物流运输的更长铁路线（包括收费站）。图2中显示了上述各区域。每个区域中，对于建模精度和模型对象的几何形状都有不同的要求，因此应根据具体要求创建模型。

3.2 模型创建和精度等级

创建符合BIM技术要求的线路模型时，应考虑满足不同需求后的数据精简，仅保留必要信息。使用BIM模型可以采集和融合施工期间的海量实际状态数据，由于德国移动数据连接的可用性还有待提高，因此很有必要缩减数据量。

3.3 线路上部工程项目计算

承包商的报价和工程量计算以施工工地5D模型中生成的工程量为基础。有许多工具软件可以支持承包商进行面向对象计算，其中包括标准化的施工流程数据库，以及自动化的资源优化和工资成本计算软件等。图3为具体的计算流程图。

上述应用软件之一是线路上部工程施工工序的标准工程量数据库（SLAG）。它是有关新建、改建和维修线路上部结构时所有典型施工工序的数据库。借助SLAG，可以根据实际模型与目标模型之间的对象更改（如钢轨更换），创建包含所有所需施工工序的清单;还可以根据从5D模型中获取的更多信息，尤其是物流边界条件，制定施工组织计划。但使用SLAG还无法全面考虑所有可能的施工工序、依赖关系和相互作用，所以自动创建的施工工序清单存在不能完全符合实际应用需要的情况，还需再进行人工更正、优化和最终确认。

创建施工工序清单后，承包商可以针对人员和机械开展资源计划，以优化施工过程。采用施工过程中的人员和资源动态分配方法，并保证（大型）机械和设备的多样性，有助于计算得到最佳解决方案。此时，应该区分己方设备和第三方设备，并将其他因素（如运输成本）考虑进来。

4 结论

通过使用BIM技术，可以使线路上部工程施工的规划和计算得以优化。为此，5D模型是基础。然而，5D模型的创建和维护花费巨大。因此，对于每个项目，必须验证创建模型的必要性及其可能产生的附加值。简化的线路模型也需要验证。

尽管在线路上部工程中使用BIM技术的形式多种多样，但在施工工地上仍需要训练有素的人员，他们能够在施工物流、施工过程等发生变化的情况下，做出判断并确定下一步的程序。

因为可以使用5D模型执行其他应用程序，例如噪声计算、可视化或维修计划等，对于复杂的铁路基础设施项目而言，线路的完整5D模型非常有用。

在将来，线路的5D模型还可以推动线路上部工程施工过程自动化技术的进步。此外，其还可以用于全生命周期成本研究，从而将当前的和预测的基础设施状态与维修计划和铁路运营联系起来。借助整体线路模型，可以识别和管理铁路系统中复杂的相互关系，例如在特定运行载荷下的钢轨磨损增加等。

参考文献

[1]Christoph Schütze. Anwendung von Methode des Building Information Modeling（BIM）bei Instandsetzungsma?nahmen im Gleisbau[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：49-52.

苏靖棋 编译

收稿日期 2019-12-01