BIM技术在铁路站房运维风险分析中的应用

呼腊梅

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

0 引言

BIM技术在我国土建行业的规划［1］、设计、施工［2］、运维［3］中已经逐步得到应用，并取得了一定成就。相关研究表明，BIM技术可以辅助铁路项目三维建模、碰撞检测、指导施工等［4］。在传统的运维管理中，房建专业的运维管理更多注重资金、办公、数据等方面的管理，很少注重机电设备本身的运维管理［5］。铁路站房由于客流量大，站房使用率高，铁路设备本身的运维管理不可忽略。

在基于BIM的铁路站房全生命周期中，将设计阶段搭建的BIM模型应用于运维阶段，逐步实现模型信息的不间断集成［5-6］。目前基于BIM的风险分析研究主要应用于施工阶段［7-10］，在运维阶段的应用很少。基于传统管理模式的铁路站房，在实际运维管理中存在一定风险。对现场设备不了解、对各设备的信息统计不齐全等因素很容易促进运营管理风险形成，由此可见，风险是影响运维的重要因素。引入BIM技术可实现远程可视化管理，从而降低运维过程中出现的风险。

BIM作为计算机与土建专业衔接的中间桥梁，也作为站房全生命周期的信息承载体，能够为站房的运维管理提供一定价值，在降低风险方面起到了重要作用。以京张高铁昌平站为例，根据实际运维管理，研究BIM技术在铁路站房运维风险分析中的应用。

1 站房运维风险

风险管理的概念最早起源于19世纪，随着信息技术的发展以及新风险不断出现，风险管理在全世界各行各业得到广泛应用。在我国铁路站房运维管理中，也存在不同类型、不同损害程度的风险因素。风险管理的整个流程包括4部分内容，即风险识别、风险评估、风险评价以及风险处置。具体流程见图1。风险管理整个过程是一个新风险源不断出现、风险管理过程不断循环、风险处理意见不断更新、风险处理方法不断改进的闭环流程。

1.1 风险分类

铁路站房运维管理是基于前期设计阶段和施工阶段图纸信息与工艺工法完整性、合理性、规范性的理论和实践基础，因此，站房运维管理需要集成设计期、建设期的数据信息，以实现运维阶段的高效管理、合理运作、降低运营成本等目标。站房在运维管理过程中，存在多种不确定风险源，直接或者间接导致运维过程复杂、检修维修过程耗时、运营投资高等后果。风险分析成为站房运维管理必不可少的专项工作。目前，在铁路站房的运维阶段，主要存在的风险类型有：

（1）各阶段信息不齐全。运维管理采用的信息包括设计、建设、运维等阶段的各类信息。各类信息不齐全可能阻碍运维管理正常进行，运维管理存在的风险源见图2。

图2 运维管理存在的风险源

（2）管线排布错综复杂。铁路站房运维管理中，不仅需要对房屋的建筑结构进行维护保养，也需要对室内的设备管线进行检查检修。站房中各专业管线排布必须依托土建专业的主体结构，土建专业实体建筑为各专业管线正常排布提供了必要的承载体。站房中管线主要涉及专业包括给排水、暖通、电气、信息等。在现场运维管理中，由于各专业设备管线布置在楼板层与天花板之间，因此存在多用途、多类型、多专业的设备管线交叉分布现象，导致管理过程复杂。各专业分类情况见图3。

图3 铁路站房专业分类

1.2 风险分析

风险分析采用的常用方法有：故障树分析法（FTA）、故障模式影响及危害性分析法（FMECA）、建模和仿真分析法等。在铁路站房运维管理中，需要不断对站房各设备进行检修维修，定期查看与实体设备、实体结构相关联的图纸信息、设备履历等。在上述风险分析方法中，建模和仿真分析能够直接反映设备信息。针对上述提到的2类风险，基于BIM技术的建模和仿真分析方法，采用Revit软件搭建BIM模型，实现风险分析的目标。

