基于openBIM的铁路工程建设 协同模式研究及应用

王万齐，李达塽，李 飞

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 集团有限公司 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081)

0 引言

在高速铁路工程建设中，大规模跨专业设计、多样化建筑信息建模(BIM)软件应用、多工序交叉施工等都成为项目协同建设的不利因素。基于openBIM的工程协同解决方案通过开放的标准和工作流程及中立的协同工作平台，可以提高软件互操作性，保证项目各参与方的高效协同。

目前，国内外对openBIM有诸多研究。王照华等[1]对openBIM发展的技术路线进行详细探析，建立符合我国相关技术标准和管理流程的P-BIM体系，提出新的成熟度等级和BIM发展策略；Moretti等[2]利用openBIM解决方案中的工业基础 类(Industry Foundation Classes，IFC)标准来改善在运维期因竣工数据不全而导致的资产管理局限，展示openBIM在动态建筑资产管理应用中的潜力；Rahimian等[3]基于openBIM理念研发可将IFC 数据实时传输到VR或AR的可视化设计协作决策系统，为openBIM与VR/AR的集成以及提高建筑、工程和施工(Architecture，Engineering，Construction，AEC)行业的互操作性做出积极贡献；隗静宇等[4]针对大型建筑项目提出采用施工运营建筑信息交换标准(Construction Operations Building information exchange，COBie)中的SpreadsheetML 格式构建基于 BIM的建筑信息管理系统，有效地对各阶段信息进行整合；何其飞[5]对ISO 19650系列标准内容进行了详细解析，为建筑企业应用此类标准提供理论基础；吕锦牧等[6]详细介绍英国BIM通用数据环境(Common Data Environment，CDE)的内容、实施流程和相关要求，为定制行业CDE提供参考与借鉴；朱昌锋等[7]构建基于BIM的水铁联运枢纽设计采购施工总承包项目(Engineering Procurement Construction，EPC)全生命周期管理平台，将项目的模型和信息在各阶段和各参与方之间共享和传递，已初步展现BIM协同工作的优势。

以上研究为openBIM的发展与应用提供一定的指导思路与成果，但其中部分研究仅停留在理论研究阶段，并未形成成套的openBIM解决方案。针对国内高速铁路工程建设中的协同难点，提出基于openBIM的铁路工程建设协同工作模式，通过采用IFC、信息交付手册(Information Delivery Manual，IDM)、模 型 视 图 定 义(Model View Definition，MVD)、COBie等openBIM标准，基于ISO 19650的协同工作流程，建立以CDE为核心的多方协作生态系统，并在京张高速铁路(北京北—张家口)上进行实践应用，为国内AEC行业应用openBIM提供指导作用。

1 高速铁路工程建设协同工作需求分析

1.1 铁路工程通用数据环境需求

铁路工程属于大型基础设施项目，一般包含设计、建设、运维3个阶段。在设计方面，需要开展路基、桥梁、隧道、轨道等众多专业的协同设计，各专业在文件管理、数据转换、时间管理、质量保证等方面进行协同管理是一个非常复杂的问题。在施工方面，主要针对各专业的进度、质量、安全、物资、投资等管理维度开展施工建设，面向“人、机、料、法、环”等多维度多层级建设要素，施工控制难点众多，建设工期紧张，施工质量要求高，参建单位众多，对于信息化的建设要求更为严格。面向运维管理，如何打破阶段间的数据壁垒，实现设计施工数据的有效传递，是当下亟待解决的问题。因此，需要构建统一的数据交换中心，满足阶段及专业间不同参与方的数据共享及交换需求，实现铁路工程全生命周期管理。

1.2 面向ISO 19650的铁路工程标准化流程应用需求

ISO 19650标准为AEC行业提供了一整套完整的信息管理流程，主要通过共同协作的方法实现信息管理[8]。在铁路工程建设中，涉及建设、施工、监理等多家参与单位，为了实现各组织间生产信息的协同管理，亟需基于ISO 19650标准，构建一套符合国内铁路工程建设BIM应用需求的协同信息流转体系，来解决铁路工程建设中协同组织难题。

