雄忻高铁地下段工程BIM建模与交付标准框架研究

2023-11-20宋树峰

国防交通工程与技术 2023年6期

宋树峰

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

雄忻高铁地下段工程涉及参建单位众多、空间关系复杂,铁路路内、路外工程一体化实施难度大、建管要求高。采用BIM技术能够有效整合参建单位间的信息流、数据流,实现空间关系的精确呈现与协调,为复杂的路内、路外一体化工程提供高水平的协同作业条件,从而应对高难度施工与建管挑战。但是,现阶段各行业在国家和行业层面均缺乏统一的BIM标准,更未颁布类似二维出图的强制性规范、标准,无法满足项目建设管理的迫切需要[1]。

雄忻高铁地下段工程项目团队坚持以质量为核心,以创新为驱动,以统一的数据交互标准为基础,以满足数字孪生、建设管理等下游应用[2]需求为出发点,牵头编制《雄忻高铁地下段工程BIM建模与交付标准》(以下简称本标准),规范设计成果接口,从源头保证数据传递的连续性和有效性,并构建虚拟现实系统,搭建设计资源发布系统,对数字资产进行统一归口管理,有力推动项目的一体化建设工作。

1 地下段工程面临的问题与挑战

(1)雄忻高铁地下段工程设计协调难度大。雄忻高铁地下段工程是一个涉及铁路、市政、水利、园林等多领域、多学科、多专业的系统工程。其工程范围长约24.8 km,轴线宽度一般为135 m,局部随规划布局展宽,包含沿线枢纽车站、铁路、道路、地下空间、中央绿带、综合管廊、管线、河道水系等工程建设内容。各项工程内容相互交叉,空间关系错综复杂,行业间、专业间接口众多,一体化设计要求高,设计协调难度大。

(2)雄忻高铁地下段工程涉及BIM软件多,格式不统一。作为典型的综合性工程,雄忻高铁地下段工程各行业设计阶段有先有后,审核流程各不相同,行业间工程内容互相交叠,极易出现设计冲突、结构碰撞、施工干扰等问题,开展多行业BIM设计需求迫切。同时,本工程各行业采用的BIM设计平台各异,包括达索、奔特利、欧特克、鸿业等多个,涉及超过10多种BIM文件格式;多行业的BIM成果体量巨大,对集成平台的数据承载能力要求很高。

综上,亟需结合项目需求,编制雄忻高铁地下段工程BIM建模与交付标准,满足项目各行业BIM设计成果向平台的交付需求,保证数据在项目各方之间、工程全生命周期之中进行无损传递和共享。

2 多行业标准编制现状

建筑、铁路、市政、水利、园林等行业均具有本行业的BIM标准体系,各行业标准既具有本行业的特点,在标准适用范围、模型精度、信息深度等方面又存在一定的交叉部分,甚至存在部分冲突的内容,使得项目BIM设计成果难以同时符合所有行业标准。

(1)建筑、铁路、市政、水利等行业均分别制订了本行业BIM标准:在建筑领域,我国BIM标准化工作起步较早,已形成相关标准体系。2010年,清华大学软件学院BIM课题组参照美国NBIMS标准提出了中国国家BIM标准——CBIMS标准框架体系[3]。2012年,住建部启动BIM标准编制工作,并陆续发布了《建筑工程信息模型应用统一标准》《建筑工程信息模型设计交付标准》《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》等国家级BIM标准。

在铁路领域,铁路BIM联盟(以下简称联盟)自2013年成立以来,积极推动铁路BIM标准的研究和编制工作。2014年,联盟完成并发布了《中国铁路BIM标准体系框架》。在此框架指导下,联盟在2014年至2019年间,陆续编制并发布了15项铁路BIM标准,并于2020年在“全国团体标准信息平台”正式发布,成为合法团体标准。2017年,国家铁路局启动了行业BIM标准《铁路工程信息模型统一标准》(TB/T 10183-2021)的编制工作,并于2021年发布和实施[4]。

