BIM技术在轨道交通的应用探讨

■ 王玉泽

BIM技术在轨道交通的应用探讨

■ 王玉泽

随着铁路设计的快速推进，如何保证设计、施工的质量以及今后的轨道交通的运维安全是目前轨道交通各方面相关人员迫切关心的问题。在建筑行业，随着BIM技术的迅速发展，解决了建筑行业诸多问题，铁总也在大力推广BIM技术，由此，在轨道交通领域引入BIM技术成为必然。详细讨论BIM技术在轨道交通规划、设计、施工、运维阶段的应用情况及在应用过程中需要注意的问题，重点阐述BIM技术在轨道交通全生命周期应用的关键技术要点，即大数据管理、BIM技术与GIS相结合、轨道交通BIM相关标准等。

BIM；轨道交通；全生命周期；大数据；规划阶段；设计阶段；施工阶段；运维阶段

1 概述

随着城市化进程的加快，以及城市交通问题的日益突出，目前我国已经进入城市轨道交通快速发展期。在地铁建设方面，主要有北京、上海、天津、广州、长春、重庆、武汉、深圳、南京等开通了城市轨道交通线路，全国48个百万人口以上的城市中，有超过30个开展了城市轨道交通的相关工作。同时，城市间高铁、城市圈之间的城铁等的建设也在加速进行。特别是近年来，铁路投资力度加大，铁路建设的步伐大幅提速，接踵而来的轨道交通设计、施工质量等是迫切需要解决的问题。

轨道交通工程是巨大的、综合性的复杂系统，其投资额巨大，建设周期长，参与方在项目中的不确定性比较高，对轨道交通的管理难，在整个轨道交通生命周期中产生的信息量大且复杂、形式多样、信息流通不畅，普遍存在“信息孤岛”的现象，因此导致轨道交通的管理水平和管理效率低下，建设质量也无法得到保障。而在建筑领域，应用BIM技术解决了在设计、施工、运维以及管理等方面的诸多问题。将BIM技术应用到轨道交通领域成为必然。但是在应用的过程中发现，推行BIM技术比较困难，具体体现在如下几个方面：

（1）割裂的行业结构：轨道交通涉及的专业多，参与人员相对较多，导致专业接口多，管理复杂化，信息很难在整个项目中形成闭环，信息流失严重，造成重复和浪费。

（2）行业标准不完善，没有对应的标准，信息无法集成。

（3）对轨道交通信息化管理的认识不够，导致推动压力大。

（4）BIM人才匮乏，特别是轨道交通行业需要复合型人才。

（5）政府、业主等对BIM技术的政策引导不够，导致推进没有动力。

纵观目前的轨道交通行业可以看出，轨道交通行业设计、建设、运营相分离，并且信息在传递的过程中仍然采用传统的二维图方式，设计过程中产生的信息量无法完全传递，导致在建设施工、运维中的信息缺失。BIM技术在设计阶段建立设计BIM模型，在建设过程中录入项目的土建、机电设备等相关信息，形成施工BIM模型乃至竣工BIM模型，打造一个融设计、建设、运营等阶段的全生命周期的数字化、可视

化、一体化系统信息管理平台，提升项目建设水平，做到精细化建设管理，为后期运维与资产管理服务。

2 BIM在轨道交通全生命周期的应用

BIM技术在轨道交通全生命周期的应用主要涉及到规划、设计、施工、运维、拆除等方面，下面从规划、设计、施工、运维这几个方面进行阐述。

2.1 规划阶段的应用

通过工程测量等手段获取工程设计相关的信息，如地质、空间等信息，然后运用三维地质建模软件建立三维地质模型，进而在此基础上运用BIM与三维GIS相结合的方式实现轨道线路的三维选线（见图1），找出轨道交通最合理的一条或者几条走线方案，供相关方决策。

2.2 设计阶段的应用

在设计阶段前期，主要体现在进行协同设计，充分发挥BIM相关软件在协同设计方面的优势，使分布在不同地理位置的不同专业的设计人员通过网络展开协同设计。其他相关人员如复核、审核等，只要有相关的权限，可以从模型上获取相关设计进度等信息，也可以对设计的模型提出修改意见，提高设计质量和设计效率。

在设计阶段中后期，主要利用集成软件如Navisworks等软件，对模型进行管线碰撞检查（见图2）、大型设备后期安装等设计研究，从而优化净空、优化管线排布方案、优化工程设计，减少在施工阶段的错误损失和返工的可能性。

