BIM在铁路设计中的应用探讨

韩秀辉，袁　锋，罗世辉，叶航行

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都　610031；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



BIM在铁路设计中的应用探讨

韩秀辉1，袁锋2，罗世辉1，叶航行1

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

通过阐述建筑信息模型(BIM)概念，分析基于BIM技术的全生命周期理念的建筑优势，并介绍BIM技术在国内外建筑业及国内铁路行业的发展现状，提出铁路设计应用BIM的5个关键点：与GIS技术结合、综合管线碰撞检测、站场运营管理、协同设计与作业、项目各阶段的衔接，总结国内BIM发展存在的问题：行业标准缺失、三维协同设计理念缺乏、专业软件不足、市场认知与人才培养问题，并提出对应的推行BIM策略，最后提出BIM将引领铁路建设向信息化、智能化发展。

BIM；铁路设计；发展现状；全生命周期；协同设计

1　概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)理念最早于20世纪70年代由乔治亚理工大学的Chunk Eastman教授提出。BIM是利用先进的数字技术集成了建筑物的物理及功能特性等各种相关信息的工程模型，既包括几何信息，还包括非几何属性信息，能为工程项目的规划、设计、施工、运营维护直至拆除的全生命周期信息进行存储和运用，为工程决策提供更好的依据，最大限度地实现工程价值。相比于传统CAD模型，BIM引入时间轴和费用轴，即5D模型，既可实现项目虚拟建设及管理，又可实现工程计量和费用计算的自动化。据斯坦福大学调研表明，BIM可以减少设计变更40%，提高施工现场劳动率20%～30%[1]。铁路是一个庞大的系统工程，随着计算机技术的快速发展，BIM应用于铁路工程建设已是大势所趋。

2　国内外BIM发展现状

2.1建筑业BIM发展

美国作为全球BIM发展与应用的领导者，GSA组织于2003年确立了3D-4D-BIM计划，并于2007年要求所有重大项目都要应用BIM技术；在英国，政府于2011年提出《UK Government Construction Strategy》，旨在推行BIM技术在政府工程项目中的应用，明确强调了BIM在未来英国建筑业的重大作用；新加坡发行了《Singapore BIM Guide》(2012)，并成立了专门基金用于激励企业相关项目的BIM技术实施；韩国于2010年先后发布了《建筑领域BIM应用指南》、《设施管理BIM应用指南》[2]，提出应用BIM时需注意的方法及要素，用于指导工程各阶段进展，并要求国内公共设施建设在2016年全面应用BIM技术。

在中国，建筑业发展迅猛，市场竞争异常激烈，信息化建筑理念逐渐被重视，BIM的发展虽不如以上国家，但BIM的优势正在被广泛认可。2009年，香港成立了BIM学会，同年房屋署发布了BIM应用标准，确定了2014-2015年将BIM技术全面应用于房屋项目；2013年，北京正式启动《民用建筑信息模型(BIM)设计基础标准》编制工作，这是国内第一部地方BIM标准；2015年6月，中国住建部印发了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》[3]，要求实现建筑项目全生命期的BIM应用，通过设计资源共享充分发挥BIM在全生命周期中的优势。BIM在中国的发展情况见图1。

图1　BIM在中国的发展

2.2铁路行业BIM发展

2013年12月，中国铁路BIM联盟成立，由中国铁道科学研究院等8家单位共同发起，旨在为中国铁路设计、施工、运营管理全生命周期管理提供支撑平台[4-5]；2015年9月，国内知名铁路高校西南交通大学BIM工程研究中心揭牌成立，契合铁路工程业界需求，为深入开展铁路行业BIM研究工作做准备；2015年9月，铁道第三勘察设计院正式启动阳(泉北)大(寨)铁路BIM技术研发工作，成立了阳大BIM应用小组，意在提高工程总承包项目信息化管理水平；2015年11月，由中铁四局主建的(北)京沈(阳)客专TJ-5标，是国内首个铁路BIM技术施工试点项目，标志着铁路施工大数据时代的到来；2015年12月，广东省发布了《2015年度城市轨道交通领域BIM技术标准制订计划》，目的是推进广东省城市轨道交通向智能化发展[6]。综上所述，一场基于BIM技术的铁路行业革命已经到来。