（1）各阶段信息不齐全。针对此类问题，可以通过各阶段的数据信息不断累积，逐步添加到模型中，实现设备的集成展示与调用。首先，在设计阶段，依据设计图纸搭建仿真模型，并在模型中添加设计期的属性信息，形成设计阶段的模型；其次，在施工阶段，将设计模型作为载体，依据建设内容添加建设期的属性信息，进而升级为建设阶段的竣工模型；最后，在运维阶段，在模型中添加运维期的属性信息，形成最终的运维阶段模型。Revit建模软件中添加的属性信息为静态信息，添加的数据信息为结构化数据信息，无法实现非结构化数据、动态数据实时更新，因此，需要借助二次研发，将非结构化数据（二维设计图纸、施工影响资料、动态运维管理资料等）关联到模型上，实现整个站房全生命周期数据的完整与正确性。站房各阶段信息缺失的风险分析方法见图4。

图4 站房各阶段信息缺失的风险分析方法

（2）管线排布错综复杂。各专业管线排布错综复杂，给实际运维管理造成一定难度。针对多专业设备综合管理、单专业维修检修记录分类存档的现象，需要运维管理人员去实际设备间、管廊层检修各设备的运行状况，造成检修耗时长等问题。因此，分专业、利用仿真模型实现可视化管理成为分析上述风险的重要途径，在风险分析过程中，主要将机电专业综合集成模型拆分成单一专业独立显示模型，并对单一专业模型的关键控制设备（如阀门、开关等）与普通设备（如管道）进行区分，实现在虚拟环境中模拟真实的设备运维管理，实现基于可视化技术的降低运营风险目标。多专业模型风险分析路径见图5。

图5 多专业模型风险分析路径

1.3 风险处置

各阶段的属性信息存在缺失等风险，处理该类风险的主要途径是基于IFC标准搭建BIM模型，在Revit软件中添加属性信息。在设计阶段，按施工图纸以及专业分类搭建BIM模型，并在后续各阶段将所需要的信息添加至BIM模型。在模型属性添加过程中，首先，需要确认属性名和属性值，同时需要对属性值的类型进行定义，如文字、尺寸标注等；其次，针对各设备的属性信息完整性，可以通过项目明细表查看各设备的具体信息，将信息不齐全的设备通过内部关联定位到三维BIM模型中，在可视化界面添加属性信息，实现模型中各构件属性信息的补充完善。

在BIM模型中初步添加属性后，需要对模型进行轻量化处理，实现模型的数模分离目标，降低模型的文件存储量，并利用WebGL技术，实现模型的线上发布，最终可以在多个客户端同时查看携带属性信息的BIM模型，达到多专业模型协同管理的目标。在BIM模型轻量化处理过程中，主要采用三角面片进行网格划分，在处理过程中去除冗余的几何形状，最大限度地使模型变小。轻量化后的模型，由于数据库与模型分别存在不同格式的文件中，二者通过GUID进行关联，因此可以对数据库中多余、无用的信息进行删除，并添加或修改模型中需要的属性，丰富模型的静态信息。

可以通过各系统的链路控制进行多专业设备模型管理。首先，依据既定的编码规则，为各专业的设备模型进行编码；其次，通过编码规则控制与其关联的设备属性。各设备的编码控制关系如下：

式中：Y1、Y2代表设备1和设备2的设备编码；Xi、xi分别代表设备1和设备2的编码中的各项字符；i为编码所占的字符长度，i=1，2，3，…，n。

（1）Y1中的前i位与Y2中的前i位各项字符相同时，如果Y1中的i+1位与Y2中的前i+1位各项字符不同，则设备1与设备2为同等级设备，不存在设备的上下级关系；如果Y1中只包含前i位字符，Y2中存在的字符数量大于i时，则设备1为设备2的上级，即：在实际设备运营中，设备1出现故障，必然影响设备2的正常运行。

