我国铁路行业BIM实施路径的思考

2016-09-10沈东升王万齐

铁路技术创新 2016年3期

关键词：生命周期铁路标准

■ 沈东升王万齐

BIM概览 BIM Overview

我国铁路行业BIM实施路径的思考

■ 沈东升王万齐

BIM技术在铁路行业具有潜在和深远的价值，已经得到各方共识。论述我国铁路推进BIM技术的价值，阐释其实施路径的选择思路。通过按照路径推进以来，在BIM标准体系和平台建设、人才培养等方面取得的现状成果，证明该实施路径的可行性。

铁路；BIM；实施路径；标准体系；平台建设；人才培养；试点

0 引言

工程建设项目是一个复杂的系统工程，专业众多，项目生命周期包括从勘察、设计、施工到运营维护等阶段，时间跨度长达几十年甚至上百年。BIM是基于CAD技术发展起来的多维模型信息集成技术，是对建筑工程物理特性和功能特征信息的数字化承载和可视化表达。

BIM应用可为工程项目产业链贯通、工业化建造、精细化和标准化管理提供技术保障。在项目不同阶段建立和维护BIM模型，使用BIM平台汇总各项目参与方的工程信息，消除项目中的信息孤岛，并将得到的信息结合三维模型进行整理和储存，以备项目全过程中项目各参与方随时共享，从根本上解决项目规划、设计、施工以及维护管理等各阶段应用系统之间的信息断层，实现工程项目的全生命周期管理。工程建设项目设计技术发展历程见图1。

图1 工程建设项目设计技术发展历程

1 国内外BIM主流实施模式

BIM从美国的建筑业发展起来，逐渐扩展到欧洲、日韩等发达国家。从应用领域上看，国外已经将BIM技术应用在建筑工程的设计、施工以及建成后的维护和管理阶段，相应的应用软件已经日趋成熟，其应用价值和应用潜力都得到了验证。

目前，BIM被认为是建筑领域的又一次技术变革，已经成为研究热点。由于工程参与各方对BIM实施应用的成熟度不同，可选择不同的BIM实施模式，主要有以下几种：

（1）施工主导模式。以施工单位开展基于BIM的施工为主，通过模拟施工等技术实现在施工前对施工整个过程进行模拟，分析不同资源配置对工期的影响，综合成本、工期、材料等得出最优的建筑施工方案，从而减少因建筑过程中的错误造成的成本浪费。

（2）设计主导模式。以设计单位开展基于全项目全专业BIM设计，并进行BIM交付为主，从设计源头建立全项目BIM模型，通过方案设计、初步设计、施工图设计等不同阶段的BIM模型，实现多方案比选、参数化建模、二维出图、精确算量等功能，最终达到精细化设计、施工的目标。

（3）咨询协助服务模式。通过引入咨询协助服务商，为项目提供全过程的BIM设计、施工、运营管理服务，如实现设计精细化建模，解决施工过程中的差错漏碰等问题，减少其造成的成本浪费。

（4）业主主导或资产管理模式。通过业主主导使用BIM技术，实现勘察设计、建设管理阶段的信息共享数据流，同时也为后期提交运营维护单位进行资产管理奠定了重要基础。

综合分析以上情况，我国铁路选择采用业主主导即资产管理模式，目的是要实现从可研立项到运营维护的全面管理，达到全生命周期管理的目的。

2 国内外BIM应用现状

美国的BIM研究与应用走在世界前列，其工程建设行业采用BIM的比例从2007年的28%增长至2013年的70%以上（见图2），美国建筑业300强企业中80%以上都应用了BIM技术。英国政府计划到2016年，全面在项目的设计、施工和运营阶段应用BIM技术进行项目和资产管理。澳大利亚制订了“国家BIM蓝图”（National BIM Blueprint）。韩国计划2016年实现全部公共设施项目使用BIM技术。新加坡计划到2015年建筑工程BIM应用率达到80%。

图2 美国工程建设行业BIM使用率

调研认为，通过BIM的精细化信息模型，有利于在铁路勘察、设计、施工、运营的全生命周期，实现信息共享和无损传递，从而提高铁路工程建设的质量和效率，大幅节约项目成本，提升科学决策和管理水平，给铁路行业带来巨大应用价值。BIM在建设项目全生命周期中的应用见图3。