1.3 铁路工程Open BIM标准应用需求

铁路工程在设计、施工、运维全生命周期阶段，会产生海量的多源异构数据，如何实现基于BIM的组织协同、生产协同及内业管理的协同，亟需一整套完整的BIM应用标准来保证专业及阶段间的数据可以有效组织与流转，openBIM标准为工程建设行业提供了一整套完整的BIM规范化应用方案，对我国铁路BIM标准的完善与引领起到重要推动作用。

2 基于openBIM的铁路工程建设协同工作模式

openBIM是基于开放的标准和工作流程从而协同完成建筑的设计、施工和运营的一种通用解决方案，旨在提供透明而开放的工作流程以及可在不同软件之间通用的交互语言，从而使项目的各参与方能便捷地参与到项目的协同工作中[9]。通过进一步将openBIM核心内容与高速铁路工程建设协同工作需求结合，提出了基于openBIM的成套铁路工程建设协同解决方案，从开放中立标准、协同工作流程及通用数据环境3个方面改善铁路工程建设的协同工作难题。

2.1 openBIM标准的使用

2.1.1 openBIM系列标准介绍

openBIM标准涵盖内容广泛，包括IFC，IDM，IFD，MVD，COBie等开放标准，可用于设计、施工及运维等多个阶段的工程协同工作中。IFC标准是国际公认的BIM数据交换标准，有助于实现AEC行业从业者所用软件应用间的交流和共享；IDM是记录了业务流程并详细规定用户信息规范的文档，其定义在项目的特定阶段为支持特定业务流程而需要交换的信息[10]；MVD用于定义某一数据模型或现有数据模型的子集，从而满足一个或多个特定数据的交换需求[11]；COBie是一项为运维人员提供标准化工程建设数据的标准，旨在解决工程资产交付期间的数据传输问题。

2.1.2 openBIM标准在铁路工程建设中的应用研究

针对铁路工程建设中多软件交互协同、多专业模型施工协同应用以及基础设施运维信息传递等问题，通过对IFC，IDM，MVD，COBie等openBIM标准在铁路工程建设中的应用研究来提升协同工作及信息传递流畅性，openBIM标准应用技术路线图如图1所示。

图1 openBIM标准应用技术路线图Fig.1 Technology roadmap for openBIM standard application

在设计阶段，通过不同的设计软件创建不同铁路专业的模型，采用IFC标准下的.ifc格式作为模型文件传输格式，实现不同专业openBIM模型的统一管理和集成展示，提升基于BIM模型的设计协同效率；各专业模型在经过基于IFC标准的模型审核检查后，为铁路工程管理平台提供模型服务。

在施工阶段，采用不同软件进行基于IFC模型的分析应用，为铁路施工提供可视化辅助决策。例如，利用Solidworks+Ansys进行的钢结构分析应用，利用Navisworks进行的模拟仿真应用，利用UE4和Unity制作的全景VR和AR应用；借助IDM与MVD标准，可以从各种BIM软件的IFC信息模型中快速找到特定需要的部分模型与信息，建立适用于各专业特定场景的独特性施工BIM应用，实现对某一特定应用场景的数据分析或施工应用，提升施工质量并推进施工的高效协同。在竣工交付阶段可将包含施工信息的BIM模型传递至综合维修系统中，为铁路运维BIM应用提供设计期及施工期的铁路工程信息。基于COBie标准编制符合铁路基础设施运维需求的信息交换模板，建立便于建设期与运维期组织结构转换和对应的表示方法，实现满足运维需求的建设期资产信息模型交付。