在市政领域,目前尚无正式发布版本的BIM标准体系及标准[5]。2015年,中国勘察设计协会市政工程设计分会发布了《中国市政设计行业BIM实施指南(2015版)》,该指南已于2017年正式出版[6]。该指南总体编写原则参照国家BIM标准,并对国家BIM标准进行深化。基于建筑领域国家标准,市政行业计划编制《中国市政设计行业BIM应用标准》《中国市政设计行业BIM设计标准》《中国市政设计行业BIM交付标准》和《中国市政设计行业BIM编码标准》四项行业标准。

在水利领域,中国水利水电BIM设计联盟自2016年成立以来,组织编制完成了《水利水电BIM标准体系》[7],并先后发布了《水利水电工程信息模型分类和编码标准》《水利水电工程信息模型存储标准》《水利水电工程信息模型设计应用标准》和《水利水电工程设计信息模型交付标准》四项团体标准,用以指导和规范水利水电行业BIM设计工作。

BIM技术在园林工程的应用较少[8]。在园林领域,目前尚无正式发布的行业BIM标准。

(2)各行业BIM标准间存在内容重叠和定义不统一的情况:建筑、铁路、公路、水利水电、市政、城市轨道交通等行业均在制订本行业BIM相关标准。虽然各行业领域均有自身工程特点和本领域特有工程内容,但不同的行业领域间也存在大量重叠的工程元素,如地理信息、工程地质、路基、桥梁、隧道、排水等内容。理想状态下,各领域重叠工程元素信息模型的定义应统一,但从目前已经完成的各行业BIM标准情况看,各行业均根据自身需求分别定义了该部分内容,为跨领域信息模型集成应用带来困难。而且,跨行业信息模型的统一定义工作量大,协调组织困难,目前还难以实现。

因此,本标准的编制应满足多项交付平台要求,结合项目设计、施工、运维需求,弥合多行业、多专业间隙,求同存异,为项目的顺利实施提供理论基础和标准支撑。

3 地下段工程BIM建模与交付标准框架

根据前述项目特点和标准编制背景,在类似多行业汇集的BIM总装集成类项目中,其项目BIM标准的编制应尽量满足项目建设、管理需求,严格遵循国标、地标等上位标准;同时应求同存异,规范和统一在数据组织管理、建模精度、数据交付等共性方面的关键要素,差异化行业间特异性要素,平衡好多行业间的标准冲突,并重点解决多行业间接口问题。

因此,本文提出了一种总分结构的适用于多行业BIM成果融合应用的BIM标准组织架构,首先阐述多行业间的共性要求,形成项目基本规定;然后根据项目各行业特点,分行业阐述行业个性化需求;兼具行政管理与技术管理特色。

本标准框架主要分术语和缩略语、基本规定、信息模型应用、行业规定、附件五大部分,各章节主要内容如图1所示。其中,基本规定章节阐述了各行业在BIM设计及交付过程中的通用性规定;信息模型应用章节从应用角度出发,指出地下段工程项目中信息模型的主要应用方向;行业规定章节从行业特定角度出发,分行业详细阐述其相关要求;附件部分则列举了标准正文中提及的各种表格和图表文件。

3.1 基本规定

基本规定是雄忻高铁地下段工程多行业BIM成果总装集成应用需要规范和统一的关键要素,是本标准框架的核心约束,分为建模与交付基本原则和信息模型交付两大部分。建模与交付基本原则部分约束了建模精度、信息深度、构件识别要求等基本原则;信息模型交付部分约束了模型审核、轻量化要求、交付结构等BIM交付信息。

3.1.1 统一坐标系

本标准统一采用新区城市坐标系,以减少因坐标系转换造成的精度损失。

3.1.2 对设计资源发布系统要求

本项目所有设计成果均需基于设计资源发布系统进行发布管理。本标准就多行业BIM设计成果在交付物归档、外部数据接口、模型信息管理等方面的需求,对设计资源发布系统提出了明确要求。

3.1.3 统一GUID

为确保多行业BIM数据集成之后,构件能够被准确地识别并支撑其全生命周期管理,本标准明确规定模型单元必须具备全局唯一标识符GUID(Globally Unique Identifier)。通过采用全球唯一标识符(GUID),确保了构件的唯一性,有效避免了重复情况的发生。

