逯宗田

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

工程設(shè)計是工程建設(shè)的龍頭。在過去的20多年中，CAD(Computer Aided Design)技術(shù)的普及推廣使建筑師、工程師們從手工繪圖走向電子繪圖。甩掉圖板，將圖紙轉(zhuǎn)變成計算機(jī)中2D數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，可以說是工程設(shè)計領(lǐng)域第一次革命。CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的設(shè)計方法和生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻變化。把工程設(shè)計人員從傳統(tǒng)的設(shè)計計算和手工繪圖中解放出來，提高設(shè)計效率十幾倍到幾十倍，大大縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量[1-10]。BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)是用來解決2D表達(dá)給建筑業(yè)進(jìn)一步發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)的，BIM將會給建筑等行業(yè)帶來一次巨大變革[2]。建筑信息模型(BIM)使建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、空調(diào)、電氣等各個專業(yè)基于同一個模型進(jìn)行工作，從而使真正意義上的三維集成協(xié)同設(shè)計成為可能[1]。BIM建筑信息模型作為一個重要項目，早在“十一五”期間被科技部列入國家科技攻關(guān)計劃，現(xiàn)階段有了長足發(fā)展，鐵路行業(yè)及鐵路信號領(lǐng)域也應(yīng)及時跟進(jìn)，研究應(yīng)用。

2 BIM及其應(yīng)用

二維圖紙作為產(chǎn)業(yè)鏈成員之間傳遞溝通信息的載體已經(jīng)使用了幾百年的時間，勞苦功高的同時，其弊端也隨著項目復(fù)雜性和市場競爭的日益加大變得越來越明顯。例如，即使圖紙完全正確，施工或運(yùn)營現(xiàn)場也還可能產(chǎn)生錯誤。引起錯誤的原因很多，但是其中一個最主要的原因就是現(xiàn)場人員對圖紙的理解有誤及獲得的信息不正確，尤其是在時間要求很緊的情況下，這種理解錯誤發(fā)生的概率就更高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院(NIST-National Institute of Standards and Technology)2005年初發(fā)布的一份報告指出，僅僅由于項目成員之間數(shù)據(jù)互通性的要求而產(chǎn)生的成本就使建設(shè)項目效率降低6%左右。

BIM采用的是服務(wù)建設(shè)項目“從搖籃到墳?zāi)埂钡乃枷敕椒╗4]。BIM服務(wù)于項目完整的生命周期：把整個項目從概念到施工到運(yùn)營到改建拆除的整個過程作為服務(wù)對象。而CAD只提供項目設(shè)計、施工和竣工的文檔。

BIM產(chǎn)生的二維和三維圖形是真正智能化的。BIM在設(shè)計階段、施工階段及運(yùn)營管理階段為開發(fā)商帶來極大的效率和效益：設(shè)計師可以像用GIS那樣查詢BIM模型中的信息。BIM模型元素知道自己是什么，知道自己有哪些特性，同時能夠模擬自己真實的狀態(tài)。建筑師和工程師可以在一個真實的虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計以及看到各種設(shè)計成功地集成在一起。設(shè)計師是在真正地設(shè)計那些建筑系統(tǒng)和組裝支持這些系統(tǒng)的數(shù)字，而不是僅僅放置圖形。這些數(shù)據(jù)是在項目生命周期的過程中慢慢生長起來的，這些信息在其他系統(tǒng)(例如項目交付給客戶)上的組織和繁殖也將是BIM組織的一個重要部分。

把BIM模型和進(jìn)度計劃軟件的數(shù)據(jù)集成，讓業(yè)主及團(tuán)隊能利用三維的直觀優(yōu)勢，可以按月、按周、按天看到項目的施工進(jìn)度并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行實時調(diào)整，分析不同施工方案的優(yōu)劣，從而得到最佳施工方案[11]。 把BIM模型和施工方案利用虛擬環(huán)境作數(shù)據(jù)集成，便可以在虛擬環(huán)境中作施工仿真，對項目的重點或難點部分進(jìn)行全面的可建性(Constructibility可施工性)模擬以及安全、施工空間、對環(huán)境影響等等分析，優(yōu)化施工安裝方案。

BIM的應(yīng)用結(jié)合BIM模型、施工計劃和工程量造價于一體，可以實現(xiàn)建筑業(yè)的“零庫存”(限額領(lǐng)料)施工，最大程度發(fā)揮業(yè)主資金的效益[11]。