3　铁路设计中BIM技术应用关键点

随着我国铁路的高速发展，大批铁路工程建设项目正在进行。因铁路项目具有投资大、工期长、技术复杂等特点，对设计质量提出很高要求。传统的CAD二维设计仅关注项目中的某一阶段或某一方面[7]，易导致某阶段各专业间或不同阶段间各参与方信息难以共享、传递，容易形成信息孤岛，无法满足复杂铁路项目的设计要求，而BIM技术注重的是项目整体进程，可实现多方协同设计与作业，保证信息的及时传递，大大降低返工次数，提高工作效率、节约成本，目前已得到国内各铁路相关单位重视。

建筑业BIM应用日趋成熟，但铁路行业BIM应用尚处于初级阶段[8]，远未发挥BIM在全生命周期中的工程价值，尽管已取得部分成果，但仍应注意以下几个关键点。

3.1与GIS的结合

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一种特定的空间信息系统，能查询和分析建筑物所处的地理相关环境信息，对环境进行预测与模拟[9]。与其他建筑物相比，铁路是一种线状结构，地理空间跨度大，在选线时GIS能提供铁路设计所需的数据以便进行决策分析，确定最合理的走线方案，并通过三维形式展现出来。选线确定后，GIS技术可以对工点内环境进行预测与分析，如确定工点存放临时设备的最优位置、工点内危险区域，跟踪监测建筑材料如何通过供应链等。

BIM注重项目本身“内环境”，GIS则负责项目周围“外环境”，两者结合可以为工程设计与施工发挥更大作用。此外，铁路工程建设涉及多个专业，通过GIS可以将各专业BIM模型整合并表现出来，实现全线路的BIM展示。

3.2综合管线碰撞检测

综合管线是车辆基地的专项设计内容，其涉及专业广且信息繁杂，最能体现工程的经济性与质量水平。一直以来，车辆基地内系统众多且复杂，机电管线更是异常庞杂，传统二维管线综合设计中水暖电3个专业分别独立进行，各专业内图纸又会分为若干张，检查管线排放的差错漏碰问题往往比设计更花费时间和精力，同时二维图纸表达不够直观、系统，图纸内很多问题难以发现，从而为工程埋下隐患。

将BIM技术应用于管线综合，可以在设计时通过三维模型直观表述设计意愿，初期可通过观察发现碰撞问题，后期可通过碰撞检测软件检查，如用Navisworks进行全面检测并生成报告，可清楚表达所有碰撞问题，以便快速调整修改，避免了后期设计过程中出现大量的调整和返工。

3.3站场运营管理

站场是铁路工程建设的节点，也是铁路客货服务运营管理的中心。基于BIM技术的三维模型，在建模初期就集成了非几何属性信息。BIM模型在设计、施工阶段录入的站场设备信息，如设备型号、管理单位、维修周期与内容等，为后续运营维护提供了数据支持，显著提高了运营管理阶段对前期工程信息的利用率。

此外，BIM模型通过结合互联网技术可及时发送、传递信息，帮助管理人员办理客、货运业务，管理列车接发、会让等。相比传统二维设计与运营管理阶段的割裂，BIM为站场检修设备及管理等提供了有力的信息支持，充分发挥了BIM中“I”的优势。

3.4协同设计与作业(图2)

铁路工程建设涉及专业多达二十几个，站前专业如线路、站场、桥梁、路基等，站后专业如暖通、给排水、机械、电力等专业[10-11]，每个专业内或不同专业间都要密切配合与协作，确保信息沟通顺畅、准确。传统的二维设计抽象复杂，多专业图面零乱繁杂，很难直观表述模型的设计意图，特别是工程进行时因图纸差错导致的返工，单专业错误可能导致其他专业的图纸变更，大幅增加了设计工作量，严重影响工程进度，甚至增加项目成本。

图2　基于BIM技术的协同设计与作业

应用BIM技术能够使各专业协同设计与作业，在设计初期及时沟通，进行模型汇总整合，及时修正错误，确保设计信息及时准确的呈现，将传统方式下项目后期出现的问题提前解决。完善的BIM模型可最大限度降低图纸变更带来的损失，从根本上减少因此而产生的人力、物力的浪费。

