西安至十堰高速铁路BIM正向设计应用实践及创新

刘彦明，许兴旺

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043； 2.中国铁建BIM工程实验室(中铁一院)，西安 710043)

引言

BIM技术自诞生以来，最早应用于建筑领域，目前在建筑行业已有较为成功的应用案例，并且有较为成熟的配套软件支持[1-2]。近年来，在基础设施建设领域特别是铁路工程中，在中国铁路BIM联盟组织推动下，其标准规范体系逐步完善，应用范围逐步由单点工程向全线、由部分专业向全专业应用、由最初的翻模向正向设计转变，BIM技术在铁路工程中的应用得到快速发展[3-7]。

BIM正向设计目前没有标准解释，各方均有不同的理解。文献[8]认为正向设计是指一种工作流程，即：“BIM正向设计是指利用BIM技术，以地形、地质为基本设计资料，按照设计流程依次进行线路设计、站前工程设计和站后工程设计。设计过程与传统二维设计过程类似，但需要有序的组织协同设计工作流和BIM数据流”。文献[9]认为正向设计是一模多用或一模到底，即 “正向设计是指以三维BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务，而逆向设计是以“翻模”为特征，在设计的每一个阶段根据各自需要将二维数据转换成三维BIM模型，BIM模型的使用价值较低”。文献[10]认为“正向设计通俗理解为三维模型输出二维图纸，且符合各阶段审图规范”。文献[11]认为“正向设计的关键在于对设计信息高效的识别、无障碍传递和准确表达”，“正向设计的核心技术是3D设计信息与2D设计信息完整、高效传递和转换能力”。文献[12]认为“BIM的正向设计是在高精度的三维地形环境模型中，直接利用相关软件，设计三维设计产品的过程称为公路行业BIM技术的正向设计”，“公路设计BIM正向设计核心在于快速建模”。文献[13]认为“BIM技术在设计阶段的应用可分为两类：①试点初期采用翻模方法建立BIM模型，即先有设计院交付的施工图，再以图纸为依据建立BIM模型；②应用BIM软件进行正向设计，即在没有图纸的情况下由设计人员按照设计理念直接建立BIM模型，并由模型生成可以交付的施工图”。

上述文献对BIM正向设计虽理解不同，表述各异，但大部分认为“正向设计”是与“翻模”(先设计二维图纸，再依据图纸建立BIM模型的过程)相对应，应先建立BIM模型，再依据模型生成图纸的过程。依托西安至十堰高速铁路BIM正向设计实践进行了再探索研究，提出了新的认识理解。

1 项目概况及应用标准

1.1 项目概况

新建西安至十堰高速铁路为首个全面推进BIM正向设计的项目，起点从西安东站北延伸段红旗线路所向南引出，引入既有汉十高铁十堰东站。西十高铁新建正线长255.749 km，其中，陕西省境内169.393 km，湖北省境内86.356 km。全线新设西安东、蓝田、商洛西、山阳、漫川关、郧西6座车站；新建正线桥梁长40.9 km/59座，隧道长201.6 km/42座，桥隧比重达94.83%。控制性工程主要有漫川关站、秦岭马白山隧道、西岭隧道、汉江特大桥、柳家河福银立交大桥和神定河特大桥等，全线示意见图1。

本次研究主要采用Micristation CE版、OpenRail Designer、Substaiton、ProjectWise 、ProStructures、CityMaker以及开发的专业软件等作为解决方案。

1.1.1 实施范围和主要设计内容

BIM设计实施范围为西安至十堰高速铁路全线正线与配套工程，包含大临工程，涉及专业包括测绘、地质、线路、站场、轨道、隧道、桥梁、路基、建筑、结构、暖通、电力、牵引变电、接触网、通信、信息及灾害监测、信号、给排水、环保以及工经等专业。

