BIM技術(shù)在鐵路設計中的推廣應用分析論文
B IM技術(shù)自20世紀90年代提出至今，已經(jīng)從概念普及進(jìn)入應用普及階段，從小范圍、企業(yè)內試驗到局部范圍、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(shí)施邁進(jìn)。國內BIM技術(shù)在工業(yè)與民用建筑上應用最多，也最為廣泛。在交通領(lǐng)域，無(wú)論公路還是鐵路均屬于概念普及或初步應用階段。中鐵第一勘察設計院集團有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)鐵一院)自2011年開(kāi)始基于模擬仿真、真實(shí)感三維設計平臺的研究，2013年初開(kāi)始逐漸加大BIM技術(shù)的研發(fā)應用工作，在多專(zhuān)業(yè)、多項目進(jìn)行了研究探索。
1 BIM團隊的組建及周例會(huì )制度
B IM應用不僅是設計工具的變革，也是一種設計理念、生產(chǎn)方式的變革，是一個(gè)長(cháng)期而艱巨的變革過(guò)程。雖然BIM技術(shù)的應用是工程建設發(fā)展的必然趨勢，但具有初期投入大，產(chǎn)出較小的特點(diǎn)，BIM技術(shù)研發(fā)需要企業(yè)領(lǐng)導的高度重視、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(cháng)為組長(cháng)的BIM工作設計協(xié)調指導小組，各處成立以處長(cháng)為主管領(lǐng)導的工作小組，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)團隊，購進(jìn)針對BIM工作的高配置電腦及服務(wù)器。BIM團隊制定出BIM整體工作計劃，建立周例會(huì )工作制度。按每周例會(huì )的形式定期對上周工作進(jìn)行總結、交流，對下達的任務(wù)情況進(jìn)行追蹤檢查，對疑難問(wèn)題討論確定解決方案，布置下一周的工作任務(wù)及研究?jì)热�，將工作分解到個(gè)人，分工合作、加強技術(shù)交流，對BIM技術(shù)的研究應用起到了極大的推動(dòng)作用。2013年5月份至今，BIM團隊共進(jìn)行了20余次BIM技術(shù)的培訓、學(xué)習和交流。
2 BIM建模平臺的選擇
無(wú)論在工民建或水電行業(yè)， 占據B I M 軟件平臺市場(chǎng)大多數份額的主要有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)、達索系統(Dassault Systems)，它們均有各自的BIM系統平臺及數據交換接口，并提出各自的解決方案。目前歐特克在建筑上應用最多，奔特力在水電行業(yè)應用最成熟，達索系統在建立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應用業(yè)務(wù)目標。三維設計遠遠比二維設計復雜，目前沒(méi)有任何一家公司軟件能夠解決所有BIM問(wèn)題，也找不到任何一款軟件，其功能、性能、多專(zhuān)業(yè)支持、數據交換、擴展開(kāi)發(fā)、價(jià)格、廠(chǎng)商實(shí)力等各方面都比其他軟件有優(yōu)勢的。只有根據主要業(yè)務(wù)目標和項目的實(shí)際情況，選擇適合的軟件來(lái)完成相應的BIM應用內容。
其次，應對主流的BIM軟件平臺進(jìn)行深入調研，了解其軟件平臺的功能及其公司發(fā)展戰略，是否滿(mǎn)足BIM應用的主要業(yè)務(wù)目標或在可接受的時(shí)間內解決所遇到的問(wèn)題。不僅需要與BIM軟件公司進(jìn)行溝通交流，聽(tīng)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(shí)際使用企業(yè)調研。
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應用業(yè)務(wù)目標，又對各家軟件平臺進(jìn)行了深入調研，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(zhuān)業(yè)，各有所長(cháng)，要找出BIM應用的關(guān)鍵業(yè)務(wù)、關(guān)鍵專(zhuān)業(yè)。
(2)服務(wù)承諾。所關(guān)注問(wèn)題能否在能夠接受或符合制定目標計劃的前提下予以解決。目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的鐵路工程BIM軟件平臺，服務(wù)承諾對解決遇到的實(shí)際問(wèn)題非常重要。
(3)關(guān)注后期施工、業(yè)主的需求。不僅考慮設計階段的需求，也對施工組織、多方協(xié)同、運營(yíng)維護等方案提供予以重點(diǎn)關(guān)注，提供全生命周期的解決方案更具戰略意義。
(4)二次開(kāi)發(fā)的開(kāi)放性。任何一個(gè)軟件平臺不可能解決所有專(zhuān)業(yè)所有問(wèn)題，而且隨著(zhù)新項目的不同總會(huì )遇到新的問(wèn)題。因此需要軟件平臺提供完善的二次開(kāi)發(fā)接口，可自行開(kāi)發(fā)或與第三方合作開(kāi)發(fā)軟件插件，為解決新問(wèn)題提供渠道。