2.2 基于ISO 19650的铁路BIM协同工作流程

ISO 19650是一整套关于在建筑资产的全生命周期中，使用BIM进行信息管理的国际标准和标准族，其对各行业建立BIM管理体系以及BIM实施管理流程具有重要作用。ISO 19650可从组织协同、信息需求以及信息管理流程等方面为铁路BIM协同工作流程提供指导与借鉴。

2.2.1 组织协同

在ISO 19650系列标准中，项目参与方之间的关系可分为委任方、主要被委任方和被委任方。委任方一般可看作业主方，主要被委任方和被委任方即为传统意义上的乙方，主要被委任方类似于工程的总包方，被委任方类似于工程的分包方。在实际铁路工程建设项目中，委任方为铁路建设单位，如各类客运专线公司等；主要被委任方可与各设计单位、各标段施工单位、各监理单位进行对应；被委任方可与各专业设计团队、各工区施工团队、各监理团队进行对应。通过这一3层级架构可将铁路项目中的各项BIM任务层层分解，并划清各方职责，形成一套既清晰又可追溯的组织协同管理办法。

2.2.2 信息需求

信息需求在不同的项目阶段有所不同，主要分为组织信息需求、项目信息需求、信息交换需求和资产信息需求，其中资产信息需求指定资产信息模型，而信息交换需求指定项目信息模型。

基于此，进一步研究并划分铁路工程建设项目的信息需求。例如，铁路工程组织信息需求即为国内铁路的战略规划、投资计划及管理团队的组织架构等；铁路工程项目信息需求即为执行工作计划、物资采购计划等；铁路工程资产信息需求包括铁路各专业业务、技术及管理信息等；铁路工程信息交换需求即基于BIM模型的技术、管理和业务信息；铁路工程项目信息模型指在铁路工程建设中的过程信息模型，铁路工程资产信息模型指在资产交付后可用于运维的竣工信息模型。

2.2.3 信息管理流程

ISO 19650标准还针对资产交付阶段定义了标准化的BIM信息管理流程，包括信息管理要求以及关于资产交付和信息交换的内容。

铁路工程项目的协同工作离不开信息的有效管理，项目各方均应参与到信息管理流程中。一般由铁路建设单位履行信息管理职能，负责梳理信息需求，确定信息交付时间和信息相关标准并制定招标计划；设计单位、施工单位等总包方主体负责制定投标计划、BIM执行计划和委任文件，并汇总信息交付内容；各专业团队负责制定BIM信息交付计划与信息交付能力评估报告，并最终负责生产及交付信息。在实际铁路项目的信息管理过程中，建设单位也可指派第三方BIM咨询公司代为履行信息管理的职责。

2.3 铁路工程BIM通用数据环境

铁路工程BIM通用数据环境(CDE)这一概念来源于国际BIM标准ISO 19650，被看作是实现BIM落地必不可少的环境条件之一，也是收集、管理和共享整个项目团队的数字资产的唯一信息来源。通过建立信息在不同状态间的转换及校审流程而形成的信息流转机制是CDE的核心内容。CDE中包含的信息状态有“工作中”“共享”“已发布”和“归档”4种，CDE中的信息流转机制如图2所示。

图2 CDE中的信息流转机制Fig.2 Information flow mechanism in CDE

在铁路工程建设领域， CDE的应用可通过建立一个带有标准化信息流转机制的云端协同环境来实现。该环境中各个团队的信息模型将独立保存，生成的信息可用于设计、施工及运维等多个阶段。该环境还可供项目各参与方在线协作，按照对铁路项目各参与方的角色划分以及信息流转机制的要求，“工作中”状态的信息均应为各专业设计团队或工区施工团队所独有的建设过程信息，可以是桥梁专业的设计图纸或隧道三维扫描数据等，这些信息未经过团队负责人的批准不能与其他专业进行共享使用；“共享”状态的信息应是已由团队负责人审核过的可共享信息，可用于进行通信工程、信号工程、电力工程和电气化工程(铁路“四电”工程，以下简称“四电”)接口检查或管线碰撞检测等多专业相互验证和问题检查；“已发布”状态的信息则是经建设单位批准可以用于后续工程或运维的不可变更信息，将组成铁路资产信息模型的一部分。在铁路工程建设及交付过程中，基于云端协同的CDE既便于在设计交付与竣工交付阶段进行信息模型传递，又便于各阶段内基于信息模型的协同工作，为铁路设计变更环节提供新的技术思路。

