铁路工程BIM正向设计的思考与实践

李俊松，董凤翔

（中铁二院工程集团有限责任公司BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

近年来，我国在建筑、铁路、公路等行业广泛展开BIM技术应用研究，并带来了革新性变化［1-2］。据不完全统计，2017年，我国建筑业32.90%的企业BIM投入经费在10万元/年以内，3.30%的企业BIM投入经费超过500万元/年；截至2021年，各企业BIM投入经费均有较大提高，仅5.69%的企业BIM投入经费在10万元/年以内，19.77%的企业BIM投入经费超过500万元/年。由此可知，BIM应用已经成为提升企业核心竞争力的必要手段［3］。

伴随国家推进工程行业数字化转型的浪潮，铁路工程项目在设计过程中的各项管控质效要求显著提升［4-5］。由于铁路工程设计涵盖专业众多、BIM正向设计软件开发难度大，在接口编写、成果交付、模型审查等方面缺乏全国统一标准，致使BIM技术多用于可视化方案展示、“错漏碰缺”检查等，未能真正发挥BIM技术的价值。同时，多数专业基于BIM技术的正向设计尚未形成系统的解决方案、标准流程、交付方式和内容，极易导致BIM设计效率低下、设计成果质量不高等问题。铁路BIM联盟针对铁路行业出台了一系列铁路BIM团体标准，各相关设计院也在此基础上积极开展BIM正向设计标准化工作［6-8］。依托该系列标准，中铁二院工程集团有限责任公司（简称中铁二院）基于Bentley数字化平台的专业线性建模软件Open Roads Designer（简称ORD），开发了铁路工程站前各专业的BIM正向设计软件。其中，隧道专业软件的BIM正向设计功能最为系统、全面。

1 问题剖析

BIM正向设计是对传统铁路工程项目设计流程的彻底变革，使得铁路工程各专业可以通过直观的三维模式展现，从而有效提高铁路工程设计的效率、准确性、协调性。但是，铁路工程BIM正向设计的推广进度尚未达到预期，其阻碍因素包括社会、政策、管理、技术等方面。其中，社会因素决定了BIM正向设计的生存环境，如各软件厂商的支持、社会培训健全度等；政策因素决定了BIM正向设计的发展环境，如政策支持、政府经费支持、国家标准制定等；管理因素是制约BIM正向设计的内在要素，如企事业单位内部顶层领导的支持、基层技术人员的认知等；技术因素是BIM正向设计能否顺利推动的核心要素，如标准统一、专业协同等。

作为铁路BIM正向设计的核心要素，技术因素主要包括标准、协同、效率、共享等4个方面：

（1）标准方面。体现在现阶段国家、行业缺乏统一的BIM标准，且未能颁布类似二维出图的强制性规范、标准。

（2）协同方面。体现在铁路工程各专业BIM设计软件多为单机版，难以实现专业间、专业内的实时协同，而跨平台协同更加困难。

（3）效率方面。体现在现有大多数BIM正向设计软件实际为翻模工具，缺乏符合设计习惯的流程、操作交互，导致设计效率低下。

（4）共享方面。体现在缺乏行业、企业内部成熟的BIM构件库，不同阶段、不同软件的BIM成果不能高效流转，导致模型、数据的复用率低。

2 整体规划

铁路工程专业众多，各专业BIM正向设计技术路线及应用内容并不完全相同，但面临的问题却大同小异。因此，可按照“统筹规划、分专业突破、并行协同”原则，制定铁路工程BIM正向设计整体规划（见图1）。由图1可知，规划内容主要包括：

