城市轨道交通工程BIM技术综述

农兴中 ，史海欧 ，袁 泉 ，曾文驱 ，郑 庆 ，丁国富

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2.西南交通大学先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031）

研究人员、工程人员等对BIM（building information modeling）[1]有不同的理解，总体来说，BIM 不是狭义的三维建模技术，而是由相关理论、方法、技术、平台和软件支撑的、基于先进管理理念和模式而发展形成的技术体系.BIM技术以建筑工程为对象，充分吸纳IT、软件、物联网、大数据、云计算、CAD（computer aided design）、图形学等先进的信息技术，深度融合到建筑工程的全生命周期，以减少重复工作，解决工程中高复杂度的数据交换、业务与管理协同等问题，实现高效率、低成本、高质量完成工程项目[2-4].

建筑工程是复杂的系统工程，涉及政府、业主、设计、咨询、施工、监理、运营等多参与方.BIM技术具有可视化、一体化、参数化、可仿真优化、可协同交互等优势，能有效减少工程中设计师的全空间思维导致的设计错误，减少建造单位成本难控制、质量难提升的烦恼，解决全过程造价难控制的痛点，降低施工单位不能所见即能施工的麻烦，克服运维单位难以长时间、大范围维护等问题，因此，BIM逐渐成为建筑工程必然实施的关键技术，并逐渐形成诸多标准与规范[5-6].

城市轨道交通工程是典型的复杂建筑工程，采用先进的BIM技术可提高工程全生命周期各阶段、各专业间以及专业内部的协同与管理，降低重复、返工、协调等成本，提高建造效率[7].因此，在城市轨道交通领域应用BIM技术具有非常重大意义.

为了更有效地实施城市轨道交通工程的信息化，本文论述城市轨道交通工程建造领域的复杂性，归纳城市轨道交通工程中BIM研究与实施的类型和特点，分析和展望BIM技术的发展趋势.

1 城市轨道交通工程复杂性分析

城市轨道交通建造工程是一项多专业、多角色在多约束、长周期、大投入下建造的复杂系统工程.城市轨道交通工程涉及40多个专业，包括：运营组织、车辆、限界、线路、轨道、车站建筑、结构、通风空调、给排水及消防、供电、通信、自动售检票系统、综合监控系统、环境与设备监控系统、站台门，等等.例如，车站以建筑和结构为主体，还包括通风空调、给排水及消防、供电等相关专业；区间以隧道/桥梁/路基为主体，还包括轨道、疏散平台、通信、信号等相关专业，如图1所示.

图1 城市轨道交通各专业及组成Fig.1 Majors and components of urban rail transit

城市轨道交通工程可以分为规划、可行性研究、总体设计、初步设计、施工图设计、建造、运营、维护、拆除等阶段，其中建造阶段长达5～7年，运维阶段可达百年之久，且所有重要的信息都将在该阶段保留；每个阶段都有来自40多个专业及其他相关人员的参与、交流和协调，工作量巨大；工程投资规模极大，达人民币100亿元以上，还包括大量的无形资产；工程风险巨大，涉及到整个城市的交通安全.这些特征给城市轨道交通工程建造带来进度、质量、安全、环保、投资等多方面挑战[8].

城市轨道交通工程的参与单位之间、建造阶段之间、专业系统之间不断交互协作，形成城市轨道交通工程的接口[9].从各个专业交互、协同的频率来分析：假设有41个专业、包含7个阶段，若每个专业在每个周期平均存储10个文档，则需要检索的总文档为2870个；若每个专业在每个阶段有20人工作，每个专业每人平均提取资料5个，则总共需要互相提取资料的次数为5600次；总共提取资料个数为28000个，平均每个文档被提次数约为10次.此外，各阶段的专业人员在业务过程中还需要大量的信息交流.因此，急需一个用于城市轨道交通工程信息沟通的平台.

BIM技术是目前解决类似复杂工程问题的最有效途径之一，可以提高项目安全性，控制设计、建造与运维质量，共享各阶段模型与信息，帮助各专业快捷沟通和协调，在统一标准下实现资源共享.