3 京张高速铁路实践应用

京张高速铁路作为承载2022年北京冬奥会的重要交通基础设施，工期紧任务重，在建设过程中对组织、阶段及专业间的协同工作要求极高。通过在京张高速铁路项目上开展基于openBIM的应用实践，可以打通设计、施工、运维等全生命周期不同阶段的数据传输通道，建立建设、设计、施工等多方单位用户协同工作的BIM平台，将openBIM的理念扩展到项目管理的全生命周期中，从而提升BIM应用价值。

3.1 基于ISO 19650的协同工作流程实践

3.1.1 京张高速铁路组织管理架构

京张高速铁路项目由众多单位共同参与建设，项目参与方有10余家，项目的组织管理与协同难度极大。为此京张高速铁路的建设单位在第三方BIM咨询公司的建议下，依据ISO 19650标准建立了3层级的组织管理架构，京张高速铁路组织管理架构如图3所示。在京张高速铁路的组织管理架构中，由京张城际铁路公司担任委任方，设计单位及各施工单位作为主要被委任方，各专业设计团队及施工团队作为被委任方，同时清楚划分各级职责，为更好地执行项目协同工作奠定基础。

图3 京张高速铁路组织管理架构Fig.3 Organization and management structure of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

3.1.2 京张高速铁路项目信息需求

在京张高速铁路项目开展初期，为更好地执行标准化的信息管理流程，BIM咨询方依据ISO 19650标准确定了京张高速铁路项目的信息需求列表，包括铁路组织信息需求、京张高速铁路项目信息需求、建设信息交换需求和运维信息需求等，京张高速铁路项目信息需求如表1所示。

表1 京张高速铁路项目信息需求Tab.1 Information requirements of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway project

3.1.3 京张高速铁路协同工作流程

基于ISO 19650的协同工作流程在京张高速铁路四电工程的施工全过程中进行了试点应用，京张高速铁路四电工程协同工作流程如图4所示。由BIM咨询方代表建设单位建立四电各专业的施工信息需求，信息交付时间节点及CDE，然后结合信息交换需求制定招标计划。站后施工单位制定投标计划，其中附有BIM执行计划及各专业施工信息交付能力的评估报告。确认该施工单位中标后，施工单位建立详细责任矩阵并确定与各施工工区的信息交换需求，各施工工区制定BIM信息交付计划，交由施工单位汇总后制定主信息交付计划从而形成委任文件。在生成信息的过程中，施工单位负责整合资源和信息，并测试信息的生成方法和流程；各工区负责检查信息资源的可用性并生成信息，随后将生成的信息提交共享，由施工单位进行初步审核，审核通过后再交由建设单位进行审核，建设单位批准通过后信息归档并形成资产信息模型，同时从项目建设过程中总结问题，为后续工程施工提供经验指导。

图4 京张高速铁路四电工程协同工作流程Fig.4 Collaborative workflow for four electric/electronic systems engineering of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

相比于未采用ISO 19650标准的施工阶段，在四电专业的施工工作流程中，增加整合资源调动的环节，并且对各种信息交换的文件进行了更为明确的定义，从而提高了对各环节的管控能力。

3.2 基于CDE的京张高速铁路施工期 协同共享系统

在京张高速铁路的施工建设中以CDE为核心构建项目施工期的协同共享系统。该系统依托铁路工程管理平台在天津武清设立数据中心，采用集中服务器建立云端数据存储库。京张高速铁路施工期协同共享系统示意图如图5所示，每个专业的施工团队都建立独立通讯群组，用于团队内部的信息模型的传递与协同工作；同时建立共享通讯群组，以便各参与方进行跨专业的信息模型验证和检查。系统内各种流转的信息均以编码的形式归档留存，已完善的部分信息模型经建设单位审核通过后发布，可供项目各参与方在线使用。