利用BIM技术在设计阶段解决在施工阶段常见的问题：消除管线碰撞；进行4D、5D的施工模拟；进行力学分析；光学分析以及交通模拟等；并对发现的问题进行修改、完善，以求设计达到最优，从而提高设计和施工质量。

图1 基于BIM的轨道交通规划

图2 管线的碰撞检测

图3 BIM综合管理平台

2.3 施工阶段的应用

在施工阶段，首先利用设计BIM模型，加上时间、成本等属性，在虚拟环境中进行轨道交通施工的模拟，以四维乃至五维的直观方式对施工重点、难点方面进行细节上的模拟，找出最优的施工方案，从而优化施工方案。

在项目的管理过程中，进行项目管理平台建设（见图3），主要采用B/S模式，协调项目中的各方进行施工、运营条件的检测，并制定BIM竣工模型标准，方便以后业主的运维。在项目管理平台上，设备供应商凭借相关的权限进行产品信息以及设备运维参数的录入。施工方凭借相关的权限将每天工程进度、成本、在施工中存在的问题等进行上报（即电子施工日志的上报），并跟踪施工进度，同时，处理并反馈监理方提出的意见或建议，并上传到服务器。监理方主要通过现场、摄像头或者手机拍摄等针对

工程质量、进度的合理性等进行管理，并在平台上提出意见，并对下一步的施工计划进行预测并上传到服务器，供相关方参考。目前，随着科技的发展，也出现了很多新的技术，监理人员通过移动设备等将现场扫描的施工现场情况上传到服务器（见图4），通过相关手段进行施工现场的还原与比对，进而对施工质量、施工进度等进行评价，供施工方、业主、设计方参考。

在该平台上，设计单位负责设计变更管理以及发布设计变更信息，并对施工方提出的意见进行反馈等。部分权限较高的人员，如监理经理或者施工方经理以及业主等，只要能上网，便可以通过网络（含移动设备）登陆到项目管理平台对项目的情况进行实时查看（如摄像头等实时查看），并可以查询到项目进展情况并提出自己的意见。项目各参与方通过项目管理平台组织协调，极大地提高了建设进度和建设效果。

现在国内大型工程大多采用基于EPC（设计施工总承包模式）模式进行项目的组织和管理，设计BIM模型可以很好地为施工企业服务，但是此BIM模型的价值没有很好地体现。如在运维中，业主未参与到BIM设计中，导致业主运维的BIM模型与施工BIM模型相差很大。一些学者和专家提出了IPD（集成交付模式）模式，即业主设计施工集成交付模式。目前，IPD模式得到了一些人认可，但是由于与大家熟知的EPC有一定的区别，因而应用较少，但是前景广阔。

在EPC模式中，设计企业可采用图5所示的信息化框架进行内部信息化的组织。

2.4 运维阶段的应用

在轨道交通项目中，一般是建立BIM轨道交通设施资产管理及运营维护管理系统。该系统利用竣工BIM模型将设施资产管理与设备运维管理集成到三维可视化平台，并结合物联网技术，将各设备的使用情况纳入到系统的管理范围，进行现场管理。

功能主要包括设备、设施等的资产管理、应急预案管理以及维修记录、行车日志等。设备设施等的资产管理主要是对设备的管理，如设备型号，保质期、维护方式、维护人、电话等以及对这些信息的查询、统计等；应急预案管理主要功能是，对设备保质期快到进行报警，或者设备出现问题如何找到合适的解决方案。运维管理系统（见图6）会保存部分设备的安装、拆除等视频，供管理者查阅；运维人员也可以通过现场（采用移动设备等）进行扫描二维码的形式，通过运维管理系统查找到相关设备，并查找该设备的所有信息，进行维护。

图4 通过移动设备对施工现场进行拍照

图5 EPC企业的信息化框架

图6 基于二维码的设备定位及管理

总之，运维管理系统可以调用设备设施的三维模型、设施使用手册、运行参数、保养周期以及相关的操作视频等信息，消除查阅纸质

文件的不便；运维工单与维修人员和备品库存管理联动；应急工单与应急人员和物资联动，提高运营可靠性和应急处理能力。再通过结合维修记录、行车日志、财务信息、客流信息等信息，整条轨道交通路线的运行情况、维护成本等信息也可以计算出来，并可以以此进行车次等的调度计划的决策等。