因此，城市轨道交通作为工程建造项目的典型领域，其复杂度、系统性很强，对BIM的依赖性更高，急需基于BIM的一体化平台开展全信息化的共享式管理，帮助提升建造质量、确保建造安全，加快建造进度，降低建造成本，规范建造过程[10-11].

2 城市轨道交通工程BIM的研究及应用现状

2.1 技术研究

2.1.1 工程信息化模型的规范化表达

由于工程的复杂性和多角色、多专业性，涉及大量的交互和共享，数据交换和统一标准变得非常重要.IFC（industry foundation class）是国际通用的基础工业类统一表达规范，可较为完善地描述建筑工程各专业信息[12]，成为国际建筑业数据交换的标准，实现在不同设计软件之间的数据交互.IFC标准通过IfcRoot逐级派生实体，完成对构件实体及属性的表达[13].在IFC规范化表达的基础上，可以通过半自动的方式生成BIM，扩展BIM表达的范围，实现BIM的合并、提取等[14].

IFC作为一种规范化的表达方式，能够转化为其他数据格式，用于BIM的仿真和分析.通过建立IFC 与 gbXML（green building extensible markup language）标准之间的映射关系，实现绿色性能分析数据的转换与共享[15]；建立IFC与RIM（railway engineering 3D information model）语义之间的映射关系，采用快速网格化算法将其转换为GIS需要的Mesh数据[16].

2.1.2 三维 CAD 技术

CAD技术是随着计算机及图形学技术而发展起来的计算机辅助设计技术，在建筑领域得到快速应用，出现了 Revit、Bentley、ArchiCAD、鲁班、广联达等成熟的三维设计软件，能够快速三维建模和出图.目前的研究主要集中在两方面：

1）面向不同领域的应用探索.采用三维CAD技术完成各专业的设计，例如城市规划、站台门设计、车辆空调设计、楼梯设计、钢结构工程设计、线路规划等领域的设计应用[17].

2）CAD软件二次开发.通过开发设计、分析插件，与三维CAD软件集成，以提高设计效率.例如，实时提取建筑构件的几何、属性、关系等信息；面向特定设计对象、设计环境的设计辅助，如支吊架建模、轨行区建模插件；设计仿真分析，如碰撞检查、管线综合等[18].

2.1.3 基于图形学的 BIM 轻量化

BIM包含的构件数量多、几何信息和属性量大，模型打开耗时长、浏览不畅，模型交互体验差.模型轻量化是BIM应用中需要解决的关键问题.

BIM交付标准中一般规定了模型的精度等级，精度等级越高包含的信息越多.在模型显示和交互时，通过降低精度等级的方式可以实现模型轻量化.面向设计平台的BIM轻量化处理技术包括：部件删减、部件合并、部件减面、Engineering IP Control 轻量化模块、导出用于复核的3DXML、分区域分专业建模等[19].面向Web浏览器的轻量化技术包括：WebGL（Web graphics library）轻量化、基于 glTF（GL transmission forma）格式的轻量化、“数据网格划分与重组-几何数据压缩”轻量化、基于Web3D的BIM轻量化等[20].

2.1.4 工程设计理论及方法

建筑领域工程设计一般采用串行设计方法，存在设计交互滞后、设计变更多、协同效率低等不足.近年来，产品制造领域常用的协同设计被应用到城市轨道交通设计中，以BIM技术为基础，城市轨道交通的协同设计模式、设计方法和协同平台等内容得到了初步研究，构建了BIM一体化多专业协同设计流程框架[21]，提出了基于模型交互和数据驱动的多专业正向协同设计技术.

基于协同设计平台的各专业之间的设计协同基本流程如下：将专业间的交互协同关系定义到平台中；某专业设计模型的IFC文件同步到协同设计平台后，平台通知需要交互协同的其他专业；其他专业收到消息，访问平台并查看模型及属性信息，将需要交互的构件及属性提取到本地，支撑本专业的设计，实现多专业之间的协同[22].

2.1.5 工程 CAE 技术

建筑三维设计完成以后，采用CAE（computer aided engineering）技术对三维模型进行仿真分析，能够及时发现工程设计中的问题，进行改进优化，对于提高设计质量和设计效率具有重要意义.

