建筑信息化模型技术对铁路建设影响的研究综述

王惠

（重庆交通大学交通运输学院，重庆400041）

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息化模型。建筑信息化模型（BIM）以三维数字技术模型为基础，将工程信息的各种数据集合成工程数据模型[1-2]，美国国家标准对BIM 的解释为工程建设项目整个生命周期的一切信息的数字化表达，将一维的生命周期工程数据模型转化为三维设计参数模型，为所有参与方提供高效、可靠的决策根据，促使各参与方高效、协同、一体化地实现建设作业[3-4]。作为工程建造管理规划的一种信息化手段，BIM 技术通过对模型和参数的整合，将数据、3D 模型、规划结合在一起，目的是保证工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，在保证工程质量、降低成本和缩短工期方面发挥重要作用。国外的BIM 技术主要集中应用在建筑工程领域，在隧道工程方面较少涉及[5]。

交通在人们的日常生活中是一个极为重要的组成部分，党的十九大报告中也明确提出“交通强国”的概念，随着《中长期铁路网规划》政策的实施，中国铁路的建设已经进入高潮，并在全国范围内展开[6]。目前，随着在民用建筑领域内BIM 技术应用的相对成熟，BIM 技术逐渐被引入其他更广泛的工程项目领域[7]。高铁建设是一项复杂的系统工程，具有工程规模大、技术标准高、质量要求严等特点[8]，高铁建设项目管理信息化以BIM 技术为支撑，从以业主为主导的多方协同管理的角度出发，可改变建设项目各参与方的交互方式，实现提高工程建设效率、降低工程建设成本、保障工程建设安全、提升建设项目质量的多目标管理[9]。

在中国，陈前等[10]利用分析和模拟工具评估设计有效提高了工程的性能和整体质量。杨书生[11]以信息化协同管理系统在济青高铁项目中的应用，提出了BIM 技术有效地减轻了业主方项目管理团队的工作强度，减少了相应岗位的人员设置，减少了管理成本开支，打造了铁路建设信息化管理的结论，肯定了BIM技术在铁路建设规划中的积极作用。宋战平等[12]以BIM 技术为基础，提出了全寿命期内隧道协同管理平台的初步组成体系。赵媛媛[13]应用广联达BIM5D 管理平台，对沙坪坝综合交通枢纽改造工程施工进行了应用。本文以各种文献和资料为依据，对BIM 技术在中国的铁路轨道规划中产生的影响进行分析。

1 BIM 技术的应用优势

1.1 可视化设计的展现

BIM 技术带来的首要优势在于其可视化的3D 技术，对于铁路轨道建设规划来说，例如桥梁钢筋的分布和绑扎，均可用3D 模型进行直观的展示。

BIM 模型本身是由BIM 软件采用参数化建模方式创建的，各构件之间的相互关系可通过三维模型进行直观展现。同时，BIM 模型中的参数化属性信息，也将为BIM 技术在全生命周期中的应用提供精确的数据支撑[7]。

1.2 设计、修改、调整同步进行

应用BIM 技术设计之后，若图纸出现任何错误和需要调整的部分，在进行修改的同时，与之相关的三维模型会自动按照参数进行实时更新，更新成能够参数化的规则，借助辅助的交互系统也可以检查视图中的碰撞，改动后的结果可以在模型和所有的视图中准确地反映出来。BIM 模型不同于以往三维模型以点线面结构进行网格组织，BIM 模型中各构件均采用数据驱动进行网格组织。

1.3 对建设规划工期进行预测

施工进度计划是预算工期和人力物力的一个重要手段，以前的进度计划必须人为进行调整，且每一次的调整都会导致需要对紧随其后的计划进行重新的估计和预测。而BIM 技术利用模型的统一管理，促进各专业间的协同工作，及时发现和解决各专业之间的冲突，减少后续的不必要的返工。同时，利用BIM 技术各专业可以同步开展工作，而不必在等待其他专业完工后再开始工作，大大缩短了整体工程周期[2]，并对相应的人力、物力、财力以及人员进出场时间进行调整。

1.4 对建设施工现场进行可视化布置

BIM 技术以其可视化的特征，使施工现场以及施工部临时设施可以3D 形式呈现，对管理者合理的使用临时用地有着积极的作用，管理者可通过施工场布设计软件，对员工的宿舍、食堂、办公用地以及材料堆放用地进行合理的规划，在减少用地的基础上，缩短员工的出行时间，以确保人员和财产安全。

1.5 成本估计

BIM 技术采用参数化形式，对每个部件进行成本定义，在建成BIM 模型后，各个部件的成本和建设成本都会有所显示，可以对工程进行更精准的成本估计。

2 BIM 技术对铁路建设规划的影响

自2003 年中国引入BIM 技术以来，BIM 技术在铁路建设规划中逐步应用于3 个方面：施工图初始设计；施工设计安全性等方面的检验，例如碰撞试验；施工工期、成本的设计。铁路工程BIM 应用主要体现在路基、桥梁、隧道、站房与四电集成等专业设计中。在桥梁方面，进行桥梁BIM 应用，主要包括参数化建模、三维协同设计、工程量统计、设计库管理、碰撞检查、二维工程图、施工仿真和运维管理等工作；在隧道方面，建造基于施工细度全隧道模型，包括洞门模型、明暗洞模型、辅助坑道模型、附属洞室模型与防排水模型；在站房方面，开展以BIM 技术为基础的站房三维建模与施工图交付标准；在四电、路基等方面，也开展了诸多有益探索研究和BIM 技术可视化模型设计[14-20]。BIM 技术对铁路规划设计的影响有以下几个方面。