1.1.2 重难点分析

(1)线路长：一次完成全线长256 km的 BIM设计；涉及的地形、地质地层构造、不良地质等复杂多变。

桥隧比例大：占线路比例达95%。

特殊结构多：超过10 km以上隧道5座，桥梁特殊结构多，5座车站部分或全部上桥，车站桥多线变宽，异形梁种类多。

路基横向结构物融合多，半填半挖过渡较多。

(2)西十高铁BIM设计涉及专业多，共计19个专业全过程参与设计，专业间衔接交互过程较多，站前站后同步设计，协同难度较大。

(3)全面推进BIM正向设计的项目，专业BIM设计软件存在较多衔接，使用过程中会出现异常现象，在设计的过程中仍需动态进行修正和调整。

1.1.3 组织实施

西十高铁BIM设计工作由西十高铁总体组负责实施，摒弃设计总体组与BIM总体组分别开展传统设计与模型构建工作的分离模式，全面推行BIM正向协同应用，项目组织由主管院长、主管院总、经计部、设计总体、副总体、专业负责人等人员和部门组成，增设1个分管BIM副总体，协助总体推进BIM设计工作。

1.2 BIM应用标准1.2.1 行业BIM标准

BIM标准是保证信息模型在工程全生命周期内信息有效传递的前提，在BIM设计过程中应特别注重对BIM标准的执行。该项目主要采用中国铁路BIM联盟已经发布的《铁路工程信息模型分类和编码标准》[14]《铁路工程信息模型表达标准》[15]《铁路工程信息模型交付精度标准》[16]《面向铁路工程信息模型应用的地理信息交付标准》[17]《基于信息模型的铁路工程施工图设计文件编制办法》[18]等。

1.2.2 企业BIM标准

结合项目实践，编制了企业级技术标准：《新建铁路西安至十堰线BIM设计成果交付标准》《新建铁路西安至十堰线BIM设计应用指南》《铁路工程BIM协同设计流程暂行规定》《铁路工程BIM设计数据接口规定》。

1.2.3 项目BIM标准

因该项目为第一条全线全专业推进BIM正向设计的项目，为更好地帮助设计人员掌握BIM设计流程及方法，特编制了西十高铁各专业BIM设计指导书，指导书目录见图2。

虽然制定了行业标准、企业标准甚至项目标准，但在项目推进中深切感受到，这些标准还有许多待完善的地方，特别是信息模型的分类与编码，大量的属性信息缺乏对应的编码，使信息难以准确表达与传递，在项目执行中进行了大量补充完善；上述标准需在设计软件中予以固化，标准没有完善软件支撑，仅依靠人工执行难以真正落地。信息化标准需软件体系的固化表达才能真正落实到位。

2 正向设计研究探索

2.1 正向设计实践

目前，二维图仍是法定交付物，也是支付设计费的主要依据，因此，设计单位首先应满足二维图的交付要求。模型生成图纸主要途径通过剖切或投影产生，为此，针对路基、桥梁、隧道、地质、站场等专业需求，研发基于动态视图技术的BIM模型剖切软件，实现基于空间线条、实体边界线、路线的BIM模型任意剖切功能，并探索基于模板描述的自动标注技术。使桥梁、隧道等专业的部分二维图纸可通过定制模板并利用模型的剖切投影得到，如横断面图。根据专业需要指定位置平面对模型进行剖切后提取截面轮廓线，并通过定制专业模板对截面完成尺寸自动标注，生成的铁路桥梁箱梁断面见图3，路基、隧道等断面生成过程见图4。

图3 铁路桥梁箱梁断面设计

图4 利用模型生成断面图过程

利用模型的剖切投影生成二维图的方式，针对一些断面图提高了设计效率，但难以满足大部分二维图的出图需要。按照图纸交付标准有些二维图很难通过简单的剖切投影产生，如：曲线段的桥梁立面图是展开图，而不是投影图；站后信号专业大部分是逻辑图。即使在BIM技术应用较早的建筑业，以出图为导向的正向设计在实际应用过程中也遇到了很多困难，出图效率不高，难以推广[19]。