根据建筑工程的特点，学者从多个维度建立CAE仿真模型，如：建筑强度、能耗分析，基于多智能体仿真技术的装配式建筑项目风险分析，内环境空间结构特征稳定性评估与抗震能力分析，基于HOG（histogram of oriented gradient）特征的火灾烟雾颗粒物扩散路径分析，基于系统动力学的建筑工程项目资源配置建模与仿真，基于虚拟原型的建造过程、方法和行为仿真分析等[23].

2.1.6 工程数字化管理

工程数字化管理覆盖设计、建造、运维等全生命周期产生的海量文档、模型、数据信息.在设计阶段，基于协同设计思想建立BIM管理机制，形成以关系型数据库+模型图纸文件管理器为核心的“数模分离”式BIM正向设计平台架构，构建基于BIM的多主体协同设计平台，让设计人员和用户同时参与工程设计中，以更好地满足设计需求[24-25].

在建造阶段，以BIM为基础集成项目的建造、安全、成本、质量、进度等数据，通过对数据的分析处理，实现建造过程的管理、控制和评价.

在运维阶段，采用物联网数据和大数据分析技术，实时采集和分析工程运营过程产生的数据，进行统一管理，为工程的维修维护提供支持.

2.2 工程应用

2.2.1 面向建造的BIM工程

在城市轨道交通工程设计中，各专业使用的软件工具不同，相互协调的方式主要局限于口头约定或者标准规范.这使得设计模型相对独立且不能有效整合，各专业在建造和运维过程中因为设计而导致建造困难、成本增高等诸多问题[18].为了解决上述问题，企业成立专门的BIM部门，收集各专业的模型信息并进行多专业或全专业的整合，基于三维模型进行建造模拟，来分析各专业设计中存在的问题，找到设计缺陷、进行设计修改.

企业信息部门或BIM实施部门由专门的BIM建模人员、信息人员或建造模拟人员组成，与设计部门分离.该部门人员对来自各个专业的二维图纸翻模形成三维模型；将各专业的三维模型综合，进行可视化交互，实现深化设计，从而发现设计缺陷、模拟建造过程.然而，模型设计通过多个建模软件综合实现，软件之间的数据交互尚未打通，BIM不能共享和重用.因此，面向建造的BIM工程主要解决基于可施工性的深化设计，实施过程如图2所示.

图2 面向建造的BIM工程Fig.2 Construction-oriented BIM engineering

2.2.2 面向协同设计和分析的BIM工程

在城市轨道交通工程建造过程中，参与方逐渐意识到各专业的协同问题，尤其是涉及到建模的一致性、可重用性问题，并尝试在现有的商业软件上找到整合的办法.实现数字化设计和分析的核心是贯通工程的三维CAD与CAE模型.三维CAD软件众多，包括 Catia、Revit、Bentley、3D MAX 等；CAE更为广泛，比如 ANSYS、PKPM、Delmia等.通过统一的模型在CAD与CAE的之间进行数据传递，避免模型不一致的问题，形成基于CAD/CAE集成的协同设计与仿真分析平台[26].如图3所示.

图3 面向协同设计与分析的BIM工程Fig.3 Collaborative design and analysis-oriented BIM engineering

该方式采用三维模型实现专业之间和软件之间数据的沟通、协调和共享，打通各专业或者多软件工具的接口，实现协同设计，减少设计反复、提高设计效率、降低设计成本.其本质是基于三维设计的BIM工程.

2.2.3 基于商业软件平台的BIM系统实施工程

为解决模型共享和重用问题，实现数据一体化协同，企业应用中形成了基于平台的BIM工程.现有的商业软件平台主要由软件公司主导，如广联达5D工具、欧特克的360、达索的Enovia等，通过集成工具软件集，形成解决方案，建立基于BIM的研发平台.这些平台在一定程度能够系统性地管理模型，开展协同工作，但系统开放性不强，在多专业协同等实际建造过程中操作难度大[27].

图4是某工程项目的整体框架思路.该平台采用达索系列产品实现BIM工程，其中Catia用于三维设计，Enovia用于项目、建造管理等，Delmia实现管线综合、建造模拟、设备安装等深化设计，再辅助以Revit等其他商业软件完成任务.