近十年世界各地的理論研究和工程實踐證明，信息有效互用是BIM給建筑業(yè)帶來的主要價值之一，應(yīng)用BIM可以幫助消除上述額外成本的發(fā)生。

BIM應(yīng)用為建筑業(yè)工業(yè)化不但解決了信息創(chuàng)建、管理、傳遞的問題，而且BIM模型、三維圖紙、裝配模擬、采購制造運(yùn)輸存放安裝的全程跟蹤等手段為工業(yè)化建造方法的普及也奠定了堅實的基礎(chǔ)。建設(shè)項目的產(chǎn)業(yè)鏈包括業(yè)主、勘察、設(shè)計、施工、項目管理、監(jiān)理、供應(yīng)商、銷售、運(yùn)營商等，一般的項目都有數(shù)十個參與方，大型項目的參與方可以達(dá)到幾百個甚至更多。對工程的各個參與方來說，減少錯誤對降低成本都有很重要的影響。而因此減少建造所需要的時間，同時也有助于降低工程的成本。應(yīng)用歐特克建筑資訊模型著名成功案例有德國慕尼黑的寶馬世界(BMW Welt)、梅賽德斯-奔馳博物館(Mercedes-Benz Museum)，以及位于斯圖加特的保時捷博物館等許多世界知名案例，均為使用該項技術(shù)來完成整個設(shè)計項目[2]。2008年北京奧運(yùn)會的“奧運(yùn)村空間規(guī)劃及物資管理信息系統(tǒng)”即采用了以BIM建筑信息模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息管理。設(shè)計師將奧運(yùn)村空間規(guī)劃及設(shè)施以三維圖形方式處理并創(chuàng)建BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)，在完成奧運(yùn)村空間規(guī)劃的同時，就自動產(chǎn)生與奧運(yùn)村三維圖形對應(yīng)的奧運(yùn)村物資、設(shè)施數(shù)據(jù)庫，這確保了奧運(yùn)村的資產(chǎn)管理、物流服務(wù)直觀、準(zhǔn)確、高效。該信息管理系統(tǒng)以BIM為基礎(chǔ)，同時配合專業(yè)的協(xié)同作業(yè)軟件，使得奧運(yùn)村的空間規(guī)劃、物流服務(wù)可以實現(xiàn)在線設(shè)計與管理。

目前在國外很多國家已經(jīng)有比較成熟的BIM標(biāo)準(zhǔn)或者制度了。

3 鐵路設(shè)計與BIM

3.1 應(yīng)用BIM的必要性

設(shè)計單位用BIM的目的是從業(yè)主那里拿到設(shè)計項目，然后又好又快地把設(shè)計任務(wù)完成。實際上，BIM就是通過數(shù)字化技術(shù)，在計算機(jī)中建立一座虛擬建筑，一個建筑信息模型就是提供了一個單一的、完整一致的、邏輯的建筑信息庫。BIM不僅僅是另外一個工具或者甚至就是另外一套CAD軟件，事實上BIM是一個過程，在這個過程中建立了一個包含信息的模型，用來回答生命周期中關(guān)于這個項目的所有問題。BIM數(shù)據(jù)超越了設(shè)計過程，在整個項目生命周期中不斷壯大，特別是在運(yùn)營和維護(hù)階段。因此，設(shè)計單位應(yīng)用BIM有以下幾方面的優(yōu)點。

(1)提高設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量。如，方案設(shè)計階段，使用BIM技術(shù)能進(jìn)行造型、體量和空間分析外，還可以同時進(jìn)行能耗分析和建造成本分析等，使得初期方案決策更具有科學(xué)性；初步設(shè)計階段，建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電各專業(yè)建立BIM模型，利用模型信息進(jìn)行能耗、結(jié)構(gòu)、信息流變化等分析，進(jìn)行各種干涉檢查和規(guī)范檢查，以及進(jìn)行工程量統(tǒng)計；施工圖階段，各種平面、立面、剖面圖紙和統(tǒng)計報表都可從BIM模型中得到。

(2)提高協(xié)同作業(yè)能力。設(shè)計需要幾個、十幾個甚至幾十個專業(yè)協(xié)調(diào)，包括設(shè)計計劃、互提資料、校對審核、版本控制等；BIM主要協(xié)調(diào)不同專業(yè)設(shè)計師的情況，包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、造價、綠色、數(shù)據(jù)、通訊、安全等，保障高質(zhì)高效提供各類設(shè)計圖紙，以及為了實現(xiàn)這個目的和業(yè)主的溝通交流，和承包商的施工配合等。

(3)設(shè)計工作重心前移。目前設(shè)計師50%以上的工作量用在施工圖階段，以至于設(shè)計師得到了一個無奈的但又名副其實的稱號——“畫圖匠”，BIM可以幫助設(shè)計師把主要工作放到方案和擴(kuò)初階段，恢復(fù)設(shè)計師的本來面目。

