BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計中的推廣應(yīng)用分析論文

　　B IM技術(shù)自20世紀(jì)90年代提出至今，已經(jīng)從概念普及進(jìn)入應(yīng)用普及階段，從小范圍、企業(yè)內(nèi)試驗到局部范圍、多方協(xié)同試驗，并逐步向全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、全生命周期實施邁進(jìn)。國內(nèi)BIM技術(shù)在工業(yè)與民用建筑上應(yīng)用最多，也最為廣泛。在交通領(lǐng)域，無論公路還是鐵路均屬于概念普及或初步應(yīng)用階段。中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司(簡稱鐵一院)自2011年開始基于模擬仿真、真實感三維設(shè)計平臺的研究，2013年初開始逐漸加大BIM技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用工作，在多專業(yè)、多項目進(jìn)行了研究探索。

　　1 BIM團(tuán)隊的組建及周例會制度

　　B IM應(yīng)用不僅是設(shè)計工具的變革，也是一種設(shè)計理念、生產(chǎn)方式的變革，是一個長期而艱巨的變革過程。雖然BIM技術(shù)的應(yīng)用是工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢，但具有初期投入大，產(chǎn)出較小的特點，BIM技術(shù)研發(fā)需要企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視、鼎力支持，必須建立一套自上而下的推進(jìn)機制。2013年初，鐵一院成立以主管院長為組長的BIM工作設(shè)計協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組，各處成立以處長為主管領(lǐng)導(dǎo)的工作小組，挑選對計算機軟件有濃厚興趣、工作能力強、有朝氣的高學(xué)歷年輕人組成各處BIM研發(fā)團(tuán)隊，購進(jìn)針對BIM工作的高配置電腦及服務(wù)器。BIM團(tuán)隊制定出BIM整體工作計劃，建立周例會工作制度。按每周例會的形式定期對上周工作進(jìn)行總結(jié)、交流，對下達(dá)的任務(wù)情況進(jìn)行追蹤檢查，對疑難問題討論確定解決方案，布置下一周的工作任務(wù)及研究內(nèi)容，將工作分解到個人，分工合作、加強技術(shù)交流，對BIM技術(shù)的研究應(yīng)用起到了極大的推動作用。2013年5月份至今，BIM團(tuán)隊共進(jìn)行了20余次BIM技術(shù)的培訓(xùn)、學(xué)習(xí)和交流。

　　2 BIM建模平臺的選擇

　　無論在工民建或水電行業(yè)， 占據(jù)B I M 軟件平臺市場大多數(shù)份額的主要有3 家公司， 分別是歐特克(A u t o d e s k)、奔特力(B e n t l e y)、達(dá)索系統(tǒng)(Dassault Systems)，它們均有各自的BIM系統(tǒng)平臺及數(shù)據(jù)交換接口，并提出各自的解決方案。目前歐特克在建筑上應(yīng)用最多，奔特力在水電行業(yè)應(yīng)用最成熟，達(dá)索系統(tǒng)在建立3D模型方面有獨特之處。那么在鐵路工程上如何選擇合適的BIM軟件平臺呢?

　　首先，需要明確BIM應(yīng)用業(yè)務(wù)目標(biāo)。三維設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)比二維設(shè)計復(fù)雜，目前沒有任何一家公司軟件能夠解決所有BIM問題，也找不到任何一款軟件，其功能、性能、多專業(yè)支持、數(shù)據(jù)交換、擴展開發(fā)、價格、廠商實力等各方面都比其他軟件有優(yōu)勢的。只有根據(jù)主要業(yè)務(wù)目標(biāo)和項目的實際情況，選擇適合的軟件來完成相應(yīng)的BIM應(yīng)用內(nèi)容。

　　其次，應(yīng)對主流的BIM軟件平臺進(jìn)行深入調(diào)研，了解其軟件平臺的功能及其公司發(fā)展戰(zhàn)略，是否滿足BIM應(yīng)用的主要業(yè)務(wù)目標(biāo)或在可接受的時間內(nèi)解決所遇到的問題。不僅需要與BIM軟件公司進(jìn)行溝通交流，聽取其給出的鐵路工程BIM解決方案，更需深入探索使用或深入實際使用企業(yè)調(diào)研。

　　第三，綜合分析比較后，找到更適合鐵路工程的BIM軟件平臺。有了明確的BIM應(yīng)用業(yè)務(wù)目標(biāo)，又對各家軟件平臺進(jìn)行了深入調(diào)研，還需要考慮以下因素進(jìn)行量化的綜合分析比選。

