铁路设计应用BIM的思考

逯宗田

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

工程设计是工程建设的龙头。在过去的20多年中，CAD(Computer Aided Design)技术的普及推广使建筑师、工程师们从手工绘图走向电子绘图。甩掉图板，将图纸转变成计算机中2D数据的创建，可以说是工程设计领域第一次革命。CAD技术的发展和应用使传统的设计方法和生产模式发生了深刻变化。把工程设计人员从传统的设计计算和手工绘图中解放出来，提高设计效率十几倍到几十倍，大大缩短了设计周期，提高了设计质量[1-10]。BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)是用来解决2D表达给建筑业进一步发展带来的挑战的，BIM将会给建筑等行业带来一次巨大变革[2]。建筑信息模型(BIM)使建筑、结构、给排水、空调、电气等各个专业基于同一个模型进行工作，从而使真正意义上的三维集成协同设计成为可能[1]。BIM建筑信息模型作为一个重要项目，早在“十一五”期间被科技部列入国家科技攻关计划，现阶段有了长足发展，铁路行业及铁路信号领域也应及时跟进，研究应用。

2 BIM及其应用

二维图纸作为产业链成员之间传递沟通信息的载体已经使用了几百年的时间，劳苦功高的同时，其弊端也随着项目复杂性和市场竞争的日益加大变得越来越明显。例如，即使图纸完全正确，施工或运营现场也还可能产生错误。引起错误的原因很多，但是其中一个最主要的原因就是现场人员对图纸的理解有误及获得的信息不正确，尤其是在时间要求很紧的情况下，这种理解错误发生的概率就更高。美国国家标准研究院(NIST-National Institute of Standards and Technology)2005年初发布的一份报告指出，仅仅由于项目成员之间数据互通性的要求而产生的成本就使建设项目效率降低6%左右。

BIM采用的是服务建设项目“从摇篮到坟墓”的思想方法[4]。BIM服务于项目完整的生命周期：把整个项目从概念到施工到运营到改建拆除的整个过程作为服务对象。而CAD只提供项目设计、施工和竣工的文档。

BIM产生的二维和三维图形是真正智能化的。BIM在设计阶段、施工阶段及运营管理阶段为开发商带来极大的效率和效益：设计师可以像用GIS那样查询BIM模型中的信息。BIM模型元素知道自己是什么，知道自己有哪些特性，同时能够模拟自己真实的状态。建筑师和工程师可以在一个真实的虚拟环境中进行设计以及看到各种设计成功地集成在一起。设计师是在真正地设计那些建筑系统和组装支持这些系统的数字，而不是仅仅放置图形。这些数据是在项目生命周期的过程中慢慢生长起来的，这些信息在其他系统(例如项目交付给客户)上的组织和繁殖也将是BIM组织的一个重要部分。

把BIM模型和进度计划软件的数据集成，让业主及团队能利用三维的直观优势，可以按月、按周、按天看到项目的施工进度并根据现场情况进行实时调整，分析不同施工方案的优劣，从而得到最佳施工方案[11]。 把BIM模型和施工方案利用虚拟环境作数据集成，便可以在虚拟环境中作施工仿真，对项目的重点或难点部分进行全面的可建性(Constructibility可施工性)模拟以及安全、施工空间、对环境影响等等分析，优化施工安装方案。

BIM的应用结合BIM模型、施工计划和工程量造价于一体，可以实现建筑业的“零库存”(限额领料)施工，最大程度发挥业主资金的效益[11]。

近十年世界各地的理论研究和工程实践证明，信息有效互用是BIM给建筑业带来的主要价值之一，应用BIM可以帮助消除上述额外成本的发生。

BIM应用为建筑业工业化不但解决了信息创建、管理、传递的问题，而且BIM模型、三维图纸、装配模拟、采购制造运输存放安装的全程跟踪等手段为工业化建造方法的普及也奠定了坚实的基础。建设项目的产业链包括业主、勘察、设计、施工、项目管理、监理、供应商、销售、运营商等，一般的项目都有数十个参与方，大型项目的参与方可以达到几百个甚至更多。对工程的各个参与方来说，减少错误对降低成本都有很重要的影响。而因此减少建造所需要的时间，同时也有助于降低工程的成本。应用欧特克建筑资讯模型著名成功案例有德国慕尼黑的宝马世界(BMW Welt)、梅赛德斯-奔驰博物馆(Mercedes-Benz Museum)，以及位于斯图加特的保时捷博物馆等许多世界知名案例，均为使用该项技术来完成整个设计项目[2]。2008年北京奥运会的“奥运村空间规划及物资管理信息系统”即采用了以BIM建筑信息模型为基础的数据信息管理。设计师将奥运村空间规划及设施以三维图形方式处理并创建BIM建筑信息模型数据，在完成奥运村空间规划的同时，就自动产生与奥运村三维图形对应的奥运村物资、设施数据库，这确保了奥运村的资产管理、物流服务直观、准确、高效。该信息管理系统以BIM为基础，同时配合专业的协同作业软件，使得奥运村的空间规划、物流服务可以实现在线设计与管理。