图1 整体规划

（1）贯彻国家、行业相关标准，结合科研项目编制项目级、线路级技术手册和应用指南。

（2）在项目管理、设计过程、设计校审中，实现多专业、单专业的BIM协同，利用中心数据库实现数据级协同。

（3）研究正向设计过程中的关键技术，开展单专业BIM设计软件的开发，通过项目试点应用，保证设计工具落地。

（4）利用知识库实现方案、成果、标准、资源等的共享，利用标准化交付、成果归档等方式，实现与其他各参建方的共享。

3 具体措施

3.1 标准方面

截至2021年，铁路BIM联盟已在铁路工程行业颁布了16部铁路BIM相关标准与指南，但在BIM正向设计领域仍未形成国家层面的统一规定和强制性规范、标准。目前，很多铁路工程项目制定了项目级BIM标准，在一定程度上促进了行业标准的可实施性和落地性，但也进一步降低了标准的统一性［9］。同时，由于行业标准难以统一，使得主流软件对铁路行业BIM正向设计的支持力度不够，有针对性的功能开发不全，降低了行业软件可用度。因此，中铁二院在隧道专业BIM正向设计软件开发中，以行业、项目标准为基础，对专业间的数据接口进行了规范，并通过课题立项促进了软件研发的可持续性。隧道BIM正向设计软件的标准融合见图2。

图2 标准融合

3.2 协同方面

在铁路工程BIM正向设计中，协同方面存在的问题主要体现在跨专业实时数据协同难、专业内设计过程协同欠缺、设计阶段成果与外部参与方协同较差［10］。中铁二院开发的隧道专业BIM正向设计软件利用Bentely Projectwise解决了对外的协同问题；利用数据库同步的方式，解决了多专业协同问题；利用MySQL数据库，实现了专业内设计过程数据的实时共享，解决了单专业协同问题；进一步研发了进出口处与其他专业接口的设计工具，实现隧道与桥梁、路基等专业交界处的快速、精确设计。该软件的协同设计见图3。

图3 协同设计

3.3 效率方面

目前，隧道BIM设计软件多为翻模软件，前期仍采用AutoCAD开展设计工作，存在设计分离、工作负担有增无减、投入产出严重失衡等问题［11］。中铁二院在隧道专业BIM正向设计软件开发中，通过读入excel、txt、word、mdb等文件，实现与线路、地质、测绘等专业的数据接入；开发了针对线路参考图、通用参考图、可研概略设计等的通用设计模块；开发了可满足单工点的衬砌分段、施组、碴场、附属硐室、刷坡等功能要求的工点设计、辅助坑道设计、特殊设计等模块；开发了可提供二维出图、工程算量、BIM模型输出等功能的设计输出模块。该软件的功能展示见图4。

图4 功能展示

3.4 共享方面

现有铁路工程BIM设计软件多为单机版，难以实现跨软件、跨阶段、跨专业的数据模型共享，设计经验及成果也难以通过数据方式积累与共享［12］。隧道专业BIM正向设计软件采用C/S模式开发，基于MySQL数据库研发后台功能，实现了与ANSYS、ABAQUS之间的数据动态交互，实现了与施工方管理系统之间无损数据、模型共享，还能导出国际公认的IFC格式，实现与其他软件、系统的数据与模型共享，最终实现设计成果在协同工作平台自动归档的目标。该软件的多维度共享见图5。

图5 多维度共享

4 结束语

通过多年BIM应用实践，结合多专业BIM设计软件研发经历，尤其通过隧道专业BIM正向设计软件的开发研究，对铁路工程BIM正向设计的应用与推广提出以下几点思考：

（1）做好统筹规划。BIM技术应用是一把手工程，需结合行业及企业特点，提前部署、顶层规划，从更高维度制定总体发展路线、出台统一标准、选择基础平台，从而具备明确的发展目标，避免方向性错误。

（2）抓好软件研发。通过持续开展软件研发，提高BIM正向设计的投入产出比，解决其投入大、门槛高、效率低等问题，才能使BIM正向设计被决策者和设计人员所接受，实现铁路工程全专业的推广与应用。

（3）强化人才培养。BIM正向设计需要的是集专业经验、BIM技术于一体的复合型人才，各单位需要结合人才引进、自主培养、考核奖励等措施，逐步壮大BIM设计人员队伍，使企业真正具备BIM正向设计的能力。

（4）落实试点应用。全专业、全项目BIM设计是一项庞大的工程，在前期不宜全面开展，应从单点工程、优势专业出发探索技术路线，在技术完全实现之后，再带动其他专业实现全面应用。