　　(1)各家軟件平臺針對不同業(yè)務(wù)、不同專業(yè)，各有所長，要找出BIM應(yīng)用的關(guān)鍵業(yè)務(wù)、關(guān)鍵專業(yè)。

　　(2)服務(wù)承諾。所關(guān)注問題能否在能夠接受或符合制定目標(biāo)計劃的前提下予以解決。目前沒有專門的鐵路工程BIM軟件平臺，服務(wù)承諾對解決遇到的實際問題非常重要。

　　(3)關(guān)注后期施工、業(yè)主的需求。不僅考慮設(shè)計階段的需求，也對施工組織、多方協(xié)同、運營維護(hù)等方案提供予以重點關(guān)注，提供全生命周期的解決方案更具戰(zhàn)略意義。

　　(4)二次開發(fā)的開放性。任何一個軟件平臺不可能解決所有專業(yè)所有問題，而且隨著新項目的不同總會遇到新的問題。因此需要軟件平臺提供完善的二次開發(fā)接口，可自行開發(fā)或與第三方合作開發(fā)軟件插件，為解決新問題提供渠道。

　　(5)購買及使用成本。不同軟件公司的發(fā)展戰(zhàn)略不同，其軟件的購買及使用成本也不同，甚至差距很大。有的只提供基礎(chǔ)的軟件平臺，專業(yè)化的需要二次開發(fā)，有的可提供專業(yè)化的、完善的“落地”服務(wù)。提供服務(wù)不同，其購買成本會相差較大。不同軟件的本地化也不同，有些甚至沒有漢化版，對使用者的素質(zhì)要求也不同，其使用成本也是必須考慮的因素之一。

　　綜上所述，首先應(yīng)有明確的BIM應(yīng)用業(yè)務(wù)目標(biāo)，其次對主流的BIM軟件平臺進(jìn)行深入調(diào)研，在此基礎(chǔ)上綜合考慮軟件平臺主要性能特點、服務(wù)承諾、后期需求、二次開發(fā)、應(yīng)用成本等內(nèi)容，予以量化的分析比選，找到最適合鐵路設(shè)計院的BIM軟件平臺。

　　3 高效率高質(zhì)量建模是基礎(chǔ)

　　BIM為建筑信息模型的簡稱，是以三維模型為基礎(chǔ)，集成建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。從BIM概念可知，BIM模型是3D模型與工程信息的有機結(jié)合，三維模型是基礎(chǔ)，是工程信息的載體，而工程信息則是BIM模型的靈魂。高效率高質(zhì)量建模是設(shè)計院研究BIM技術(shù)需首要解決的關(guān)鍵問題。

　　以試點項目為依托，逐漸完善專業(yè)構(gòu)件庫。為提高構(gòu)件利用效率，所有構(gòu)件均采用參數(shù)化設(shè)計。模型除幾何模型外，應(yīng)包含正確、必要的信息，包括幾何尺寸、空間位置、分類信息、編碼信息、關(guān)鍵屬性、關(guān)鍵參數(shù)等，對于模型、構(gòu)件、屬性建立統(tǒng)一的分類命名規(guī)則。

　　B IM模型根據(jù)不同的用途，又分為專業(yè)設(shè)計模型、BIM綜合協(xié)調(diào)模型、BIM瀏覽模型。不同的模型需要不同的建模精度，即不同模型精細(xì)度和信息粒度。對所有構(gòu)件模型編制管理軟件進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括設(shè)計、審核、入庫、調(diào)用等過程控制。

　　4 多項目多應(yīng)用點研究探索

　　4.1 清涼山隧道十岔溝中橋

　　首先依托西成客運專線清涼山隧道十岔溝中橋項目進(jìn)行BIM技術(shù)研究，基于歐特克平臺建立相應(yīng)的族庫，組裝成橋隧BIM模型，在此基礎(chǔ)上研究了利用模型出圖、計算詳細(xì)工程數(shù)量、施工順序模擬、4D施工工法模擬、NWC格式交付標(biāo)準(zhǔn)等，以及與航測、地質(zhì)、通信、信號、接觸網(wǎng)等專業(yè)的模型融合，橋隧專業(yè)基于工作集的協(xié)同設(shè)計研究。在導(dǎo)入真實的地形數(shù)據(jù)信息后模擬工程實際場景，進(jìn)行了清涼山隧道十岔溝中橋整體漫游展示。同時編寫完成《鐵路工程BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)》(初稿)，把橋梁、隧道、地質(zhì)及地形等模型給施工單位進(jìn)行了交付，施工單位在交付模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行施工信息添加，形成工程建造階段的管理平臺。

