BIM?技术在京雄铁路中的应用与思考

2020-07-04吴明杰

现代城市轨道交通 2020年6期

吴明杰

摘要：近年来，建筑信息模型（BIM）技术在铁路行业的研发和推广工作发展迅速，目前已有多个铁路项目进行了BIM 试点应用。以新建北京至雄安铁路项目为例，探讨从 BIM 设计、基于BIM 的平台建设到以 BIM 技术为核心的数字化建造等方面的研究与实践，为 BIM 技术在铁路行业的全生命周期应用积累了经验。

关键词：BIM;铁路;应用;数字化

中图分类号：U29

1 工程背景

京雄城际铁路是首条连接北京和雄安新区的重要交通设施，新建线路起自既有京九线李营站，终到雄安新区雄安站，正线线路全长92.03 km，新建车站5座，分别是北京大兴站、大兴机场站、固安东站、霸州北站、雄安站。京雄铁路项目在中国国家铁路集团有限公司打造“精品工程、智能京雄”的方针引领下，全面筹划部署，确立了全线、全专业、全过程的BIM应用目标。项目以BIM协同设计为载体，创新采用两级平台建设，深化基于BIM的数字化施工新技术。

2 BIM 技术在设计阶段的应用

2.1 协同设计平台

搭建统一的协同设计平台（图1），基于统一数据库，开展多专业协同设计。经过二次开发，将铁路BIM标准植入平台，实现了铁路BIM标准的落地应用，为开展大规模的协同设计和后续的数据交付提供了保障，实现对京雄铁路BIM设计任务的统一集中管理，任务传递清晰、质量审核规范。

对设计准備、设计、设计交付3个阶段进行严格定义，建立标准化的骨架树、设计模型树和交付模型树。

2.2 设计手段

根据工程构件可参数化程度，将其划分为标准构件、参数化模型和专业建模工具软件3类进行研发（图 2）。将产品、高度标准化的工程结构归为标准构件，直接在工程中装配，例如轨枕;将可进行参数化描述、通过参数驱模生成模型的结构归类为模板，例如桥墩;对于参数化描述困难的结构，可通过软件开发进行建模，例如路基边坡。

利用卫星影像、航空摄影以及无人机数据，重点展示线位两侧200 m范围的地形地貌，包含河流、房屋、高速公路、国道信息。为可行性研究报告编制、初步设计阶段的可视化方案比选、大型临时设施工程与施工便道的可视化管理等提供基础三维场景（图3）。

对雄安站、霸州北站、固安东站站场布置及综合管线进行优化（图4）。利用骨架驱动模型的理念，建立三维站场模型，排布各类管线位置关系，对站场用地进行优化，对各类管线进行碰撞检查和优化。基本解决了大型综合性站场二维设计接口众多、布置困难的难题。

对廊涿铁路、京港台高铁与京雄铁路的空间关系进行三维立体校核（图5）。通过三维模型，快速调整框架墩尺寸，校核净空限界，快速调整简支梁切悬臂设计方案，提升了多线地段桥梁空间设计的技术手段。

2.3 数字设计成果交付

基于可扩展标记语言（XML语言）的模式实现方法，确定地理信息元数据组织结构，扩展定义元数据的数据字典，编制相应的规则文件，并据此建立数据库，以便于交付数据的管理和查询（图 6）。同时，严格交付流程及质量控制，并开发京雄铁路BIM数据专业化自检工具，数据交付之前进行全面自检及成熟软件检查，以保证设计数据的完整性和通用性。

BIM设计成果审核无误后，向建设管理平台、施工应用平台、数字雄安城市信息模型（CIM）平台等进行成果交付，并进入下一阶段BIM工程化应用。

3 BIM 平台建设

搭建数据管理和服务平台，全面承接设计阶段交付的BIM模型数据、地理信息数据和基础设施数据。

3.1 建设管理平台

以建设管理需求为导向，研发上线建设管理“一张图”BIM应用系统（图7）。系统载入全线工程模型精度等级（LOD）300级的 BIM模型，生成带有地形显示、设计模型、周边环境、大型临时设施、征地拆迁、三电迁改等详细信息的电子沙盘，模型关联施工进度、检验批、工程影像、桩基检测等信息。通过BIM模型全面集成建设期各类信息，实现安全质量、进度等数据的全面集成和应用，方便管理者查阅。