图5 京张高速铁路施工期协同共享系统示意图Fig.5 Collaborative sharing system for construction period of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

京张高速铁路项目从建设期伊始就采用这一系统来实现各类BIM信息的协同共享。通过在京张高速铁路上对CDE的铁路特性化应用尝试，提高了各专业间的协同工作效率，并对施工期数据进行了规范化存储，为后期运维应用打下坚实的数据基础。

3.3 OpenBIM标准在京张高速铁路的实践应用

京张高速铁路在设计阶段就使用了铁路BIM联盟发布的铁路工程信息模型分类和编码、铁路工程信息模型数据存储等系列标准[12]，进一步规范BIM设计成果。通过采用IFC标准，实现设计成果向施工阶段的交付，为施工阶段开展BIM应用奠定基础。将设计单位通过MicroStation建模软件创建的地下站隧模型，通过IFC数据格式，导入研发的模型审查软件（Model Review Software，MRS），在施工期可根据openBIM标准实现设计模型的自动云校审，并在线生成相关报告，为施工期BIM应用创造条件。针对铁路工程建设阶段，MVD标准应用主要是根据铁路工程特点，产生多样性的可视化应用场景，以京张高速铁路地下站隧为例，MVD应用场景主要为隧道三维激光扫描、爆破仿真模拟及VR应用等， 其中八达岭地下站隧MVD应用场景如图6所示，图6分别为隧道三维激光扫描和VR应用场景。

在隧道三维激光扫描方面，建立了点云与信息模型融合的隧道开挖质量动态分析方法，将动态重构点云模型与BIM模型实时关联，通过对三维点云模型与BIM信息模型结合的隧道进行平整度及超欠挖动态分析，实现基于BIM的隧道关键工序施工质量实时精准管控及三维可视化质量管理[13]。在爆破仿真方面，通过对八达岭地下站隧爆破方案进行虚拟仿真优化，可进一步为施工人员进行事前施工模拟，同时对八达岭长城周边爆破震动进行实时监测和模拟，消除了工程建设对文物和环境的不利影响。在可视化VR应用方面，基于IFC数据格式BIM模型，通过光照调整、渲染优化和识别信息补充构建VR仿真虚拟场景，为旅客出行提供虚拟体验服务。

同时，基于IFC，IDM，MVD等系列标准，集成设计、施工过程信息，以BIM模型为数据承载体，首次以三维数字资产的方式交付给基于BIM的综合维修管理系统，京张高速铁路建设三维数字资产如图7所示。面向后期运维管理，基于COBie标准制定了运营阶段工务、电务、供电、房建等专业的信息交换模板423种，形成铁路基础设施运维信息模型数据标准[14]，涵盖运维阶段基础设施设备的基础数据定义，并向运维阶段移交了资产信息模型，涵盖设计期和建设期属性信息，为铁路行业的建维一体化管理起到重要支撑作用。

图7 京张高速铁路建设三维数字资产Fig.7 3D digital assets of construction period of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4 结束语

从铁路工程建设协调工作需求分析为出发点，结合国际BIM组织 buildingSMART提出的openBIM解 决 方 案，将ISO 19650和CDE融 入铁路工程行业进行应用，形成成套成体系基于openBIM的铁路工程建设协同工作模式，并在京张高速铁路开展工程实践，为国内铁路工程在国际BIM标准的应用上作出初步探索与验证，可进一步完善国内铁路BIM标准应用体系，结合国内铁路工程系列智能建造技术，为铁路精品工程、智能工程、绿色工程等目标的实现起到重要支撑作用。同时，能够积极响应“智能高铁战略研究”和“一带一路”建设发展需求，为我国高速铁路走出去创造条件。