(4)提高市場競爭力。工程總承包是建設(shè)市場發(fā)展的必然趨勢和客觀要求。我國絕大多數(shù)勘察設(shè)計與施工集團(tuán)企業(yè)不具備完善的總承包管理體制和完整的項目管理體系，在咨詢設(shè)計能力、計算機(jī)應(yīng)用能力、技術(shù)支持能力、合約管理能力、專業(yè)施工協(xié)調(diào)能力以及相應(yīng)的資金運(yùn)作能力和融資能力等關(guān)鍵能力與國際工程總承包商相比有較大的差距。

3.2 需解決的問題

首先要領(lǐng)導(dǎo)重視，沒有領(lǐng)導(dǎo)的重視，一切都無從談起。

其次要組建好團(tuán)隊。合適的團(tuán)隊是保證計劃得以成功實施的戰(zhàn)術(shù)關(guān)鍵，通常需要BIM經(jīng)理、技術(shù)主管和設(shè)計師。BIM經(jīng)理不能承擔(dān)具體的生產(chǎn)任務(wù)。技術(shù)主管不能同時是BIM經(jīng)理。設(shè)計師也不能承擔(dān)技術(shù)主管的職責(zé)，設(shè)計師的任務(wù)就是做設(shè)計。設(shè)計師是指設(shè)計BIM模型的建筑師和工程師，必須是承擔(dān)具體的生產(chǎn)任務(wù)的那些人。

第三要明確目標(biāo)。為BIM項目模型定義實際的目標(biāo)，然后在以后的項目中逐步提高目標(biāo)。最最重要的是要定義清楚客戶從BIM流程中需要的東西，每個項目結(jié)束以后，和客戶討論分析成功和問題，要做好逐步積累。BIM是一個逐步累進(jìn)提高的過程，不能指望第一個項目就有一個完全成熟的產(chǎn)品在整個生命周期中使用，對于任何新流程和新技術(shù)來說，都得先學(xué)會爬，再學(xué)會走。

第四要做好協(xié)同設(shè)計。協(xié)同設(shè)計最基本的要求就是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，否則無法實現(xiàn)信息共享。在國外，一些大型設(shè)計公司都在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定自己的CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)。而我國目前只有手工繪圖時代的制圖標(biāo)準(zhǔn)，缺少行業(yè)統(tǒng)一的制圖標(biāo)準(zhǔn)或者制圖規(guī)則，不僅導(dǎo)致設(shè)計公司之間難以交流，而且由于基于CAD的二次開發(fā)軟件公司沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計單位在使用這些二次開發(fā)軟件繪圖時更造成了標(biāo)準(zhǔn)在公司內(nèi)部的不統(tǒng)一，最后導(dǎo)致在項目中圖層、字體、色彩、工作方式、精度等很難統(tǒng)一。國外早已實現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計，現(xiàn)在只是從二維轉(zhuǎn)向三維，而我國則要同時完成從二維向三維及協(xié)同設(shè)計的升級。

3.3 鐵路信號與BIM

目前國內(nèi)鐵路信號設(shè)計僅限于二維的CAD設(shè)計模式，并且行業(yè)特點突出：(1)專業(yè)性強(qiáng)，局限性大;設(shè)計軟件少，適用范圍小;(2)協(xié)調(diào)性差，資源共享度低;(3)強(qiáng)、弱電信號信息瞬時動態(tài)變化，系統(tǒng)及場景模擬非常困難;(4)系統(tǒng)直接涉及行車安全;(5)系統(tǒng)復(fù)雜，信息量大。

根據(jù)國情與行業(yè)實際，結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀與特點，提出鐵路信號領(lǐng)域項目設(shè)計應(yīng)用BIM的基本思路：轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)設(shè)計思路，應(yīng)用BIM技術(shù)和方法建立信號專業(yè)信息模型，實現(xiàn)從二維圖紙到三維圖紙的設(shè)計轉(zhuǎn)型；建立、完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和制度。

鐵路信號設(shè)計應(yīng)用BIM應(yīng)從行業(yè)和專業(yè)兩個層面、分多個階段逐步實施考慮。

(1)明確認(rèn)識，轉(zhuǎn)變思想。一要清醒的認(rèn)識到BIM在國內(nèi)外各行業(yè)發(fā)展的不平衡，更要看到國內(nèi)鐵路行業(yè)的應(yīng)用幾乎為零的現(xiàn)狀。二要清醒地認(rèn)識到BIM是從二維圖紙到三維設(shè)計和建造的信息革命，為工程設(shè)計領(lǐng)域帶來了第二次革命。因此，一定要從傳統(tǒng)設(shè)計思想中跳出來，盡早完成從信號專業(yè)傳統(tǒng)設(shè)計思想向BIM思想的轉(zhuǎn)變。

