基于BIM的铁路工程单元虚拟建造关键技术研究

朱 一

（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）

近年来，BIM（Building Information Modeling）技术被广泛应用于建筑行业，贯穿于项目规划、设计、施工、运营维护等全生命周期，在为参建各方提供协同工作平台、提高生产效率和建筑质量、节约成本并缩短工期方面有明显效果[1]。利用BIM技术在铁路工程施工阶段前期对施工全过程进行虚拟建造，有利于验证施工方案的可行性并加快决策速度，从而切实提高工程建设效率。

目前，已有众多学者在BIM虚拟建造方向做了相关研究。王胜军[2]提出了一套基于BIM 4D虚拟建造技术的施工进度管理方案，实现了施工信息的高效整合，为施工进度管理与进度优化提供依据；王孟钧等人[3]基于BIM和地理信息系统（GIS，Geographic Information System），从模式、方法及实现过程对BIM和GIS技术集成的有效途径进行分析，从设计界面、虚拟建造和协同平台3个维度探索我国智慧城市与城市轨道交通发展路径；曾昊等人[4]提出基于BIM的铁路隧道附属洞室设计方法，配合BIM软件的二次开发，有效地打通隧道设计上下游数据，显著提升隧道设计智能化水平；彭涛[5]研发并设计了基于.NET6技术的铁路BIM可视化综合应用系统，通过工业基础类（IFC，Industry Foundation Class）文件解析转换、数模分离及属性数据存储等技术，实现了BIM解析、部署、应用一体化及动态场景演示等功能。以上研究均为BIM在铁路行业的信息化建设作出了有益探索。

本文基于以上研究，针对铁路施工专业特点，提出基于BIM的铁路工程单元虚拟建造关键技术研究，通过文档流程引擎、电子沙盘动态更新及基于BIM的仿真模拟等技术，为BIM在铁路工程的全面应用提供支撑。

1 铁路工程单元划分

铁路单位工程是按一个完整工程或一个相当规模的施工范围来划分的，为形成铁路工程施工标准化流程，根据施工工艺、建设要求及管理要求等因素，把铁路工程按功能、专业、工项、构件等进行单元划分，示例如图1所示。

图1 铁路工程单元划分示例

根据BIM构件标准化的思路，对铁路站前各专业及站后四电专业的标准构件进行面分类法分类。其中，将站前专业构件分类分为两级，第一级按照专业类别进行分类，如铁路工程共享专业及路基专业等，每个专业内再依据中国铁路IFC 标准从构件功能角度进行分类；将站后四电专业构件分类分为两级，第一级按照四电专业内的各个子专业进行分类，如公共类型专业及通信专业等，每个子专业内再依据中国铁路 IFC 标准从功能角度进行分类。施工单元对应于BIM模型构件，依据分类后的数据构建BIM构件库，实现BIM构件的标准化管理，为设计成果的规范化交付提供数字化条件。

2 基于BIM的铁路工程单元虚拟建造技术路线

虚拟建造是应用于施工过程模拟与分析的数字化、可视化方法，本文在对铁路工程单元进行划分的基础上，提出基于BIM的铁路工程单元虚拟建造技术路线，如图2所示。

图2 工程单元虚拟建造技术路线

（1）基于BIM技术，以零部件为基础，对重点施工单元进行精细化建模；

（2）从空间结构及功能需求方面对施工单元的模型进行优化；

（3）根据既有工艺工法及施工进度计划，跟踪推演重点单元的施工过程；

（4）BIM 模型与进度计划导入 CarsView 图形引擎，开展虚拟建造；

（5）改进、优化流程并评估其可行性，进行虚拟建造成果展示[6]。

与传统施工单元优化相比，基于BIM的虚拟建造单元优化通过将BIM与施工进度信息融合，开展单元施工模拟，检查进度计划的时间参数是否合理、工作间的逻辑关系是否准确等，可对项目的进度计划进行全面检查和优化。

3 关键技术

3.1 文档流程引擎

文档流程引擎技术[7]用于实现文档的创建、流转和归档，支持文档办理的在线留痕，同时，依托成熟的存储系统和文档元数据管理，完成文档的可靠存储和基于元数据的高效检索。铁路工程涉及的文档具有类型多、数据量大、业务复杂、关联性强、接入应用多、管理变化快等特点，因此本文从文档最基础的特性入手进行文档总线的分析和设计，同时在设计过程中根据铁路行业业务特点，充分考虑灵活性与扩展性，研究适用于铁路行业的资料管理技术。流程引擎包含以下核心组件。