3.5项目各阶段的衔接

铁路工程项目要经历立项、设计、施工、运营几个阶段[12]，以二维图纸表述的建筑设计，使项目各阶段内无法及时更新图纸信息，为其他参与方提供准确数据。在项目工程进行中，每一方设计变更都会导致另一方在相应文件中做出调整，一旦出现修正不及时，都会使工期延长，传统方法建造过程中，设计、施工单位的隔离与信息闭塞，使双方沟通困难，让设计方案无法按时施工或出现错误。

BIM模型弥补了铁路项目每个阶段各参与方可能存在的问题，通过项目在各阶段的信息共享，使各方更紧密的合作。BIM将设计、施工和运营知识结合在一起，顺畅衔接并共同服务于项目，打破传统企业间的壁垒[13]。

4　铁路设计中BIM存在问题与发展对策

4.1存在问题与障碍

尽管BIM相比CAD技术有多方面的优势，但目前在铁路行业发展过程中仍存在不少问题与障碍。

4.1.1行业标准缺失

国内的BIM标准还不够完善，处于研究和制定阶段，相对滞后，部分应用铁路建设的BIM案例都是根据项目或企业自身情况而定，仅用于某类工程试点，无法广泛应用，缺少行业标准的指导某种程度制约了BIM的普及。

4.1.2三维协同设计理念缺乏

2D设计作为铁路设计交付成果已是行业惯例[14]，即各专业在设计过程中单独完成各自部分，汇总后反复修改核对后再交付。这种离散分步设计方式费时费力，严重影响铁路项目整体进程[15]。BIM带来的三维协同设计理念促进了铁路设计各专业学科交叉与密切合作，但项目协同化设计要求在同一环境和同一标准下，各专业并行工作且沟通及时，而现实中各专业的软件平台难以兼容、遵循标准及理念不同、信息安全无法保证等问题阻碍了BIM这一理念的发展。

4.1.3专业软件不足

现在市场上功能完善的BIM软件多为国外软件，国内自主开发BIM软件较少，且适合应用于铁路工程项目的更少，国外软件与中国铁路设计规范不匹配，突出了软件的本土化问题，不少铁路设计院也在尝试进行BIM软件二次开发，但方向主要集中于方便建模、出图及展示等，无法真正发挥BIM的优势，另外开发专业软件周期长、难度大，前期投入较多，短期无法实现收益，让很多企业望而却步，也是亟待解决的一个问题。

4.1.4市场认知问题

目前铁路行业BIM基本只用于设计环节，主要是应业主需求而试用于铁路上某些特殊需要的项目，为业主作可视化展示。全生命周期的BIM应用要求投入成本高，需要相关软硬件设施的配合，可供参考BIM案例较少，使相关中小型企业因技术和实力不足在接受新技术获得改变的过程中会犹豫不决，还处于观望态度，无法感受BIM带来的实际价值。

4.1.5人才的缺乏

人才先行是BIM推广和应用的关键。BIM技术实现从软件开始，现在铁路行业接受培训学习BIM软件的往往是新人，学习软件能力强，但缺乏实际工程经验，而老员工通常觉得先进技术不如经验做事效率高，观念落伍，学习意愿不足，导致实际培训效果不理想，严重限制了BIM在企业中的发展，企业迫切需要一套完整的人才培训体系与方法。

4.2发展对策

铁路建设具有专业众多、技术繁杂的特点，BIM应用与推广难度大。要想使BIM在铁路行业广泛使用，可以结合铁路行业特点，效仿铁路工程试点成功案例，组织制定铁路标准框架和体系标准；还应兼顾各专业特点，建立良好的三维协同设计管理体制及执行计划，增强各专业协调工作能力，另外保证模型信息安全性尤为重要；同时BIM的软件推行需要政府支持，政府可以采取激励措施，鼓励企业自主开发专业软件，保护国内自主开发BIM软件版权，构建产品服务支持体系；当今BIM技术主要应用于房屋建筑，铁路作为基础设施，其BIM技术的应用刚刚开始，BIM利于铁路的智能建造、铁路信息智能管理，适应国家铁路科技发展规划需求，政府部门应配合并出台相关政策扶持，提高其在中小企业中的认知；同时也要要求各企业制定培训计划和考核制度，重点培训新老员工的BIM技术水平，强化BIM专业知识和软件应用能力，逐渐使BIM应用普遍化、全面化。

