基于BIM+GIS的铁路四电工程智能建造方案研究

赵正路，韩月楼

（1.中铁电气化局集团公司 科技创新部，北京 100036；2.中铁电气化局集团公司 生产技术管理部，北京 100036）

铁路四电工程的施工阶段存在较多因施工周期缩短、设计图纸深度不够、专业交叉复杂而导致的施工质量问题[1]。目前，BIM（Building Information Modeling）技术在铁路四电项目中的应用还未贯穿于工程项目全过程，其主要原因有：（1）BIM建模过程的专业化导致建模时间较长，特别是在四电项目有效工期较短的情况下，存在建模进度与施工进度脱节的情况；（2）部分设计资料、过程资料、竣工验收资料、BIM模型等数据统计集成需要大量BIM专业人员实时更新、维护模型数据[2]；（3）铁路四电工程管理的基础数据没有达到BIM要求的精细化程度，缺少设备安装地理位置信息，造成项目管理数据与BIM之间的数据不互通。目前，国内鲜有具有统一标准体系的铁路四电工程施工管理平台，严重制约了BIM技术在施工现场的应用推广[3]。

本文设计基于BIM+GIS（Geographic Information System）的铁路四电工程智能建造方案，应用BIM族库构建、参数化建模、轻量化、BIM+GIS等技术，实现了铁路四电施工项目的数字化交付。

1 方案设计

本文以铁路四电建造过程为时间横轴，明确BIM在铁路四电工程建造过程中的应用时间点与作用，建立BIM构件数据与工程管理数据映射架构，使施工日志与BIM构件之间信息互通，实时将项目管理要素、生产要素信息记录在BIM构件信息上，设计通过铁路四电施工项目管理平台与项目实施过程深度融合，减少对专业BIM技术人员的依赖，最终实现铁路四电工程项目的数字化交付。整体方案如图1所示。

图1 整体方案

（1）施工阶段在收到设计阶段提供的施工图后，应用BIM构件族库与BIM参数化建模技术，实现项目由二维图纸向三维模型的转变[4]；

（2）形成的项目三维模型通过应用BIM轻量化及BIM+GIS技术，实现三维模型的轻量化并与实际地理位置相结合，解决项目BIM占用内存大、与实际地理位置有偏差等问题；

（3）将形成的BIM+GIS轻量化模型与建设过程中的生产要素（人员、物料、机械等）和管理要素（进度时间、质量验收、安全管控、成本等）信息挂接，并接入基于BIM+GIS的铁路四电项目管理平台中；

（4）形成包含施工生产管理要素及生产要素的施工全过程数字化模型，交付给运营维护（简称：运维）阶段使用。

2 技术架构

基于BIM+GIS的铁路四电工程智能建造技术架构如图2所示。通过建立四电设备BIM构件族库，直接调用族库数据 ，并根据实际情况修改参数；通过参数化建模，将二维的施工图纸通过参数表快速转换成项目初期需要的三维模型；通过构建BIM+GIS管理平台，实现BIM及GIS数据的在线轻量化和可视化。

图2 基于BIM+GIS的铁路四电工程智能建造技术架构

2.1 铁路四电BIM族库构建

铁路四电工程项目构件具有分类冗杂和数量庞大等特点，且BIM模型搭建过程有资源共享和大数据管理的实际需求，在建施工项目竣工移交的模型精细度等级不宜低于LOD 3.0[5]。统一的铁路四电BIM构件族库的建立，是将所有铁路四电工程项目涉及到的实物构件进行建模，并根据IFC标准进行分类。项目的三维模型搭建即基于各类构件的组合，将各类构件载入到三维绘图平台环境中进行布局、放置及修改属性等操作，实现二维图纸向三维模型的快速转变。BIM族库可显著提高模型的统一性和完整性，为后期模型维护及下阶段使用提供保障。技术架构如图3所示。

图3 铁路四电BIM构件族库技术架构

（1）基础数据层将以施工图构件模型为单元的施工图工序分解为数据基础，利用私有云服务器、BIM族数据库及PC端存储数据；

（2）系统管理层设置了用户、权限、加密及专业管理，以保证族库的安全性、便捷性；

（3）功能应用层具有常规上传、下载、分类、数据统计与检索、调用，以及构件模型的审核与加密、云端存储、本地备份等功能；

（4）外部融合层负责与多种BIM软件兼容，构件可提供给目前主流的BIM软件调用，使族库更具有通用性。

2.2 BIM参数化建模

参数化建模是将同一类构件的参数信息，通过表格的方式实现批量建模。BIM参数化建模不仅可以通过创建和修改构件的几何、材质、通用信息等参数，获得精准的模型，将建筑物直观展现出来；还能对碰撞检测、空间、结构静力、动力等数据进行分析。