图3 BIM在建设项目全生命周期中的应用

但铁路行业应用BIM技术在以下3方面仍有巨大困难：

（1）标准方面。国内外BIM标准研究未涵盖铁路行业。现有的国内外BIM标准（IFC、IFD、Omni Class等）基本上都属于建筑行业，包括的主要专业领域有：建筑、结构、暖通、电气、设备、建筑施工管理、物业管理，不能涵盖铁路行业独有的专业领域，如：地理信息、工程地质、线路、轨道、路基、桥梁、隧道、站场、信号、机务、车辆、电气化等。以上这些铁路行业独有专业领域在标准编制过程中都需要重新定义。

虽然铁路BIM标准体系可以借鉴现行的国际标准进行研究，但扩充的难度和工作量巨大。IFC、IFD、Omni Class等基础标准每个都是一个专业的研究领域，需要专业人员去研究应用、扩展等技术问题。同时，建筑工程是点状工程，铁路工程是线状工程，具有自身的特殊性，主要表现在：与地形结合紧密，区域范围广。因此要求铁路BIM标准还要涵盖GIS领域，而BIM与GIS的结合是一项技术难题。

（2）软件方面。没有成熟的铁路BIM软件产品。虽然国内外出现了多个BIM平台，但这些软件均不完全符合铁路行业的规范要求，需要投入更多的力量开展研发工作。软件的架构体系缺乏线性工程设计元素，数据体量难以支撑线性工程应用，大多仅仅适应于点状工程，难以开展线性设计。软件套件内部自身标准不统一，数据交换困难，给用户使用带来了很大障碍。

铁路行业专业众多、施工工序繁杂。铁路BIM应用的难度远大于建筑单点工程，特别是与地质地形的结合，在目前的BIM软件中从未涉及。

（3）应用方面。国内外BIM软件不支持铁路产品。铁路行业产品、半成品、构件、零件没有现成的软件构件库，如采用现有建筑领域BIM构件库将无法在未来的信息交互、工程量计算等领域应用，因此打造铁路行业标准化的BIM构件库的工作难度极大。铁路工程构件库见图4。

图4 铁路工程构件库

3 我国铁路BIM实施路径选择

中国铁路总公司（简称总公司）高度重视BIM技术研究应用工作，在系统总结国内国际BIM技术研究和应用的经验基础上，经过反复研究和论证，确定了实施路径，顺序如下：

（1）标准先行，引领实施。BIM标准是BIM应用的基础，应结合铁路行业特点，率先建立铁路BIM标准体系。同步开展各专业BIM技术科研攻关，突破铁路BIM技术应用关键技术，从而在更高的层次引领、统领实施工作。

（2）试点验证，完善标准。依托BIM试点项目，验证性应用了正在编制过程的铁路BIM标准，并对标准进行不断完善，标准制定与研究应用同步开展，先期开展设计协同。

在京沈客专辽宁段、沪通长江大桥、哈佳客专等17个项目推进了BIM试点工作，主要开展协同设计探索，深化施工过程中BIM应用场景。通过试点，鼓励和引导应用BIM技术，及时总结试点经验，形成示范效应，为大范围推进BIM应用提供支撑。

在总公司的统一部署下，BIM技术研究和应用工作正在快速向前推进。设计单位已经逐步向三维协同设计迈进，施工单位正在探索四维应用场景，在客站、四电方面正在进行运维应用探索。

（3）组织构件库开发，培养技术人才。通过试点项目，坚持以建设单位为主体，以建设项目为依托，以设计协同为主线，标准编制为基础，建设过程应用探索为延伸，人才培养为目的。经过一段时间努力，建立健全铁路全专业铁路BIM构件资源库，建立基于BIM技术的铁路工程管理平台，通过构件和平台的推进，培养一批管理、应用和技术人才，为实现建设项目全生命周期管理信息化奠定基础。

（4）基于铁路IFC标准建立基于Web的可交互轻量化BIM模型浏览引擎。依托铁路工程信息模型数据存储标准的发布，搭建BIM工作平台，解决不同软件产品模型的统一管理、互相识别、互相转化的图形显示问题。打造支持浏览BIM几何模型、查看模型信息、漫游、剖切显示、构件分组拾取显示、反向拾取和隐藏等多种功能，采用轻量化、流式加载、硬件加速等先进技术，可以支持较大规模、较高精细程度构件显示渲染，并保证专有数据安全的网络访问BIM引擎。