(2)建立專業(yè)信息模型。BIM(Building Infor-mation Model)——建筑信息模型十分豐富，國外很多國家已經(jīng)有比較成熟的BIM標(biāo)準(zhǔn)或者制度，機(jī)電專業(yè)的信息模型也有不少，但鐵路信號專業(yè)的信息模型目前還是空白。首先應(yīng)組建好模型設(shè)計團(tuán)隊。然后做好總體規(guī)劃，制定計劃，明確目標(biāo)。既考慮專業(yè)與行業(yè)對接，也要考慮行業(yè)與國內(nèi)國際對接。由于行業(yè)和專業(yè)特點，鐵路信號專業(yè)的信息模型的建立任重道遠(yuǎn)。應(yīng)該奮起直追，盡早著手基礎(chǔ)性工作，學(xué)習(xí)借鑒建筑信息模型思想，一步一個腳印，完成專業(yè)信息模型建立。

(3)逐步實現(xiàn)設(shè)計轉(zhuǎn)型。以新的平臺和手段，為業(yè)主、勘察、設(shè)計、施工、項目管理、監(jiān)理、供應(yīng)商、銷售、運(yùn)營商等，提供服務(wù)于項目完整的生命周期的有效信息。具體目標(biāo)如下。

第一步，完成設(shè)計轉(zhuǎn)型。應(yīng)用BIM技術(shù)和方法，完成鐵路信號設(shè)計從二維轉(zhuǎn)向三維的轉(zhuǎn)型；將專業(yè)設(shè)計融入項目設(shè)計，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計。完成鐵路信號設(shè)計從專業(yè)到行業(yè)的協(xié)同設(shè)計轉(zhuǎn)型。

第二步，實現(xiàn)信息共享。對專業(yè)之間的協(xié)調(diào)問題、設(shè)計施工之間的協(xié)調(diào)問題和業(yè)主由于理解偏差等問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，以便共享，解決掉這些問題。減少甚至消除因信息不共享造成的額外成本發(fā)生。

第三步，做好優(yōu)化方案。在整個設(shè)計、施工、運(yùn)營的過程中更好地優(yōu)化項目方案。

第四步，實現(xiàn)專業(yè)信息模型可視化。第一階段，使信號項目設(shè)計與建設(shè)、施工、監(jiān)理及運(yùn)營維護(hù)過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行。在設(shè)計階段的模擬實驗設(shè)備布置安裝、系統(tǒng)運(yùn)行。減少以至于消除“差、錯、漏、碰”，提高設(shè)計質(zhì)量；減輕勞動強(qiáng)度；降低設(shè)計成本。第二階段，實現(xiàn)專業(yè)信息模型與實際應(yīng)用系統(tǒng)瞬時動態(tài)信息的結(jié)合目標(biāo)，實現(xiàn)真正意義上的專業(yè)信息模型的可視化。

第五步，進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量。在工程建設(shè)與管理活動中應(yīng)用4D(3D+時間)及5D(3D+時間+成本)技術(shù)和方法，協(xié)助行業(yè)由經(jīng)驗管理方法提升為科學(xué)化管理方法：如為施工方提供模擬服務(wù)，也就是根據(jù)施工的組織設(shè)計模擬實際施工，從而來確定合理的施工方案來指導(dǎo)施工，減少窩工及返工等，更好地實現(xiàn)成本控制等；為業(yè)主提供模擬服務(wù)，減少工期延誤，降低人、財、物的浪費，合理控制投資，提高工程質(zhì)量。

(4)制度建立。逐步積累過程經(jīng)驗與教訓(xùn)，建立、完善制度，規(guī)范行為。

(5)完成工程設(shè)計、咨詢的國際對接。全面實施“走出去”戰(zhàn)略。

4 結(jié)語

BIM建筑信息模型的發(fā)展，不僅僅是現(xiàn)有設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步和更新?lián)Q代，它也將間接表現(xiàn)在生產(chǎn)組織模式和管理方式的轉(zhuǎn)型，并更長遠(yuǎn)的影響人們思維模式的轉(zhuǎn)變。BIM這場信息革命，對于工程建設(shè)從設(shè)計、建造、加工、施工、銷售、管理等各個環(huán)節(jié)，對于整個工程建設(shè)領(lǐng)域都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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