（1） 流程设计器：用于创建和编辑业务流程图，可以通过可视化的方式定义流程步骤、条件和分支。

（2） 流程执行引擎：用于执行业务流程，自动执行流程步骤、检查条件和分支，并根据流程定义进行处理。

（3）流程监控工具：用于监控流程的实时状态和进度，提供跟踪和诊断工具，以便快速发现和解决问题。

文档流程引擎技术架构如图3所示。

图3 文档流程引擎技术架构

从底层的数据库及文档文件的商用存储系统中获取数据，通过工作流引擎、文档存储服务、电子签章服务、Office插件等屏蔽底层细节，从而实现包括文档创建、流转和归档的业务功能。

基于文档流程引擎技术，可将铁路工程建设项目各方单位（包括建设单位、参建单位等）基于文档的线下管理流程转至线上Web端进行，大大节约了文档传送和审批的时间，简化了操作流程，提高了工作效率。

3.2 电子沙盘动态更新

电子沙盘将传统的二三维展示进行了极大的改良，无论在展示方式、展示手段及展示效果上都有众多创新，为使用者提供一种全新的交互体验[8]。电子沙盘通过真实的三维地理信息数据，实时动态查找每一个点的地理信息，如三维坐标、高度、坡度及远景规划等信息。

基于虚拟建造的电子沙盘融入了轻量化BIM模型和倾斜摄影模型，结合GIS数据，实现虚拟场景建造。通过数据接口接收设计及施组信息，并以数据驱动电子沙盘进行实时更新，展示最新的施组计划、施工进度及设计工程量等信息。电子沙盘支持对工程实际环境和构筑物快速查看，进行一系列如施工进度、工艺工法、属性、检验批、工程影像、工程量、飞行预览、标绘、测量、分析模拟（阳光、雨、雪）、视频监控等浏览和操作。

3.3 基于BIM的仿真模拟

对BIM数据进行轻量化处理，结合GIS技术将现实中的地理空间位置赋值于 BIM数据，通过SuperMap iServer存储和发布，构建铁路施工的三维仿真场景，实现项目的数字孪生。在此过程中，主要涉及以下几个步骤。

3.3.1 三维建模

利用倾斜摄影技术，通过搭载倾斜摄影设备的无人机进行航拍获取施工现场影像数据；对获取到的航空倾斜影像进行高精度三维尺度空三处理，提取有效视角像对进行点云匹配，并以此构建三角网，在经过一系列对三角网的过滤和优化后，从倾斜影像中选取最佳视角图片用于三维模型的纹理生成；将模型中的重要构筑物进行单体化处理，并与设计模型进行融合，生成一个集成了 BIM 数据的三维场景，促进模型迭代更新和数据完整传递。

3.3.2 三维协同设计

通过Bentley三维协同设计平台，实现各专业间的数据实时共享和协同工作。具体步骤包括：三维模型的建模与组装，实现设计的规范化及统一性；将模型导入OpenRoads Designer进行碰撞检查并对模型进行优化，防止模型间的错、漏与碰撞；形成数字化模型，并能对模型信息进行精确分类统计，以此获得高效精确的设计成果。

3.3.3 成果集成展示

将BIM模型用于3D可视化，需要对其进行轻量化处理及外观优化处理。对处理后的模型按照IFC标准组织数据， 或者转换成OBJ、DirectX、OSG等成熟的三维引擎支持的格式。模型展示模块采用 ActiveX 控件，可展示轻量化模型信息、模型视图、对象效果、场景剖切、测量和标注。同时，可通过标准化接口自动录入模型构件属性，并可手工对构件属性进行增、删、改等编辑操作。

4 研究成果应用

本文研究的基于BIM的铁路工程单元虚拟建造技术现已应用于某铁路线路实际施工中，应用效果如图4所示。

图4 研究应用成果展示

（1）综合展示电子沙盘，融入轻量化 BIM 模型和倾斜摄影模型，结合 GIS 数据信息，实现虚拟场景建造，可在其中对工程实际环境和构筑物进行快速查看、修改等操作。

（2）施工进度管理和施工台账，可按照需求编制施工计划，挂接对应 BIM 模型，自动生成甘特图，体现关键线路，根据结构分层级，实现更加自主和精细化的管理；可保留修改计划的历史记录，做到可追溯；可对每一项计划提出派发和完成要求，实时完成，实时闭环。

（3）三维技术交底和虚拟样板的结合，使得施工人员无论是在 PC 端还是在移动端都能更加形象、方便、容易地去理解，加速施工的质量、安全和效率。

5 结束语

本文研究基于BIM的铁路工程单元虚拟建造技术，详细阐述文档流程引擎、电子沙盘动态更新、基于BIM的仿真模拟等关键技术，将其应用于铁路工程实际施工，验证了该技术路线在铁路行业的适用性。未来将采集更加多源的数据并整合管理，从而进一步增强 BIM 技术在铁路工程中的应用广度和深度。