(5)購買(mǎi)及使用成本。不同軟件公司的發(fā)展戰略不同，其軟件的購買(mǎi)及使用成本也不同，甚至差距很大。有的只提供基礎的軟件平臺，專(zhuān)業(yè)化的需要二次開(kāi)發(fā)，有的可提供專(zhuān)業(yè)化的、完善的“落地”服務(wù)。提供服務(wù)不同，其購買(mǎi)成本會(huì )相差較大。不同軟件的本地化也不同，有些甚至沒(méi)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，首先應有明確的BIM應用業(yè)務(wù)目標，其次對主流的BIM軟件平臺進(jìn)行深入調研，在此基礎上綜合考慮軟件平臺主要性能特點(diǎn)、服務(wù)承諾、后期需求、二次開(kāi)發(fā)、應用成本等內容，予以量化的分析比選，找到最適合鐵路設計院的BIM軟件平臺。
3 高效率高質(zhì)量建模是基礎
BIM為建筑信息模型的簡(jiǎn)稱(chēng)，是以三維模型為基礎，集成建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數據模型。從BIM概念可知，BIM模型是3D模型與工程信息的有機結合，三維模型是基礎，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)量建模是設計院研究BIM技術(shù)需首要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
以試點(diǎn)項目為依托，逐漸完善專(zhuān)業(yè)構件庫。為提高構件利用效率，所有構件均采用參數化設計。模型除幾何模型外，應包含正確、必要的信息，包括幾何尺寸、空間位置、分類(lèi)信息、編碼信息、關(guān)鍵屬性、關(guān)鍵參數等，對于模型、構件、屬性建立統一的分類(lèi)命名規則。
B IM模型根據不同的用途，又分為專(zhuān)業(yè)設計模型、BIM綜合協(xié)調模型、BIM瀏覽模型。不同的模型需要不同的建模精度，即不同模型精細度和信息粒度。對所有構件模型編制管理軟件進(jìn)行統一管理，包括設計、審核、入庫、調用等過(guò)程控制。
4 多項目多應用點(diǎn)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(zhuān)線(xiàn)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的族庫，組裝成橋隧BIM模型，在此基礎上研究了利用模型出圖、計算詳細工程數量、施工順序模擬、4D施工工法模擬、NWC格式交付標準等，以及與航測、地質(zhì)、通信、信號、接觸網(wǎng)等專(zhuān)業(yè)的模型融合，橋隧專(zhuān)業(yè)基于工作集的協(xié)同設計研究。在導入真實(shí)的地形數據信息后模擬工程實(shí)際場(chǎng)景，進(jìn)行了清涼山隧道十岔溝中橋整體漫游展示。同時(shí)編寫(xiě)完成《鐵路工程BIM模型交付標準》(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(xiàn)阿房宮站BIM項目
參與了阿房宮站的BIM模型建立。采用Revit建立站內涵洞模型，包括正交和斜交涵洞洞身結構族、洞口八字翼墻結構族、翼墻基礎和泄床基礎結構族，并完成了涵洞參數庫的建立;建立正交和斜交箱形橋模型，包括箱身和翼墻等結構族。
4.3 陜西鐵路工程隧道實(shí)訓基地
隧道專(zhuān)業(yè)以陜西鐵路工程隧道實(shí)訓基地為例進(jìn)行了BIM技術(shù)的應用研究。隧道實(shí)訓基地建筑長(cháng)度90 m，控制寬度32 m，按時(shí)速200 km鐵路單線(xiàn)隧道斷面標準設計，采用明洞結構回填形式模擬山嶺鐵路隧道圍巖，內部布設隧道施工工序。該項目雖然只有90 m，但涵蓋的內容卻十分豐富，包括各種施工工法的開(kāi)挖、支護、綁扎鋼筋、架設鋼架、安裝模板、防水板安裝、預埋件、拱墻仰拱混凝土澆筑、施工縫防水做法、監控量測、洞門(mén)施工、邊坡防護等內容。利用該模型可以進(jìn)行對見(jiàn)習生的培訓工作。
4.4 廈門(mén)地鐵項目
廈門(mén)地鐵項目部進(jìn)行了統一策劃和部署，主要針對以下幾個(gè)應用點(diǎn)開(kāi)展工作：
(1)場(chǎng)地仿真。搭建周邊環(huán)境、施工場(chǎng)地模型，必要時(shí)采用點(diǎn)云掃描工具，完成既有環(huán)境的3D建模。
(2)管線(xiàn)遷改模擬。根據遷改方案分雨水、污水、電力、通信、天然氣管線(xiàn)按照臨時(shí)遷改、永久遷改進(jìn)行建模并檢查管線(xiàn)之間有無(wú)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(guò)多媒體手段組織交通疏解方案過(guò)程。
(4)協(xié)同設計。利用BIM技術(shù)應用管理平臺，使不同工作地點(diǎn)、不同專(zhuān)業(yè)的設計人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò )基于同一個(gè)BIM模型進(jìn)行軌道交通三維協(xié)同設計。提高不同設計專(zhuān)業(yè)間信息的傳遞效率和傳遞質(zhì)量。
(5)管線(xiàn)綜合硬(軟)碰撞檢查。檢查設計中的錯漏碰缺，處理解決管線(xiàn)碰撞問(wèn)題，優(yōu)化管線(xiàn)排布方案，減少施工階段因設計疏忽造成的損失和返工工作。