3.1.4 建模尺度约束

将BIM模型在GIS软件中进行集成应用是BIM模型的一个重要应用。目前市面上所有的BIM设计软件均采用平面直角坐标系,而GIS软件均采用大地坐标系,也就是地理坐标系[9]。在平面直角坐标系向大地坐标系转换的过程中,通常采用点投影的方式。部分软件会将BIM模型的所有点均进行投影,另外一些软件为提高计算速度,会采用仅投影BIM模型基点的方式,这会造成长大模型的明显变形。为提高BIM模型向GIS软件转换时的兼容性,本标准规定线性工程模型单元几何尺寸不宜大于2 km。

3.1.5 非结构化信息归集

从建筑行业看,结构化数据信息通常只占建筑信息总量的15%～25%[10]。雄忻高铁地下段工程作为综合性建设项目,其非结构化数据的比例远高于此。为提高信息的完整性,本标准以信息模型关联文档的形式对非结构化数据的内容进行了约束。信息模型关联文档主要包括:工程概况说明、地质纵断面数据、钻孔桩数据、管线数据、用地红线数据、设计平面布置图、规划资料、河道用地范围、保护区范围、重要标注信息、勘察资料、模型材质文件等。信息模型关联文档可以以doc、docx、xlsx、dwg、txt、jpg、bmp、pdf等多种格式提交。

3.1.6 图模一致性要求

目前,各设计单位在BIM设计方面通常采用先进行二维设计,然后再进行BIM设计的“翻模”方式。直接将BIM设计成果用于生成施工图的实践案例目前仍处于测试阶段,大规模的实际应用相对较少。而且,现阶段的“翻模”过程普遍以人工识图建模为主,自动化程度较低。因此,在BIM设计过程中,经常会出现二维设计与BIM成果之间存在不一致的情况。

为解决这一问题,本标准针对图纸和模型之间的一致性进行了严格的约束,以确保最终的BIM成果与二维设计之间能够保持一致。这一条款旨在确保设计结果的准确性和可靠性,克服二维设计与BIM成果之间的不一致问题。

3.1.7 轻量化要求

鉴于雄忻高铁地下段工程多行业、多专业、多平台的特点,其BIM成果高度精细化,并具有庞大的模型数据规模,直接使用原始模型进行后续应用可能会导致加载速度慢、渲染效率低,甚至会造成集成平台崩溃等问题。同时,受制于当前技术水平,BIM模型在不同平台的BIM软件之间进行转换时,难以完全还原最初的建模过程,对BIM设计过程的修改也往往只能在原始建模平台中进行。

因此,为降低模型体量,减轻后续单位应用BIM设计成果的复杂度,本标准规定所有交付的信息模型应剔除建模过程数据,仅保留最终设计成果。

3.1.8 交付物结构树

需要满足规建局报审、欧赛(OpenDesign)系统交付、CIM平台交付等多项交付需求。本标准在编制过程中,综合考虑各平台要求,制订明确的电子文件交付结构和命名规则。电子文件交付时应按“顺序码-项目名称-阶段-行业-线路-专业-设计单元”的层级结构组织。电子交付物应按“项目编号-项目名称-设计阶段-行业-线路-专业-设计单元-文件内容-版本号”的顺序进行命名。交付物组织结构如图2所示。

3.1.9 模型审核签署单

与二维设计相比:一方面,BIM设计软件种类多,软件操作繁琐,上手难度大,出错概率高;另一方面,BIM设计成果的审核流程、审查制度均处于研究探索阶段,尚未形成明确上位标准,且缺少自动化校核工具。以上多方面原因共同造成当前阶段实际项目的信息模型质量参差不齐。

为保证地下段工程项目各单位BIM设计成果质量,必须结合现有技术手段,建立适当的文件送审制度,并以“模型签署单”形式进行确认。标准中对模型送审及模型签署单的具体内容进行了明确。