2.1 获得更加清晰的铁路工程地形、地质模型视图

在引进BIM 技术之前，中国铁路轨道设计主要是手工绘制或者用简单的CAD 绘图软件进行绘制。近年来的多个工程均将铁路工程地形、地质做成模型视图，例如2015 年开始施工的济青高铁项目中，在设计阶段通过系统的BIM 三维模型功能模块，更直观地显示了工程形态[11]；为改善铁路站场场坪工程传统二维设计中存在的弊端，实现铁路站场场坪工程的BIM 正向设计，以三维设计为核心，利用BIM 软件，对该平台进行二次开发，设计并建立了铁路站场场坪的高精度BIM 模型等[17]。

2.2 采用“BIM+GIS”技术进行线路规划和车站选址

在引进BIM 技术之前，工程路径规划和站台的选址大多数采用现场勘测和GIS 技术考察所得到。在引进BIM 技术之后，国内多个项目免除了多次现场勘测的步骤，采用BIM 技术和GIS 技术相结合的方式，对铁路路线和站台的选择进行规划。在济青高铁项目中，应用“BIM+GIS”技术，对区域真实的地形、地势等进行了三维实景模拟，并在此模型的基础上规划了多条路线，同时结合高铁的建设要求，选出了最优的路线[11]。在京张高铁中，项目组应用“BIM+GIS”技术，从勘察设计、施工到运维，实现全生命周期的数字、智能化管理[18]。

2.3 应用BIM 技术发现高铁规划中存在的问题

在早期铁路规划设计时，很多工程中的问题需要人工操作进行试验，甚至一些问题只有在施工现场才能发现，这不仅影响了工程施工的进度，也影响了工程的安全质量，同时设计返工所带来的成本增加等风险也逐渐增加。在最近几年，工程中的很多问题都可以用BIM 技术实现，例如结构碰撞试验、桥梁的抗剪抗压能力等。在上海沿江通道越江铁路隧道的修筑过程中，通过BIM 协同设计平台对雨水管道与桥墩进行碰撞检查[19]；刘钧祥[20]运用BIM 碰撞分析技术，发现某铁路隧道工程中局部径向锚杆与超前支护位置重合；在济青高铁项目中，应用系统的BIM 维模型功能模块，共发现设计问题1 600 余项，招标阶段通过系统的算量功能模块和计价功能模块发现清单问题100 余项，累计节约成本约1 000 万元[11]。

2.4 优化施工组织管理，节约工程工期和造价

应用BIM 技术可以预先计划工程工期和造价，陈川[14]提出BIM 技术应用施工图设计模型输出各清单子目工程量与项目特征信息，依据工程量清单中的分部分项优化模型数据，辅助编制、核查工程量清单，提高各阶段工程造价的效率和准确性；在济青高铁中，应用BIM4D 技术进行模拟，提出了“地面拼装、分段吊装、液压同步提升”的施工方案，缩短了1 个月的工期[11]。

3 研究总结与展望

随着BIM 技术的不断强化，BIM 技术对铁路建设规划的影响是显而易见的，BIM 技术穿插于铁路规划建设的整个生命周期中。国外对于BIM 技术的研究起步较早，理论性研究较为成熟，在实际应用上也较为广泛。不过，通过这几年的不断努力，中国在BIM 技术的研究以及实际应用方面取得了可喜的成绩。

但是目前，国内BIM 技术在隧道工程方面的应用还处在初级阶段，仍然存在很多问题：①中国未有较为全面的BIM 技术使用规范，这造成在铁路设计规划中，各设计单位的设计出现了分歧。②BIM 在中国被广泛应用于建筑行业，在铁路建设方面使用较少。铁路型BIM 技术人员太少，是造成这一现象的原因之一。③国家投入力度不够，国家在促进科技强国的同时，在对BIM 技术的引导上，仍然有所欠缺。

总而言之，首先，国家在引进BIM 技术后，相应的技术规范也需要逐步提上日程，使BIM 技术更适用于当下的铁路规划中；其次，应加大BIM 应用型人才的培养，引进国外BIM 技术应用型人才，特别是铁路规划设计型人才，各高校可以将BIM 技术引入学生的学习中，挖掘BIM 与其他技术相衔接的应用型人才；再次，各施工单位在对铁路施工规划时，可以加大对BIM 技术的投入，促进中国BIM 技术的大力发展；最后，虽然中国铁路行业已经组织形成了BIM 相关联盟，但是利用市场去激发BIM 技术的使用是很局限的，所以国家层面需要加大对BIM 相关技术的引导。