3.2 施工应用平台

以施工需求为导向，施工单位根据自身工程需要开展施工级平台研发应用，从技术、进度、成本、安全质量等方面进行全面管理，同时开展单工点深化应用，例如对支架现浇转体梁的成本分析（图8）、施工模拟（图9）。平台面向施工过程的精细化、智能化管理，以地理信息系统（GIS）为基础平台，BIM模型为数据载体，利用BIM的形象直观、可计算分析、全生命周期管理等特性，关联施工过程中的进度、成本、安全、质量、物料等信息，协助现场管理人员有效决策和精细化管理，确保施工计划、进度、材料、安全、质量等管理要素可管可控，达到提升效率和质量、缩短工期、降低成本的目的。

4 BIM 数字化建造

4.1 钢筋自动化加工成套技术

将钢筋加工装备、信息化及BIM技术进行有机融合，开发了基于 BIM模型的钢筋智能加工数据云平台（图 10），完善BIM模型与钢筋加工设备数据接口，采用钢筋BIM数据直接远程驱动自动化加工设备。

钢筋自动化加工成套技术从智能化钢筋加工厂方案设计与建造、钢筋参数化BIM图例创建、智能化生产技术及钢筋下料补偿等方面进行研究应用，达到钢筋智能化、规模化生产水平，实现“机械化换人、自动化减人”。

4.2 轨道板3D智能检测与分析

基于实时获取的轨道板表面三维激光点云数据，采用激光点云自动分类与模型重建技术（图11），重建轨道板BIM模型，再将此模型与轨道板设计模型进行对比分析。基于轨道板自动解译处理系统，分析计算包含轨道板外观尺寸、预埋套管、承轨台、扣件间距、板顶面平整度等尺寸偏差，并自动生成检测报告，从而完成轨道板尺寸的自动化检测。

4.3 接触网腕臂智能预配

建立接触网腕臂BIM模型（图12），将模型导入设备，系统将测量数据、计算数据、物资数据、加工数据等信息通过接口方式进行搜集，并上传至平台进行腕臂预配全流程（上料、定位、打孔、装配等步骤）加工和装配;同时具备自动喷条形码、自动扭螺丝和扭矩控制等功能，安全稳定可靠，可减轻劳动强度，实现自动化、精细化管理。

4.4 BIM 一体化解决方案

利用BIM技术建模，基于施组和工装设备优化钢筋及预应力管道间距，形成由梁面直达底板的竖向振捣通道，保证混凝土质量。建立连续梁全桥模型，通过BIM软件提供的三维可视化空间（图13），在既有钢筋图的基础上，进行“差错漏碰” 检查，提前减少或避免钢筋与预应力管道、钢筋与支座螺栓等预埋件之间的干扰，优化连续梁钢筋设计，形成检查碰撞报告，提高施工现场的生产效率，减少可能存在的错误损失和返工的可能性，大幅提升了现场施工质量。

5 结论与展望

铁路BIM工程化应用当前取得了一定的成果，但仍存在部分问题急需解决。展望中国铁路BIM发展，可以从以下几个方面进行研究和完善。

（1）BIM应用经费问题。目前，以智能京张、智能京雄为代表的铁路项目逐步展开BIM技术应用，但在项目概算中BIM应用费用尚未十分明确，致使当前BIM应用“师出无名”。下阶段应尽快将BIM应用费用在招投标中进行明确。

（2）建模软件国产化问题。当前，铁路行业建模软件主要以Revit、Bentley、Catia为主，几款软件之間暂未实现兼容，模型以IFC格式导出交付，各施工单位在应用时往往需要再次进行建模。随着BIM技术在中国铁路的深化应用，建模软件的国产化问题如能解决，将有利于模型的流转和深化应用。

（3）平台统一问题。自2015年中国铁路总公司全面推广铁路建设信息化以来，目前铁路工程管理平台的应用已经覆盖国内所有的铁路建设项目。以京雄铁路为例，各施工单位自主研发独立于铁路工程管理平台之外的施工应用平台，导致有多个平台存在，不利于集中统一管理。下阶段应朝着统一平台方面发展。

（4）统一的编码标准。铁路工程管理平台中各模块应用是基于《铁路工程实体分解指南》（1.0版），BIM模型的创建及编码是基于《铁路工程信息模型数据存储标准》《铁路工程信息模型分类和编码标准》等文件，施工单位可能又有自己的模型分类和编码标准，导致现阶段设计信息、施工信息相互割裂。以京雄铁路BIM应用为例，施工单位级BIM应用平台中众多施工信息未能从铁路工程管理平台中获取，需要再次进行录入，造成重复工作量巨大。下阶段铁路工程管理平台中铁路工程实体结构分解（EBS）、设计阶段模型编码、施工应用模型编码等应建立统一的编码规则，在此基础上展开各阶段的深化应用，有利于信息的全面流转。

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