图4 基于商业平台的BIM工程Fig.4 BIM engineering based on commercial platform

该方式的特点：逐渐出现BIM共享的概念，且协同性强，由于是同族或同宗软件，模型交互容易，数据接口较顺畅；但定制性弱，难以在类似工程应用，模型的整体性难以完全体现，基于时间维的完整性表现不强，是前述模式的升级或者集成.

2.2.4 基于开放式平台的BIM工程

在欧特克、达索、广联达、鲁班等设计、分析等软件基础之上，发展起来了很多BIM工程，但由于底层架构难共享，BIM平台发展受限.有研究者试图基于IFC标准，利用现有计算机技术搭建自主性强的BIM平台[13,28].该方式从底层开始搭建，可塑性、扩展性强，可以充分融合现有先进的计算机技术，形成具有竞争力的开放式BIM平台系统[29-30].该模式具体的实施过程如图5所示.

图5 基于 IFC 的共享式 BIM 工程Fig.5 IFC-based shared BIM engineering

目前，针对BIM的开源平台尚处于探索阶段，比较热门的是BIM server，一个由BIM爱好者开发的开源 BIM 平台.该平台基于 B/S（browser/server）架构，采用WebGL、JAVA、XML等计算机编程技术，重点解决了IFC解析、BIM三维模型轻量化等问题.但是在特定领域开展应用时，还需进行深度开发.BIM server目前还处在发展期，距离工程应用还有一段距离，但已经表现出良好的发展趋势.

在解析IFC文件与前端轻量化显示的基础上，采用共享和B/S架构，可以搭建复杂的业务逻辑，但如何与现有商业工具软件结合和集成，如何表达更为广泛意义的BIM还需要深入的研讨和工程应用.

除以上4种模式之外，还有其他的BIM应用，如方案展示、虚拟漫游、建造模拟等，主要在建造工程的局部应用三维模型，严格意义上不算BIM.

3 城市轨道交通BIM技术面临的问题与挑战

BIM技术的实施主要是解决城市轨道交通工程全生命周期、专业之间及专业内部等一体化协同问题，实现建造工程高效管理，高质量、低成本建造，但由于对BIM技术理解不够，导致在BIM技术应用时出现形似而神不似的现状[31]，主要有下述3点体现.

3.1 贯穿城市轨道交通庞大工程全生命周期大规模模型共享的统一性问题

BIM是各专业交互、交流的模型基础，所有的专业或者角色都会在其上开展工作，并理解和使用模型，因此最终提交给使用者的BIM必须按照统一标准，规范定义.目前国家、各级政府、各个设计院都根据行业和自身特点定义了BIM的交付标准，规定了BIM建模的深度和广度，包括专业、构件、属性、几何、建模细节程度等，但各有特点、不能统一、通用性差.更为重要的是，难以贯穿到建筑信息化管理的全过程中，不能共享和重用.

在城市轨道交通工程建造领域，专业更多、接口复杂、周期更长、信息量更大、参与角色更多等，使得BIM的交付规范性更难实现.比如广东省制定的《城市轨道交通建筑信息模型（BIM）建模与交付标准》（DBJ/T 15-160—2019）[32]，初步定义了各专业 BIM建模内容，给出了通用的表达，但尚未规定建模细节，信息化实施比较困难，如表1所示.

表1 广东省BIM建模与交付标准（部分）Tab.1 BIM modeling and delivering standard for Guangdong province（part）

广州地铁设计院有限公司制定的《城市轨道交通BIM模型交付标准》[33]中，较为细致地表达出BIM所需要的信息，按照LOD（模型精度等级）给定了细节层次，比较容易实施，但需要对构件进行细致的编码，如表2所示.