5　结语

BIM是建筑业的一次革命，其发展带来的不仅是技术的进步、建筑效益的提高，更改变了建筑企业的思维模式。铁路既是国民不可或缺的公共基础设施，同时也是我国先进技术走出国门的一把钥匙，其建设更应及时跟进。虽然目前铁路BIM技术的应用与实践发展缓慢，还存在诸多问题，但其带来的工程价值显著，我们要用正确、长远的眼光去看待其发展，不能急于求成。相信BIM技术一定会稳步推进铁路行业建设，在不久的将来取代CAD，引领铁路建设向信息化、智能化的更高层次发展。

[1]靳金，曹仕雄，黄锰钢. BIM研究者的应用体验—广联达信息大厦施工阶段项目管理BIM应用探索[J].工程建设与设计，2012(10):28-31.

[2]刘占省，赵雪峰.BIM技术与施工项目管理[M]. 北京：中国电力出版社， 2015.

[3]住房和城乡建设部.关于印发推进建筑信息模型应用指导意见的通知[EB/OL].[2015-06-16].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201507/t20150701_222741.html.

[4]刘厚强，易旭鹏，朱聪.基于BIM的三维铁路路基建模应用研究[J].铁道标准设计，2015(7):20-23.

[5]韩元利.论铁路BIM的认识误区与实施原则[J].铁道工程学报，2015(4):118-122.

[6]广东省住房和城乡建设厅.关于发布2015年度城市轨道交通领域BIM技术标准制订计划的通知[EB/OL]. [2015-12-04]. http://www.gdcic.gov.cn/HTMLFile/shownews_messageid=139967.html.

[7]王珺.BIM理念及BIM软件在建设项目中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[8]马嵩.BIM技术在铁路勘察中的应用分析[J].铁道勘测与设计，2014(5):9-12.

[9]任晓春.铁路勘察设计中BIM与GIS结合方法讨论[J].铁路技术创新，2014(5):80-82.

[10]卢祝清.BIM在铁路建设项目中的应用分析[J].铁道标准设计，2011(10):4-7.

[11]裴作君.铁路隧道工程中BIM技术的应用[J].中国铁路，2014(11):70-73.

[12]徐骏，李安洪，刘厚强，等.BIM在铁路行业的应用及其风险分析[J].铁道工程学报，2014(3):129-133.

[13]麦格劳一希尔建筑信息公司.BIM中国调研报告一建筑信息模型:设计与施工的革新，生产与效率的提升[R].北京:麦格劳一希尔建筑信息公司，2009.

[14]陈兵，张燕，张莹.BIM技术在铁路地质勘察中的应用[J].高速铁路技术，2015(1):77-80.

[15]戴林发宝.隧道工程BIM应用现状与存在问题综述[J].铁道标准设计，2015(10):99-102，113.

Discussion on the Application of BIM in Railway Design

HAN Xiu-hui1， YUAN Feng2， LUO Shi-hui1， YE Hang-xing1

(1.Traction Power State Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.The 3rd Railway Survey & Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

By outlining the concept of building information modeling (BIM)， this paper analyzes the advantages of whole life cycle concept based on BIM technology and reviews the development status of BIM technology in the building industry and domestic railway. Moreover， five key points of BIM application should be taken into account in railway design: combination with GIS， comprehensive pipeline collision detection， yard operation management， collaborative design and operation， and coordination in each stage of the project. There are five problems in domestic BIM development: absence of industry standards， lack of 3D collaborative design concept， insufficient professional software， and market cognition and talents cultivation issues. Corresponding strategies of BIM implementation are also put forward. It is concluded that BIM will lead to the informationalized and intelligent development of railway．

BIM; Railway design; Development status; Whole life cycle; Collaborative design

2016-01-16；

2016-01-24

韩秀辉(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：664710613@qq.com。

1004-2954(2016)08-0017-04

U212

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.004