本文采用BIM参数化建模技术将族库中相同的BIM构件，按照可以量化描述的路径或位置参数摆放，实现BIM模型的批量、快速生成。

2.3 BIM+GIS管理平台

BIM的建模和加载通常需要Revit等专业软件来实现，存在服务器资源占用大且加载速度慢等问题。为提高加载和响应速度，可通过轻量化技术实现BIM模型在浏览器端的加载[6-7]。BIM轻量化技术是在不改变模型和数据文件结构属性的基础上，通过算法将模型数据重构，缩小BIM模型体量，使模型数据便于提取使用。

本文设计基于模型轻量化技术的BIM+GIS管理平台（简称：平台），通过大体量BIM模型轻量化引擎、海量数据分析处理、参数化驱动等关键技术，实现BIM、GIS、倾斜摄影模型、视频源和工程建设等海量多源、多主题、异构时空数据融合的集成展示，从而满足不同管理部门、不同层级用户的三维可视化、数字化、全要素信息精益化管理需求。

3 平台功能

3.1 模型快速生成

根据IFC分类标准，对铁路四电工程设施结构进行逐级拆分，对拆分后的最小构件单元进行参数化建模，建模参数包含构件材料、尺寸及安装位置信息。通过平台将施工图的平面布置图信息参数化，形成Excel表格，表中数据由项目技术人员直接填报。参数表导入平台后，平台可自动生成对应图纸的三维模型，具体包括：根据KML地理信息数据和站前单位路基、桥梁、隧道的里程坐标进行路桥隧的快速生成，快速搭建铁路线路模型；根据设计安装图快速识别BIM构件的类型型号，结合平面布置图纸相对应的坐标信息、安装图号，调用BIM构件图元库中的图元，依据参数化生成算法快速生成BIM+GIS模型。

模型生成后，平台通过土建单位的接口进行碰撞检查，规避设计、施工失误造成的误差，实现接口可视化管理、快速定位、缺陷整改管理和数据综合集成展示。

3.2 施工生产要素管理

施工生产要素主要包括人、机、料等信息，在项目建造过程中通过与BIM模型构件间的数字互通，将所有生产要素的活动记录在BIM构件信息上[8]。

以物料信息为例，在结合BIM构件模型提料时，平台可生成物料二维码，物料出厂时带有独立二维码，由生产者将物料生产信息录入二维码中，连同生产运输、验收入库、物料提料等信息挂接到平台BIM模型构件上。现场安装时，工作人员通过扫描二维码，填写实体构件的安装、检测、验收等信息，并将信息同步到平台上。

此外，施工测量、工程计算、仿真模拟、智能预配等信息均可通过设备或人员与平台进行互通。

3.3 BIM插件化应用

将BIM应用按主要和辅助对平台功能进行划分，主要功能是实现项目三维建模的必要功能，包括BIM族库构建、参数化建模、BIM+GIS轻量化等；辅助功能是用于项目优化的可选择性功能，包括碰撞检查、预配数据互联、模拟施工、装备数据互联、电子围栏等，通过插件的形式，实现平台的可灵活拓展，如图4所示。

图4 BIM插件功能示意

4 方案应用

基于BIM+GIS的铁路四电工程智能建造方案已在集通（集宁—通辽）、贵南（贵阳—南宁）、天津—大兴等铁路四电工程项目建设过程中得到应用，实现了建造过程中生产要素及管理要素实时数据与BIM构件数据的对接，形成了BIM+GIS数字化交付模型。应用示意如图5所示。

图5 BIM+GIS智能建造方案应用示意

5 结束语

本文设计铁路四电工程智能建造方案，将铁路四电BIM族库构建、参数化建模、BIM+GIS模型轻量化等技术应用于项目实施过程中，实现铁路四电工程项目的数字化交付。通过设计BIM+GIS管理平台，实现了项目生产要素信息、管理要素信息与模型间的信息交互，为铁路四电工程智能建造及精细化管理提供技术支撑。后续将继续丰富BIM插件化功能，推进机械化施工与机械数据的自动收集、传输，以降低人力成本、提高工作效率。