　　4.2 西成線阿房宮站BIM項目

　　參與了阿房宮站的BIM模型建立。采用Revit建立站內(nèi)涵洞模型，包括正交和斜交涵洞洞身結(jié)構(gòu)族、洞口八字翼墻結(jié)構(gòu)族、翼墻基礎(chǔ)和泄床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)族，并完成了涵洞參數(shù)庫的建立;建立正交和斜交箱形橋模型，包括箱身和翼墻等結(jié)構(gòu)族。

　　4.3 陜西鐵路工程隧道實訓(xùn)基地

　　隧道專業(yè)以陜西鐵路工程隧道實訓(xùn)基地為例進(jìn)行了BIM技術(shù)的應(yīng)用研究。隧道實訓(xùn)基地建筑長度90 m，控制寬度32 m，按時速200 km鐵路單線隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，采用明洞結(jié)構(gòu)回填形式模擬山嶺鐵路隧道圍巖，內(nèi)部布設(shè)隧道施工工序。該項目雖然只有90 m，但涵蓋的內(nèi)容卻十分豐富，包括各種施工工法的開挖、支護(hù)、綁扎鋼筋、架設(shè)鋼架、安裝模板、防水板安裝、預(yù)埋件、拱墻仰拱混凝土澆筑、施工縫防水做法、監(jiān)控量測、洞門施工、邊坡防護(hù)等內(nèi)容。利用該模型可以進(jìn)行對見習(xí)生的培訓(xùn)工作。

　　4.4 廈門地鐵項目

　　廈門地鐵項目部進(jìn)行了統(tǒng)一策劃和部署，主要針對以下幾個應(yīng)用點開展工作：

　　(1)場地仿真。搭建周邊環(huán)境、施工場地模型，必要時采用點云掃描工具，完成既有環(huán)境的3D建模。

　　(2)管線遷改模擬。根據(jù)遷改方案分雨水、污水、電力、通信、天然氣管線按照臨時遷改、永久遷改進(jìn)行建模并檢查管線之間有無相互碰撞。

　　(3)交通疏解模擬。創(chuàng)建交通疏解方案相關(guān)要素模型，通過多媒體手段組織交通疏解方案過程。

　　(4)協(xié)同設(shè)計。利用BIM技術(shù)應(yīng)用管理平臺，使不同工作地點、不同專業(yè)的設(shè)計人員通過網(wǎng)絡(luò)基于同一個BIM模型進(jìn)行軌道交通三維協(xié)同設(shè)計。提高不同設(shè)計專業(yè)間信息的傳遞效率和傳遞質(zhì)量。

　　(5)管線綜合硬(軟)碰撞檢查。檢查設(shè)計中的錯漏碰缺，處理解決管線碰撞問題，優(yōu)化管線排布方案，減少施工階段因設(shè)計疏忽造成的損失和返工工作。

　　(6)空間利用及開洞檢查。分專業(yè)對已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行檢查，核實結(jié)構(gòu)開孔位置、設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)留、預(yù)埋件等是否滿足管線、機電設(shè)備安裝的需要，以避免施工中返工。

　　(7)基于BIM模型的生成圖紙，如建筑效果圖、平面圖、立面圖、剖面圖、3D視圖、大樣圖等，在設(shè)計變更后自動更新圖紙。

　　(8)施工模擬，利用BIM模型對結(jié)構(gòu)構(gòu)建按照工籌計劃時間進(jìn)行定義，以4D的方式進(jìn)行動畫演示。

　　(9)大型設(shè)備運輸路徑檢查。對大型設(shè)備安裝及檢修運輸路徑動態(tài)模擬，研究并優(yōu)化安裝及維護(hù)路徑方案。

　　4.5 陜西省涇河特大橋項目

　　針對陜西省涇河特大橋工程項目， 建立了涇河特大橋(80+136+148+136+80)m矮塔斜拉橋主橋(含橋塔、斜拉索)、3×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)彎梁、4×40 m先簡支后連續(xù)箱梁以及橋臺、橋墩、下部鉆孔樁基礎(chǔ)、橋面系、人行道、欄桿等全橋BIM模型族庫，并完成了施工過程Navisworks模擬、真實場景三維渲染展示動畫的制作。