目前在国外很多国家已经有比较成熟的BIM标准或者制度了。

3 铁路设计与BIM

3.1 应用BIM的必要性

设计单位用BIM的目的是从业主那里拿到设计项目，然后又好又快地把设计任务完成。实际上，BIM就是通过数字化技术，在计算机中建立一座虚拟建筑，一个建筑信息模型就是提供了一个单一的、完整一致的、逻辑的建筑信息库。BIM不仅仅是另外一个工具或者甚至就是另外一套CAD软件，事实上BIM是一个过程，在这个过程中建立了一个包含信息的模型，用来回答生命周期中关于这个项目的所有问题。BIM数据超越了设计过程，在整个项目生命周期中不断壮大，特别是在运营和维护阶段。因此，设计单位应用BIM有以下几方面的优点。

(1)提高设计水平和设计质量。如，方案设计阶段，使用BIM技术能进行造型、体量和空间分析外，还可以同时进行能耗分析和建造成本分析等，使得初期方案决策更具有科学性；初步设计阶段，建筑、结构、机电各专业建立BIM模型，利用模型信息进行能耗、结构、信息流变化等分析，进行各种干涉检查和规范检查，以及进行工程量统计；施工图阶段，各种平面、立面、剖面图纸和统计报表都可从BIM模型中得到。

(2)提高协同作业能力。设计需要几个、十几个甚至几十个专业协调，包括设计计划、互提资料、校对审核、版本控制等；BIM主要协调不同专业设计师的情况，包括建筑、结构、机电、造价、绿色、数据、通讯、安全等，保障高质高效提供各类设计图纸，以及为了实现这个目的和业主的沟通交流，和承包商的施工配合等。

(3)设计工作重心前移。目前设计师50%以上的工作量用在施工图阶段，以至于设计师得到了一个无奈的但又名副其实的称号——“画图匠”，BIM可以帮助设计师把主要工作放到方案和扩初阶段，恢复设计师的本来面目。

(4)提高市场竞争力。工程总承包是建设市场发展的必然趋势和客观要求。我国绝大多数勘察设计与施工集团企业不具备完善的总承包管理体制和完整的项目管理体系，在咨询设计能力、计算机应用能力、技术支持能力、合约管理能力、专业施工协调能力以及相应的资金运作能力和融资能力等关键能力与国际工程总承包商相比有较大的差距。

3.2 需解决的问题

首先要领导重视，没有领导的重视，一切都无从谈起。

其次要组建好团队。合适的团队是保证计划得以成功实施的战术关键，通常需要BIM经理、技术主管和设计师。BIM经理不能承担具体的生产任务。技术主管不能同时是BIM经理。设计师也不能承担技术主管的职责，设计师的任务就是做设计。设计师是指设计BIM模型的建筑师和工程师，必须是承担具体的生产任务的那些人。

第三要明确目标。为BIM项目模型定义实际的目标，然后在以后的项目中逐步提高目标。最最重要的是要定义清楚客户从BIM流程中需要的东西，每个项目结束以后，和客户讨论分析成功和问题，要做好逐步积累。BIM是一个逐步累进提高的过程，不能指望第一个项目就有一个完全成熟的产品在整个生命周期中使用，对于任何新流程和新技术来说，都得先学会爬，再学会走。

第四要做好协同设计。协同设计最基本的要求就是统一标准，否则无法实现信息共享。在国外，一些大型设计公司都在行业标准的基础上制定自己的CAD制图标准。而我国目前只有手工绘图时代的制图标准，缺少行业统一的制图标准或者制图规则，不仅导致设计公司之间难以交流，而且由于基于CAD的二次开发软件公司没有统一的标准，设计单位在使用这些二次开发软件绘图时更造成了标准在公司内部的不统一，最后导致在项目中图层、字体、色彩、工作方式、精度等很难统一。国外早已实现了协同设计，现在只是从二维转向三维，而我国则要同时完成从二维向三维及协同设计的升级。

3.3 铁路信号与BIM

目前国内铁路信号设计仅限于二维的CAD设计模式，并且行业特点突出：(1)专业性强，局限性大;设计软件少，适用范围小;(2)协调性差，资源共享度低;(3)强、弱电信号信息瞬时动态变化，系统及场景模拟非常困难;(4)系统直接涉及行车安全;(5)系统复杂，信息量大。

根据国情与行业实际，结合专业领域现状与特点，提出铁路信号领域项目设计应用BIM的基本思路：转变传统设计思路，应用BIM技术和方法建立信号专业信息模型，实现从二维图纸到三维图纸的设计转型；建立、完善相应的标准和制度。