(6)空間利用及開(kāi)洞檢查。分專(zhuān)業(yè)對已經(jīng)完成的結構空間進(jìn)行檢查，核實(shí)結構開(kāi)孔位置、設備基礎預留、預埋件等是否滿(mǎn)足管線(xiàn)、機電設備安裝的需要，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，在設計變更后自動(dòng)更新圖紙。
(8)施工模擬，利用BIM模型對結構構建按照工籌計劃時(shí)間進(jìn)行定義，以4D的方式進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示。
(9)大型設備運輸路徑檢查。對大型設備安裝及檢修運輸路徑動(dòng)態(tài)模擬，研究并優(yōu)化安裝及維護路徑方案。
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預應力混凝土現澆連續彎梁、4×40 m先簡(jiǎn)支后連續箱梁以及橋臺、橋墩、下部鉆孔樁基礎、橋面系、人行道、欄桿等全橋BIM模型族庫，并完成了施工過(guò)程Navisworks模擬、真實(shí)場(chǎng)景三維渲染展示動(dòng)畫(huà)的制作。
4.6 其他工程項目應用
(1)蘭新線(xiàn)跨蘭西高速特大橋(80+168+80)m連續梁加桁。為探索在鋼結構方面的建模思路、方法及不同建模軟件間的兼容性，采用Inventor完成了蘭新線(xiàn)跨蘭西高速特大橋(80+168+80)m連續梁的桁梁BIM模型，采用Re v it建立了連續梁部分模型，并在Revit中拼裝完成該橋的整體BIM模型。
(2)西成線(xiàn)桃園大橋。橋涵專(zhuān)業(yè)建立了高速鐵路12 m寬橋梁結構和橋上附屬結構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(wèn)題。
(3)西安機場(chǎng)線(xiàn)渭河特大橋。利用已掌握的BIM技術(shù)，建立西安北至機場(chǎng)線(xiàn)重點(diǎn)工程渭河特大橋中跨越主河槽的(50+8×100+50)m連續梁、跨越蘭池大道(60+111+94+100+60)m連續梁及橋墩的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、節點(diǎn)板和螺栓等結構族文件，加入時(shí)間參數后在Navisworks中模擬施工過(guò)程及在Inventor中展示拼裝過(guò)程，并在Lumion軟件里進(jìn)行背景渲染，制作了漫游動(dòng)畫(huà)。
(5)敦格線(xiàn)當金山特長(cháng)隧道。敦格線(xiàn)當金山特長(cháng)隧道為外方咨詢(xún)項目，為更好與咨詢(xún)方進(jìn)行溝通交流，完成敦格線(xiàn)當金山特長(cháng)隧道三維展示模型的創(chuàng )建和效果圖制作，不僅達到了形象展示設計方案及設計意圖的目的，也體現出了鐵一院在BIM技術(shù)上重視及應用。
5 結束語(yǔ)
盡管歷經(jīng)幾年的研究應用探索，對BIM技術(shù)有了一定程度的認識，但鐵路行業(yè)具有線(xiàn)長(cháng)點(diǎn)多、地質(zhì)環(huán)境復雜、專(zhuān)業(yè)眾多、施工工序繁雜等特點(diǎn)，同時(shí)也缺乏鐵路行業(yè)BIM標準及適合的輔助設計軟件平臺，因此BIM技術(shù)在鐵路工程中的應用和推廣必將是長(cháng)期和艱巨的任務(wù)。依據鐵一院BIM整體發(fā)展規劃，在以下方面繼續實(shí)踐和探索。
(1)加大BIM技術(shù)的推廣應用。BIM技術(shù)不應僅僅局限于B IM研究小組，更應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)持續研究、已有成果逐步推廣、研究與應用有機結合相互促進(jìn)的局面。
(2)基于BIM技術(shù)的協(xié)同設計平臺的研發(fā)�，F有BIM主流軟件平臺無(wú)論是歐特克、奔特力還是達索系統，均只是提供一個(gè)基礎平臺，如同二維設計時(shí)的AutoCAD軟件，在其平臺上的主要設計軟件還需要大量的二次開(kāi)發(fā)。建立基于BIM技術(shù)的輔助設計平臺，開(kāi)發(fā)充分利用現有二維輔助設計平臺相關(guān)參數快速生成需要的BIM模型，實(shí)現多專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設計，實(shí)現BIM模型中實(shí)體構件間的信息關(guān)聯(lián)，實(shí)現從手動(dòng)創(chuàng )建向程序自動(dòng)建模轉變，從二維模型向三維模型的數據化、信息化快速轉變。
(3)自設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據平臺，可基于BIM工程數據庫進(jìn)行信息存儲、管理和高效訪(fǎng)問(wèn)，并基于信息模型技術(shù)實(shí)現建設過(guò)程中的BIM數據積累、管理和共享，提供BIM數據存儲、維護、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(xún)，實(shí)現工程項目的模擬建造、風(fēng)險管控、協(xié)同管理等功能，重點(diǎn)為結構物狀態(tài)的智能感知及應對決策。
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