3 BIM技术在轨道交通应用的关键技术要点

轨道交通的BIM应用应该是一个全生命周期的，它不仅包含建筑物构件的几何信息、专业属性、状态属性，还包含非构件对象（如GIS系统所包含的空间信息以及时间信息等）的信息。针对这么大的数据信息如何在一个平台上进行显示，也是目前亟待解决的问题，目前很多设计院在此方面还是针对点状的试验，如仅仅是以站房为点，向周围拓展几百米或者以桥隧等为中心向周围拓展几百米。这样一来看似解决了轨道交通上面的所有问题，实则不然，主要体现在如下几个方面：

大数据管理的问题。如果是整条轨道交通全部进行BIM化，则存在很多、很大的数据，如何对这些数据进行行之有效的管理是目前迫切需要解决的问题。

如果要进行全生命周期的应用，则BIM需要与GIS相结合，这也是目前研究的热点。

目前轨道交通BIM的相关标准还在制定过程中，这样导致相关方不愿意在BIM标准研究方面进行投入。即使有关方愿意投入，但是标准不一致，导致设计方与施工方的BIM不一致，导致重复BIM设计，浪费人力、物力和财力。

BIM设计的软件多，各软件的数据接口还不能完全一致，在进行数据转换的时候还存在数据丢失的问题。

同时，由于大数据以及目前计算机硬件等方面的原因，导致在展示模型的时候比较慢，反而降低了设计效率，这也是目前各设计院在进行大规模应用BIM技术担心的问题。

目前BIM设计还处于探索阶段，设计软件还不成熟，特别是Autodesk这样的软件厂商，其BIM设计软件几乎每年都有新版本，设计软件不断更新，因此，对BIM软件的二次开发也是未来解决BIM设计迫切需要解决的问题。在CAD设计上面有一体化系统，在BIM设计中也理应由相应的BIM设计一体化平台出现。目前，二次开发不理想，大部分仅限于几种软件的数据接口的转换以及一些小工具、小插件实现的一些小功能。当然，也有一些软件插件做的比较好，如鸿业软件，广东省院的向日葵插件以及橄榄树插件等，但是这些二次开发的软件有很大的局限性，不一定适合在轨道交通中的应用。总之，整合轨道交通各方资源，开发一套适合轨道交通行业的BIM设计软件系统势在必行。

4 结论

在轨道交通方面，国内很多设计院在BIM方面进行了相关的探索。目前BIM应用较多也比较成熟的主要是在站房以及地铁站的BIM应用，在桥隧等方面的应用较少，铁路设计院在此方面进行了尝试，如铁一院的清凉山隧道、十岔沟中桥的BIM设计；铁二院的石鼓山隧道的BIM设计；铁四院的新鼓山隧道的BIM设计等。在轨道交通一条线上的整体应用基本没有，大部分是以某个点前后延伸几百米做实验性探索。在数字施工BIM应用方面，铁二院联合中铁天宝、铁二局、西成铁路客专四川有限公司、北京铁城建设监理等在江油北站进行了相关的试点，初步取得成效。但是，总体来说这些项目都是试点项目、单点应用，线状应用基本没有。总而言之，BIM技术在轨道交通的应用方面目前处在起步、探索阶段。

通过研究部分轨道交通BIM的试点以及地铁站站房等进行BIM的应用试点，发现：（1）BIM设计要有施工企业以及业主的参与，共同推进BIM应用；（2）尽快建立轨道交通行业的BIM标准；（3）轨道交通BIM设计与民用建筑及一般的市政建设项目相比，轨道交通项目具有点多、线长、面广、规模大、投资高、建设周期长的特点，且机电系统复杂设备繁多，建设、运营风险高等特点，这样就对施工和运营特别是运营提出了更高的要求，需要建立一套完善的信息化系统来提高轨道交通的管理效率和水平，提高运营可靠性和应急处理能力，降低安全风险。

[1] 欧特克. BIM技术在轨道交通中的应用——打造数字化地铁站[EB/OL]. （2014-03-14）[2014-09-25]. http://www.eabim.net/article-1869-1.html.

[2] 祝嘉. 在城市轨道交通建设项目中应用BIM技术的设想[J]. 建筑经济，2008，12(增刊)：7-10.

王玉泽：中铁第四勘察设计院集团有限公司，副总经理，设计大师，湖北 武汉，430063

责任编辑王小红

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1672-061X（2014）05-0019-04