3.1.10 交付格式要求

在建筑领域,IFC是一种公开的且基于对象的标准交换格式,规范了建筑工程领域各个阶段所涉及的各类信息[10],基本涵盖了建筑项目全生命周期的应用需求。在铁路领域,通过对IFC标准进行扩展的方式实现铁路BIM数据存储标准。近年来,各大BIM软件对IFC格式的支持也越来越全面,达索、奔特利、欧特克三大平台均能较好的支持IFC格式的输出,因此本标准选取IFC格式作为交付的主格式。同时,规定交付电子文件时一并提交原厂格式文件(包括3d xml、rvt、dgn等),以便在IFC文件存在问题时进行校对。

3.2 信息模型应用

虽然BIM、CIM等方法近年来得到了快速发展,但现有信息模型成果仍无法满足数字孪生等多样化应用的需要,更不存在一种模型或建模方法能够满足所有应用场景需求。信息模型的应用需求将直接影响建模的范围、精度、格式等关键内容,因此,建立灵活且适用于项目多应用需求的信息模型是一种发展趋势。在本标准框架中,通过对雄忻高铁地下段工程设计及设计交付阶段各应用需求的进一步分解,明确了在设计优化、虚拟现实应用、空间校核等应用的实施内容、实施过程。

图2 交付物组织结构

同时,为解决传统工程项目组织模式中存在的BIM应用责任主体不明确、参与方之间推诿问题,本标准框架在制订过程中,通过业主组织各参与方提前预设责任分工的方式,明晰了BIM应用实施的各方责任,为BIM应用的顺利落地扫清了障碍。

3.3 行业规定

行业规定章节按行业细分为铁路区间工程、铁路地下站及配套工程、市政工程、水利工程和园林工程五个部分,分别阐述了铁路、市政、水利等行业在各自领域的特异性需求。本章内容是在各行业标准框架的约束下,结合地下段工程的应用需求,对各行业标准进行项目级内容的适配和深化。

每个行业都被细分为11个小节,包括BIM设计范围、设计单元划分、采用标准、建模软件、建模内容、组织结构、几何表达精度、信息深度、命名规则、颜色与材质、数字移交。这些小节详细规定了本行业在地下段工程BIM建模和交付中各项内容。在BIM设计范围小节中,对BIM设计的里程范围、长度信息和主要工点信息进行了阐述;设计单元划分小节详细说明了设计单元的具体划分情况;采用标准小节明确了本行业在BIM建模和交付中应用的其他标准;建模软件小节对采用的BIM建模软件进行了限定;建模内容小节明确了进行BIM建模的专业和具体内容;组织结构小节阐述了本行业BIM建模和交付中采用的构件层级结构;几何表达精度小节规定了BIM成果在几何维度的精度;信息深度小节规范了BIM成果的属性信息内容;命名规则小节对BIM建模过程中各节点的命名规则和交付过程中各文件的命名规则进行了限制;颜色与材质小节对BIM成果的颜色和材质信息进行了约束;数字移交小节规定了BIM成果交付的格式和方式。

4 标准验证与发布

本标准的形成经过初稿编制、讨论修改、专家评审、项目验证、上位标准对齐等多个阶段。2020年7月本标准进行了专家评审。评审会之后,本标准在雄忻高铁地下段工程BIM总装集成工作中进行了验证性试验。2020年8月～12月期间,应用本标准在“雄忻高铁地下段工程BIM虚拟现实系统”中成功对雄忻高铁地下段工程铁路、市政、园林、水利等多个行业的数据进行总装集成。系统集成后体积达到40 GB,经优化后约25 GB,运行流畅,系统集成效果如图3所示。

5 总结与展望

本标准框架的创新包括三个方面:①紧密围绕雄忻高铁地下段工程的多行业、多专业融合需求,首次总结并提出了一套适用于该项目的跨行业、综合性BIM建模与交付标准。这一标准框架在项目实施中成功应用,对于类似多行业综合体项目的建设和交付提供了有力的借鉴。②综合考虑了多行业的共性要求,形成项目的基本规定;然后根据铁路、市政等行业的特点,分行业详细阐述各行业的需求,层次结构清晰,适用性强。③标准框架中明确了BIM应用各方的分工责任,为标准的有效实施排除了障碍。