表2 广州地铁BIM建模标准（部分）Tab.2 BIM modeling standard of Guangzhou Metro (part)

BIM技术主要在设计阶段使用.目前，BIM技术正逐渐应用在建造和运维阶段，然而现有的BIM都是阶段性的，模型的一致性不够，不能在全生命周期形成一致化表达，给基于模型的全生命周期协同和数据管理带来了巨大困难.因此，针对城市轨道交通工程的体量和工程规模巨大、模型共享使用和维护的时间周期漫长，大量专业、角色、单位访问的时间跨度大，如何深入拓展BIM的广度和深度，使得表达的信息和数据完整规范、实时共享最新数据等，成为工程建造管理者面临的困惑和挑战.

3.2 基于BIM的多专业、多CAD/CAE软件工程协同问题

专业众多，接口复杂，协调困难.城市轨道交通工程各专业之间交互协调时，不仅需要提取设计和模型资料，还需要提取模型相关的信息.目前，专业之间缺乏有效的交互接口，很难从不同的专业使用的软件中提取到所需要的模型和信息.

BIM和设计脱节，关联度不够.在城市轨道交通工程正向设计中，各专业设计基于需求任务，按照设计规范和标准开展设计，设计完成后再交由BIM实施部门进行翻模或者合模.在此基础上，通过模型接口、建造模拟等发现设计问题，并反馈各专业设计人员在设计图纸上进行修改.这种方式虽然结合了串行设计和适当的并行设计，但设计由不同的人员完成，一部分模型是由翻模完成的，导致了BIM和设计脱节，关联度不够.

设计效率低、知识分散.城市轨道交通工程设计是由大量的设计人员完成的，设计单位的设计人员经常由于工作关系调动，导致部分有经验人员的经验没有留下或者积累，新进的人员又不能很好地理解原有设计，且经验不足，使得设计效率低下.如何将达成共识的设计经验和设计知识积累起来，并融合在设计过程中以推动整个城市轨道交通工程向基于知识和流程的数字化设计是城市轨道交通工程设计单位目前面临的巨大挑战.

3.3 基于BIM的工程全生命周期海量信息数字化、高效率、低成本管理与使用问题

城市轨道交通工程全生命周期的众多角色在参与过程中不断地创建BIM、使用模型、完善属性信息，围绕BIM进行大量操作、产生海量信息.工程建造周期长，一方面导致工程信息逐年增加、不断累积、海量爆发，另一方面导致工程信息逐渐丢失，难以追溯.

角色众多、周期长，使得整个项目管理异常复杂，需要交付、审核的项目文件和协同不计其数，这为城市轨道交通工程的管理带来极大的挑战：如何根据参与人员的角色和任务确定需要提交的模型和信息，实现全生命周期信息的可追溯；如何根据业务流程定义角色之间的高效率协同交互；如何根据专业接口实现文档资料的调用和共享，降低交互成本；如何将BIM全生命周期属性信息统一管理，实现模型与属性动态关联.为解决上述挑战，采用BIM技术从信息化的角度提高管理水平是城市轨道交通建造工程项目的主要问题.

4 城市轨道交通BIM技术研究的发展趋势分析

在城市轨道交通BIM技术现有发展的基础上，基于其需要解决的本质问题，结合现有的先进设计技术、计算机技术、管理技术等，城市轨道交通领域BIM发展趋势主要集中在以下5个方面.

4.1 面向全生命周期一体化协同管理及平台

城市轨道交通建造是个复杂的系统工程，周期跨度长，信息、数据、资源的贯穿式协调和管理一直困扰着管理者、研究者及工程人员.在采用BIM技术对模型进行统一表达的基础上，科研人员试图基于BIM打通设计、建造、运维全生命周期各阶段，使参与者能够在三维模型的基础上开展管理和协调工作[34-35].采用先进的BIM表达、规范的模型管理、基于流程的过程管控与优化、多资源协同与优化、多源数据一致性表达、全生命周期数据协同与高效管理等，都是目前的发展趋势.

4.2 基于BIM的多专业正向协同三维设计

三维模型是各专业在建筑物相互之间接口关系定义的基础，每个专业开展设计时，需要与其他相关专业进行交互、沟通和交流，这涉及到多专业一体化协同设计、专业按照接口提资、设计角色相互交流达成共识等[36].长久以来，研究者希望找到一种协同设计的机制来代替现有简单的消息提醒、打包提资、共享资料等方式[37].目前能够开展的有基于PDM（product data management）的协同方式，如 Enovia及其VPM；基于设计平台的协同，如Revit的BIM 360；基于第三方系统的协同，如BIMFace.但要真正实现多专业BIM一体化协同设计，需要使角色、设计环境和设计资源深度融合，这正是基于BIM开展多专业正向协同设计的发展方向.