2.2 正向设计再探索

BIM正向设计的核心是提高设计质量和效率，从而降低设计成本，提高整体效益。

所谓设计是在一定边界条件下通过不断思考、计算分析迭代，得到满足规范要求、体现设计师理念、实现约定功能设计作品的过程，二维图纸、三维模型只是设计作品不同的表达方式，这两种表达方式各有千秋，二维图纸专业人员更易理解接受，在目前建造模式下必不可少；三维模型更形象具体，易被计算机进行识别处理，更符合信息化要求。为更形象、准确表达设计方案，需要把二维、三维两种表达方式进行充分融合，发挥其最佳优势。在设计中生成先后顺序并不重要，重要的是实现二三维表达的数据同源，表达一致，联动更新。

综上所述：利用BIM技术以数据为核心，能够实现二维图纸、三维模型快速表达，且两种方式能够数据同源，表达一致，能够联动更新的设计过程均称为BIM正向设计。其设计模式见图5。

图5 以数据为核心的正向设计模式

本项目常规工点均采用以数据驱动为核心的正向设计模式[20]，依托中心数据快速生成BIM模型，由开发的专业软件参数化直接生成所需图纸；对特殊结构采用由BIM模型通过剖切投影辅助生成二维图的方式，出图效率有较大提升。

数量计算时需对建成的模型进行编码定位识别，以桥梁工程为例，设计时编制LID定位码，分别赋予各桥面系、梁部、支座、下部结构等构件或节点，实现精确定位。对工经专业所需数量进行IFD编码表达，并将LID和IFD编码存储至MicroStation软件的ItemTypes下，实现了数量表达的准确性、唯一性，为下一步基于BIM模型的自动算价奠定基础。桥梁数量的IFD表达见图6。

图6 桥梁数量IFD表达

2.3 软件研发

西十高铁BIM设计经过1年左右的准备时间，期间各专业依据图5的模式进行了大量软件开发，线路、轨道、地质、桥梁、隧道、通信、信号、接触网等专业共研发软件66个，基本满足了西十高铁推行BIM正向设计需要。信号专业的BIM设计见图7。

图7 信号专业的BIM设计

除专业软件开发外，为满足一些特殊手工建模需要，还针对性开发了以下辅助设计工具模块：

(1)基于铁路线路中心线的精确定位通用功能模块；

(2)通用构件扩展属性添加模块；

(3)基于构件编码专业结构树管理模块；

(4)基于Micorstation通用BIM钢筋模型辅助创建模块；

(5)提取地质BIM模型虚拟钻孔信息功能模块。

并进行了基于BIM模型进行工程数量表达统计关键技术研究。

以数据驱动为核心的正向设计，实现了常规铁路工程工点的正向设计，达到了高效建模、高效出图算量的预期目标，满足铁路工程标准化、自动化及批量化设计要求。

3 BIM协同设计研究应用

BIM技术相对于传统的二维设计的最大优势是能够更好地进行多专业协同设计，多专业协同设计是BIM正向设计应用关键。本项目协同设计采用Bentley的ProjectWise作为设计协同平台，以文件级协同为主，实现版本管理、权限控制、质量与技术管理等功能。在ProjectWise原生平台基础上，结合我院协同设计流程与专业数据接口标准进行二次开发定制。编写了《新建铁路西安至十堰线ProjectWise协同实施导则》，下发总体组指导设计人员开展协同设计工作。

(1)协同设计总体原则

ProjectWise(以下简称“PW”)平台以设计过程管理为核心，基于服务器以图纸/参考的方式实现各专业并行协同设计，能够实现专业内及专业间参考关系的智能维护与管理。各专业严格通过PW协同平台开展设计工作，通过参考、版本迭代等方式进行协同与更新。

(2)工作空间与单元库的PW托管

将工作空间在PW上进行托管后，相关专业的各个设计者在通过PW进行协同设计时，可在共享的工作空间下开展工作，保证设定设计标准的一致性。单元库的PW托管，可实现单元文件的共享，最大化重复利用已建单元文件，避免单元文件的重复构建与资源浪费。