（2）Y1中的前i位与Y2中的前i位各项字符均不相同时，则代表Y1与Y2为互不影响的设备，Y1的运行状况与Y2的运行状况无关联。

2 RReevviitt构建三维模型

为实现基于BIM技术的三维模型可视化，需要采用Revit进行建模，主要基于CAD图纸几何-矢量相结合的方式搭建模型。几何建模是利用Revit中自带的基础工具绘制出模型，再利用渲染材质对模型进行渲染，形成与实际相匹配的效果；矢量建模是将二维CAD图纸进行处理后，将CAD图纸导入至Revit模型，然后进行坐标系校核，快速形成三维BIM模型。昌平站站房BIM模型见图6，该模型是利用Revit搭建的BIM模型，并将图纸的设计信息添加到BIM模型中。图6左侧为昌平站站房模型，右侧为选中的坡屋顶具体信息，包括所在的标高、所属专业、设备大类等设计、运维期信息。

图6 昌平站站房BIM模型

3 应用实例

以京张高铁昌平站站房为研究对象，展开BIM技术在站房运营风险分析中应用的研究。京张高铁作为2022年冬奥会的重要交通枢纽，具有“智能京张”称号。昌平站地处北京昌平区，建筑面积为4 995.91 m2，地上1层，局部2层，地下1层，是京张高铁的重要交通枢纽站。结合昌平站实际情况，依据图纸信息搭建BIM模型，通过数据轻量化处理，基于WebGL技术，在网页端发布了昌平站的BIM模型。在三维场景中，结合实际的业务应用，研发了模型查看、数据信息浏览、链路控制等功能。

（1）BIM模型信息浏览见图7，基于三维GIS底图，将轻量化后的BIM模型加载到GIS地图上。通过点击项目信息，可以查看昌平站的基本信息、建设信息。针对有变化的项目信息，依据实际运维管理情况进行修改。通过系统结构树，分层级查看各专业的设备模型，如给排水系统中，可以查看生活给水、生活排水等BIM模型，同时，能够查看各系统的数据信息。实现三维可视化状态下的信息管理，避免部分构件信息缺失等现象，为实际运维管理的信息调用提供捷径。

图7 BIM模型信息浏览

（2）各专业设备信息管理见图8。以给排水专业为例，图8（a）中绿色阀门为选中的阀门，红色阀门为控制该阀门水流的所有上级阀门，黑色管道为连接上级控制阀门与本阀门的设备。通过定位阀门设备，可以自动筛选出控制该阀门设备的所有上级阀门以及连接上级阀门和该阀门的所有管道。该功能可以指导实际运维管理中，本阀门正常运作状态与关联的上级阀门开关状态、故障状况等相互关系，给维修检修人员提供参考意见。

图8（b）中黄色与黑色交界处的阀门为选中阀门，红色阀门为选中阀门所控制的下级阀门，黑色设备为选中阀门控制的其他设备，包括管道、卫浴等设备。该功能可以辅助检修维修人员查看某一阀门运行状态对下级各设备的影响，模拟水流经过该阀门后，对下级设备的供水状态展示，从单一专业角度，形象地模拟自身管路运行状况，减少多专业交叉管路的识别时间。

图8 各专业设备信息管理

（3）各关键设备影响范围见图9。通过点击阀门，可虚拟展示该阀门运行状态对站房中房间的影响范围。图9中，绿色为选中阀门，红色为受该阀门影响的房间，即1#女卫生间、1#男卫生间、饮水处、4#卫生间。该功能可以虚拟展示机电设备运行状态对实际房间的影响区域，指导检修维修人员在合理时间段内关停相应设备，最大限度地减少对旅客出行的影响。

图9 各关键设备影响范围

4 结束语

对铁路站房运维管理中各阶段信息不齐全、多专业管线排布错综复杂等现象进行了详细的风险源分析，提出利用BIM模型解决问题的办法。基于BIM技术、数据轻量化、WebGL技术，在三维可视化平台中，展示与实际运维管理相对应的数据信息，避免数据缺失。按专业划分机电设备模型，在可视化界面虚拟现场检修维修过程中各专业关键设备的控制关系，即上级链路、下级链路和影响范围，解决维修检修人员无法快速定位到故障设备的问题。

随着计算机技术发展，BIM技术在铁路站房运维风险分析中的应用更加广泛，深度挖掘BIM价值，利用BIM、物联网、互联网相结合的技术，通过智能化数据分析，降低运维成本，需要进一步进行研究与探索。