4.3 面向智能建造和运维的BIM规范性设计

所有建造与运维的依据来自于设计.虽然设计阶段有详细的设计标准规范作为指导，但城市轨道交通工程的设计涉及到多专业的协调，尤其在施工图设计阶段.因此，基于建造与运维的并行设计将逐渐应用到城市轨道交通工程设计中，深化设计就是典型案例.目前的深化设计思路与并行工程设计有明显的概念理解误区，初步设计与深化设计脱节，BIM起到整合初步设计的目的，但并没有覆盖到设计的最前端[3].将来的发展趋势是如何在设计前端，基于并行工程理念逐渐形成规范性BIM，以便通过数据贯通和规范管理等方式驱动建造和运维，从而降低管理成本，走向智能建造和运维.

在设计前端进行BIM规范，需要在设计阶段对构件进行编码，并对城市轨道交通各专业按照BIM结构统一定义，给出全生命周期唯一的标识号.如何让各个专业设备设施进行统一的全生命周期管理，提高过程中数据的一致性，是很多研究BIM的学者一直想解决的基本问题.

城市轨道交通工程专业众多，设计工作量大，设计人员的流动性大，积累设计经验和规范设计流程是基于BIM的工程设计发展的方向.通过该项研究开展基于知识工程的智能设计，模块化、参数化和多粒度流程定制的精细化设计，提高设计效率，降低设计成本，减少大量的重复绘图工作[38].

4.4 基于IFC的BIM表达及共享

城市轨道交通工程因专业众多、时间跨度长、交互协同多、应用软件多等导致数据一致性差，各种软件不能很好地实现数据和模型交换，IFC源自于STEP（standard for the exchange of product model data），主要用于工程建造类“产品”的数据交换定义，以解决统一模型表达的问题[39].大量深入建筑领域的基于IFC进行模型交换的研究，使得IFC逐渐完善[40]，但IFC在城市轨道交通工程领域的扩展空间大，所要表达的内容更多更丰富，基于IFC的城市轨道交通工程BIM表达逐渐成为行业的研究发展趋势之一.

4.5 BIM技术与信息化的深度融合

通过将信息化技术逐渐深度融合到城市轨道交通工程领域[41]，为BIM技术的延伸式研究带来了很多发展方向和研究空间，包括共享模型及服务、协同管理、智能建造、智能测量、基于数字孪生的智能运维、基于移动BIM的工程监理、云计算及一体化协同设计等[42].信息化技术将带动BIM的快速发展，并为城市轨道交通工程提高建造效率，降低建造成本，减少项目风险等提供有力的技术支持.

5 结 论

相比通用建筑工程，城市轨道交通工程涉及的专业多、外部接口多、参与单位多、投资大、周期长、风险管控难，是一项更为复杂的系统工程，给BIM技术提出了巨大的挑战.BIM是信息化深度融合城市轨道交通工程，解决各种复杂问题的重要支撑技术，但很不成熟，主要表现在面向全生命周期的工程模型数字化的统一规范表达问题，多专业、多软件、多角色、多单位相互协同设计、管理和数据利用问题，基于复杂、海量几何物理模型融合的模型轻量化问题，基于BIM的全生命周期工程项目管理平台研发等.将来的BIM技术必然朝着基于云端统一共享规范编码的BIM信息模型和一致性表达，基于云端高效协同全生命周期管理，面向云计算的云端轻量化BIM的分发、共享、重用和协同，面向BIM基于数字孪生的城市轨道交通工程长周期、高效低成本运维等方向发展.BIM通过实施统一建模、数据整合、轻量化表达、人工智能、大数据、云计算、物联网等关键技术，必将在城市轨道交通工程的高效、低成本运作与管理方面做出重要贡献，为城市轨道交通工程的发展建造提供重要技术支撑.