　　4.6 其他工程項目應(yīng)用

　　(1)蘭新線跨蘭西高速特大橋(80+168+80)m連續(xù)梁加桁。為探索在鋼結(jié)構(gòu)方面的建模思路、方法及不同建模軟件間的兼容性，采用Inventor完成了蘭新線跨蘭西高速特大橋(80+168+80)m連續(xù)梁的桁梁BIM模型，采用Re v it建立了連續(xù)梁部分模型，并在Revit中拼裝完成該橋的整體BIM模型。

　　(2)西成線桃園大橋。橋涵專業(yè)建立了高速鐵路12 m寬橋梁結(jié)構(gòu)和橋上附屬結(jié)構(gòu)BIM模型。拼裝并提供一座(3-32+2-24)m大橋的全橋BIM模型，以供研究解決橋上接觸網(wǎng)與聲屏障干擾等問題。

　　(3)西安機場線渭河特大橋。利用已掌握的BIM技術(shù)，建立西安北至機場線重點工程渭河特大橋中跨越主河槽的(50+8×100+50)m連續(xù)梁、跨越蘭池大道(60+111+94+100+60)m連續(xù)梁及橋墩的BIM模型，并對矩形花瓶式橋墩與圓端形橋墩進(jìn)行了比選。

　　(4)茅以升公益橋。為了更好展示我院所推薦的公益橋方案，分別采用Revit、Inventor建立茅以升公益橋BIM模型，包括橋梁墩臺、RPC梁、欄桿附屬、節(jié)點板和螺栓等結(jié)構(gòu)族文件，加入時間參數(shù)后在Navisworks中模擬施工過程及在Inventor中展示拼裝過程，并在Lumion軟件里進(jìn)行背景渲染，制作了漫游動畫。

　　(5)敦格線當(dāng)金山特長隧道。敦格線當(dāng)金山特長隧道為外方咨詢項目，為更好與咨詢方進(jìn)行溝通交流，完成敦格線當(dāng)金山特長隧道三維展示模型的創(chuàng)建和效果圖制作，不僅達(dá)到了形象展示設(shè)計方案及設(shè)計意圖的目的，也體現(xiàn)出了鐵一院在BIM技術(shù)上重視及應(yīng)用。

　　5 結(jié)束語

　　盡管歷經(jīng)幾年的研究應(yīng)用探索，對BIM技術(shù)有了一定程度的認(rèn)識，但鐵路行業(yè)具有線長點多、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、專業(yè)眾多、施工工序繁雜等特點，同時也缺乏鐵路行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)及適合的輔助設(shè)計軟件平臺，因此BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用和推廣必將是長期和艱巨的任務(wù)。依據(jù)鐵一院BIM整體發(fā)展規(guī)劃，在以下方面繼續(xù)實踐和探索。

　　(1)加大BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。BIM技術(shù)不應(yīng)僅僅局限于B IM研究小組，更應(yīng)逐步推廣至全院職工，特別是青年職工，促成一種前端技術(shù)持續(xù)研究、已有成果逐步推廣、研究與應(yīng)用有機結(jié)合相互促進(jìn)的局面。

　　(2)基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計平臺的研發(fā)�，F(xiàn)有BIM主流軟件平臺無論是歐特克、奔特力還是達(dá)索系統(tǒng)，均只是提供一個基礎(chǔ)平臺，如同二維設(shè)計時的AutoCAD軟件，在其平臺上的主要設(shè)計軟件還需要大量的二次開發(fā)。建立基于BIM技術(shù)的輔助設(shè)計平臺，開發(fā)充分利用現(xiàn)有二維輔助設(shè)計平臺相關(guān)參數(shù)快速生成需要的BIM模型，實現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)BIM模型中實體構(gòu)件間的信息關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從手動創(chuàng)建向程序自動建模轉(zhuǎn)變，從二維模型向三維模型的數(shù)據(jù)化、信息化快速轉(zhuǎn)變。

　　(3)自設(shè)計階段逐漸向工程建造階段延伸。研究建立面向鐵路項目建造階段的模型數(shù)據(jù)平臺，可基于BIM工程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息存儲、管理和高效訪問，并基于信息模型技術(shù)實現(xiàn)建設(shè)過程中的BIM數(shù)據(jù)積累、管理和共享，提供BIM數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)、管理以及三維幾何模型和材料、進(jìn)度等工程信息的瀏覽與查詢，實現(xiàn)工程項目的模擬建造、風(fēng)險管控、協(xié)同管理等功能，重點為結(jié)構(gòu)物狀態(tài)的智能感知及應(yīng)對決策。

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