铁路信号设计应用BIM应从行业和专业两个层面、分多个阶段逐步实施考虑。

(1)明确认识，转变思想。一要清醒的认识到BIM在国内外各行业发展的不平衡，更要看到国内铁路行业的应用几乎为零的现状。二要清醒地认识到BIM是从二维图纸到三维设计和建造的信息革命，为工程设计领域带来了第二次革命。因此，一定要从传统设计思想中跳出来，尽早完成从信号专业传统设计思想向BIM思想的转变。

(2)建立专业信息模型。BIM(Building Infor-mation Model)——建筑信息模型十分丰富，国外很多国家已经有比较成熟的BIM标准或者制度，机电专业的信息模型也有不少，但铁路信号专业的信息模型目前还是空白。首先应组建好模型设计团队。然后做好总体规划，制定计划，明确目标。既考虑专业与行业对接，也要考虑行业与国内国际对接。由于行业和专业特点，铁路信号专业的信息模型的建立任重道远。应该奋起直追，尽早着手基础性工作，学习借鉴建筑信息模型思想，一步一个脚印，完成专业信息模型建立。

(3)逐步实现设计转型。以新的平台和手段，为业主、勘察、设计、施工、项目管理、监理、供应商、销售、运营商等，提供服务于项目完整的生命周期的有效信息。具体目标如下。

第一步，完成设计转型。应用BIM技术和方法，完成铁路信号设计从二维转向三维的转型；将专业设计融入项目设计，实现协同设计。完成铁路信号设计从专业到行业的协同设计转型。

第二步，实现信息共享。对专业之间的协调问题、设计施工之间的协调问题和业主由于理解偏差等问题进行协调，生成协调数据，以便共享，解决掉这些问题。减少甚至消除因信息不共享造成的额外成本发生。

第三步，做好优化方案。在整个设计、施工、运营的过程中更好地优化项目方案。

第四步，实现专业信息模型可视化。第一阶段，使信号项目设计与建设、施工、监理及运营维护过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。在设计阶段的模拟实验设备布置安装、系统运行。减少以至于消除“差、错、漏、碰”，提高设计质量；减轻劳动强度；降低设计成本。第二阶段，实现专业信息模型与实际应用系统瞬时动态信息的结合目标，实现真正意义上的专业信息模型的可视化。

第五步，进一步提高服务质量。在工程建设与管理活动中应用4D(3D+时间)及5D(3D+时间+成本)技术和方法，协助行业由经验管理方法提升为科学化管理方法：如为施工方提供模拟服务，也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而来确定合理的施工方案来指导施工，减少窝工及返工等，更好地实现成本控制等；为业主提供模拟服务，减少工期延误，降低人、财、物的浪费，合理控制投资，提高工程质量。

(4)制度建立。逐步积累过程经验与教训，建立、完善制度，规范行为。

(5)完成工程设计、咨询的国际对接。全面实施“走出去”战略。

4 结语

BIM建筑信息模型的发展，不仅仅是现有设计技术的进步和更新换代，它也将间接表现在生产组织模式和管理方式的转型，并更长远的影响人们思维模式的转变。BIM这场信息革命，对于工程建设从设计、建造、加工、施工、销售、管理等各个环节，对于整个工程建设领域都将产生深远的影响。

[1] 何关培.BIM—建筑业的信息革命[EB/OL].2009-05-06. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=2463．

[2] 何关培.BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社，2011．

[3] 何关培，李刚.那个叫BIM的东西究竟是什么[M].北京：中国建筑工业出版社，2011．

[4] 何关培.BIM的重要内容[EB/OL].2010-04-11. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=2423．

[5] 何关培.设计院的BIM不是业主的BIM[EB/OL]. 2009-08. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=1332．

[6] 何关培.检验BIM的五大标准[EB/OL].2009-08-22. http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=1055．

[7] 王晓玲.欢迎进入四维时代[EB/OL].转自：《商务周刊》2009-08-07.Ppt中国BIM门户—chinaBIM.com

[8] 麻煜，王博.BIM在创新型中小设计企业的应用经验[EB/OL]. 2012-03-06.RLu中国BIM门户—chinaBIM.com

[9] yang jing.基于设计施工一体化的信息化研究[EB/OL].公路交通技术，2006，8，4 qZz.中国BIM门户—chinaBIM.com

[10] Autodesk.美国加州运输局用BIM软件开展道路和高速公路设计项目[EB/OL].2011-07-13.ubM中国BIM门户—chinaBIM.com

[11] 何关培，李刚.BIM应用将给建筑业带来什么变化？[ M/OL].2010-05-10.http://www.shejitong.com/space.php？uid=167&do=blog&id=2467