(3)校审、资料互提与会签协同设计流程

基于PW协同平台及所开发插件，最终实现专业内设、校、审与专业间资料互提设计流程协同，设、校、审图示分别见图8～图10。

图8 流程启动

图9 资料互提

图10 专业会签

(4)审阅、批注与碰撞检测应用

参与设、校、审人员可通过Navigator对PW上模型文件进行审阅、批注与碰撞检测应用。以PW软件为集成应用平台，将总装后的模型可直接导入Navigator软件，通过自定义检测规程，实现项目专业间的碰撞检查，还可以添加批注等信息进行模型校验与审核。

碰撞检测是利用BIM软件对三维信息模型之间的冲突进行自动检测与报告。采用BIM技术进行碰撞检查有着明显的优势及意义。在此过程中可发现大量专业冲突，这些冲突在传统的二维设计和单专业校审过程中很难被发现。通过碰撞检测可有效减少施工过程中的变更与返工，提高设计质量和效率，降低工程成本。

基于信息模型的碰撞检测流程如图11、图12所示(以车站为例)。

图11 碰撞检测流程

图12 碰撞检测与审阅批注

4 项目审查展示平台

“西十高铁BIM数字化成果审查展示平台”(图13)是基于GIS基础平台进行的二次开发，扩展了符合铁路BIM模型表达的功能模块，主要包括：项目管理、后台服务管理、用户管理、场景浏览操作、BIM模型结构树解析、关联精细参考模型及设计资料、空间三维分析等功能。最终形成一个能够对铁路项目BIM设计成果进行全方位、多要素展示的数字化三维审查展示平台，也为今后设计方案汇报、比选优化及设计成果展示提供了良好的环境。

图13 审查展示平台

主要实现功能点如下。

(1)解析基于Bentley环境设计的BIM模型

实现对BIM模型的自动解析，将层级定位码信息和辅助定位信息以JSON文件格式进行存储，平台直接读取实现层级码信息识别并自动构建工程结构树，满足模型构件定位、高亮显示的需求，同时可以在工程结构树上进行构件查询。

(2)BIM模型工程设计信息查询

在三维场景中通过点击模型构件实现对BIM设计信息的查询，包含几何信息和非几何信息，并高亮显示对应的构件，如图14所示。

图14 设计信息查询

(3)关联BIM精细参考模型

将基本模型与精细参考模型进行关联，实现在独立窗口中对精细参考模型及其属性信息的详细展示，以及多进程三维渲染，如图15所示。

图15 精细模型参考

(4)关联BIM设计资料

实现对每个构件自定义关联设计资料，支持MP4、PDF、Word、Excel、JPG等常见格式，便于对设计文件进行查看与对比分析。

(5)地下模式与模型剖切

实现对地下工程的漫游浏览，透过地表直接操作BIM模型，同时实现模型剖切功能，以便查看模型内部结构和隐蔽构件。

此外，还实现BIM工点漫游与位置导航，通过配置基础数据，对关注的重点工程和场景进行沿线漫游和位置设定；以及量测分析功能，主要包括距离、面积、角度、断面量测等。

该平台把全线最新的倾斜摄影数据与各专业BIM设计成果进行有机融合，形成了与真实工程环境一致的室内三维数字环境，通过该平台进行了所有设计成果的综合审查，实现了各专业设计方案的二维、三维表达方式综合展示。

5 结语

(1)技术标准需要进一步完善，尤其是需要软件的支撑。在项目实施过程中，除遵循行标以及铁路BIM联盟相关标准外，还编制了多项企业标准及项目标准、指南，但现有标准有许多不完善之处，需进一步细化补充，同时这些标准需在软件中进行固化表达，才能在项目中真正落实到位。

(2)以数据为核心的BIM设计路线是现阶段推进正向设计较为合理的模式。为提升设计效率，结合前期研发成果，在项目实施过程中，采用了以数据为核心的BIM正向设计路线，通过数据的有效整合与传递，快速实现二维、三维的同源表达，提高了设计效率，取得了良好的效果。

(3)多专业协同设计是BIM正向设计应用关键。通过定制开发协同设计平台实现多专业协同设计，保证了设计流程的标准化、设计标准的一致性、实现设计资源共享，及时发现专业冲突，有效避免设计返工。