（5）建立统一BIM应用建设管理平台。总公司组织联盟单位，积极开展全生命周期信息平台研究，以平台统筹BIM技术与应用，提供最佳用户体验。以需求为导向，实现BIM模型与应用紧密相连，达到提高效率和效益的目的；以人人互联、人物互联为入口，实现模型数据在全生命周期应用中的传递、更新和共享；以流程优化为起点，通过信息平台优化固化工作行为，确保数据真实、管理科学。当前，勘察设计信息平台已经起步，建设管理信息平台正在全路推广。

（6）开展向运维交付工作。依托编码体系和BIM标准，由统一的BIM工程建设信息化平台负责，在项目竣工验收时，按运维单位需求，将集成了勘察设计、建设管理信息的BIM信息推送到运维单位，从而最终达到信息无损传递和全生命周期管理的目标。

4 我国铁路BIM工作推进情况

总公司自2013年启动BIM技术研究应用工作以来，依托路内外各建设、设计、施工、科研单位，通力合作、大胆创新，充分利用BIM、云计算、大数据等现代信息技术，推动铁路BIM标准编制和BIM技术研究应用工作向前迈进了一大步，有些方面取得了新的突破和阶段成果。

4.1 组织推进方式

2013年12月，总公司工程管理中心联合7家理事单位共同发起成立了铁路BIM联盟。联盟作为铁路行业首个BIM技术研究自律性组织，以推进我国铁路BIM技术进步为己任，旨在搭建一个集BIM技术总体规划与政策建议、标准制订、应用技术研究、研讨培训、技术服务与咨询、国际交流与合作等业务的公共服务平台，目前拥有会员单位40家。

联盟集中了国内铁路行业顶尖的科研、勘察、设计、建管、施工、运维、制造企业和相关重点大学，具有全方位的产、学、研、用能力和全产业链技术集成创新优势。依托成员单位，联盟拥有高速铁路系统试验国家工程实验室等11个国家级实验室、14个博士后工作站、8个企业级BIM研究基地、2个国家级BIM资质培训中心。铁路BIM联盟是国际BIM联盟buildingSMART的常务理事单位。

4.2 标准编制

BIM技术在轨道交通领域的应用，国际上也没有现成的标准，主流软件也没有成套功能，只有从底层标准抓起，才能逐步向标准化推进。

依托铁路BIM联盟各方优质资源，建立了中国铁路BIM标准体系框架。中国铁路BIM标准体系包括技术标准和实施标准两大部分，其中技术标准是基础性的标准，是制定实施标准和进行BIM深度应用的基础，用于指导和规范铁路BIM软件开发；技术标准分为信息语义标准、数据存储标准、信息传递、协同管理标准。我国铁路BIM标准体系及其与相关BIM标准体系关系见图5。

图5 中国铁路BIM标准体系及其与相关BIM标准体系关系

2013年联盟成立以来，陆续编制并发布了《铁路工程实体结构分解指南》［1］和《铁路工程信息模型分类与编码标准》［2］2个基础标准。《铁路工程信息模型数据存储标准》［3］也已经完成了站前专业的初步审查，形成了标准正式稿。这3个标准的初步完成，使铁路BIM模型在语义、数据存储上达到了统一。《铁路BIM模型交付标准》编制工作也已经启动，该标准将为全路17项BIM试点工程提供成果交付依据。

在铁路BIM标准编制过程中，铁路BIM联盟与国际BIM标准组织buildingSMART、国际开放地理空间联盟OGC组织进行了密切的沟通和交流。2015年10月16日，新加坡组织召开的国际BIM联盟峰会上，铁路BIM联盟做了题为“中国铁路BIM标准与应用”的报告，得到国际BIM联盟的认可，确定由铁路BIM联盟承担国际铁路行业BIM标准的编制工作，标志着我国铁路BIM标准正式迈出了国际化的步伐。

4.3 平台建设

积极开展全生命周期信息平台研究，当前，勘察设计信息平台已经起步，建设管理信息平台正在全路推广。

（1）平台建设总体规划。以铁路工程设计、建设、运营全生命周期管理为目标，以BIM技术为核心、云计算为平台架构、感知技术为基础、移动互联为传输结构、建设项目为载体，建立统一开放的工程信息化平台和应用。工程信息化平台结构见图6。

（2）平台内容。按照总体规划，针对近年来铁路建设项目管理需求，研发各类信息化应用模块，目前已建立铁路工程管理平台，由1个门户3个子平台支撑4级管理应用。同时，正在依托联盟启动软件协调和谈判，推进BIM二次开发，进一步探索BIM实施应用，已经得到了国内外主要软件厂商的认同。