■ 張雪才

BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)的應(yīng)用研究

■ 張雪才

以達(dá)索、歐特克產(chǎn)品為技術(shù)支持，研究了鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)中BIM技術(shù)應(yīng)用的解決方案。在對(duì)國內(nèi)外BIM相關(guān)理論調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，提出了鐵路行業(yè)中BIM的定義，分析了目前本領(lǐng)域BIM技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀與特點(diǎn)，提出了設(shè)計(jì)階段三維設(shè)計(jì)流程。闡述了中鐵二院在測(cè)繪、地質(zhì)、橋梁、隧道和路基等專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)用達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目的，以期為進(jìn)一步提高我國鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用水平作出貢獻(xiàn)。

達(dá)索；歐特克；鐵路設(shè)計(jì)；BIM；二維出圖；碰撞檢測(cè)

國外BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)如火如荼，如美國運(yùn)用BIM技術(shù)的項(xiàng)目數(shù)量增長迅速，建筑業(yè)BIM技術(shù)普及率從2007年的28%增長至2013年的78%；北美也大力推動(dòng)BIM技術(shù)的應(yīng)用，在大、中、小型企業(yè)中的利用率

0 引言

建筑、機(jī)械、電子等行業(yè)的設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)BIM技術(shù)的運(yùn)用日趨成熟，并因此帶來了技術(shù)的革新和效益的增長[1]。近年來，我國鐵路建設(shè)行業(yè)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)π录夹g(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用也層出不窮，但BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索階段。隨著

分別達(dá)到了91%、86%和49%以上。相比之下，我國應(yīng)用最早的建筑業(yè)BIM技術(shù)普及率僅為12%[2-5]。

美國喬治亞技術(shù)學(xué)院的查克·伊斯曼教授最先提出了建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念[6]，之后在美、英、日、韓等國逐步發(fā)展完善，并形成了嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及指南。如國際機(jī)構(gòu)BuildingSMART頒布的Industry Foundation Classes（IFC）、International Framework for Dictionaries（IFD）、Information Delivery Manual（IDM），美國頒布的《國家BIM標(biāo)準(zhǔn)》[7]，新加坡頒布的《新加坡BIM指南》（2.0）[8]。我國在BIM技術(shù)應(yīng)用方面起步較晚，但發(fā)展較快，建筑、機(jī)械等行業(yè)已初步形成了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如2008年由中國建筑科學(xué)研究院、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院等單位共同起草了GB/T 25507—2010《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范》[9]，2010年清華大學(xué)BIM課題組提出了中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架（CBIMS）[10]并編制了設(shè)計(jì)企業(yè)BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)指南[11]。

目前，我國各大設(shè)計(jì)院正加緊開展鐵路三維設(shè)計(jì)與BIM技術(shù)應(yīng)用的研究工作，以盡快將BIM技術(shù)真正運(yùn)用于鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)中。通過對(duì)BIM相關(guān)理論的深入研究，給出了鐵路行業(yè)中BIM的定義，研究分析了鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀與特點(diǎn)，并就BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究與探索。

1 BIM定義

查克·伊斯曼教授首次提出BIM的理念后，各國學(xué)者和企業(yè)又從不同角度給出了BIM的理解與詮釋。通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)資料的廣泛調(diào)研，提出了BIM在鐵路行業(yè)中的定義：BIM是利用信息模型對(duì)鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程；模型包含了項(xiàng)目所有的幾何尺寸、空間關(guān)系、結(jié)構(gòu)功能和性能等信息，項(xiàng)目不同參與方應(yīng)共同維護(hù)該模型，并基于相關(guān)信息進(jìn)行協(xié)同工作。

2 鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

同BIM應(yīng)用較為成熟的建筑、水電行業(yè)相比，我國鐵路行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段，但鐵路行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到BIM應(yīng)用和發(fā)展的必要性，中國鐵路總公司于2013年5月召集各大鐵路設(shè)計(jì)單位召開了“鐵路勘察設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)”，專題討論了如何在鐵路勘察設(shè)計(jì)中開展BIM技術(shù)應(yīng)用，并希望以勘察設(shè)計(jì)為突破口，解決BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)階段的具體應(yīng)用研究，為BIM在施工、運(yùn)營階段的進(jìn)一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。同步立項(xiàng)“鐵路工程建設(shè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究”部控科研課題，標(biāo)志著BIM在我國鐵路行業(yè)應(yīng)用正式啟動(dòng)。

3 鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)具備以下特點(diǎn)：數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)調(diào)性、可操作和全過程等（見圖1）。

（1）鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM的概念應(yīng)涵蓋GIS的內(nèi)容，因?yàn)樵O(shè)計(jì)階段建立的BIM模型包括三維地理信息模型、三維地質(zhì)信息模型和隧道結(jié)構(gòu)三維模型。因此，設(shè)計(jì)階段的BIM技術(shù)應(yīng)體現(xiàn)出可視化、數(shù)字化和多維化等方面特點(diǎn)。

（2）鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)各專業(yè)根據(jù)其自身特點(diǎn)的不同，往往需要應(yīng)用不同的軟件平臺(tái)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，因此各軟件平臺(tái)的互通和兼容在很大程度上考驗(yàn)了BIM技術(shù)應(yīng)用的協(xié)調(diào)性和可操作性。

（3）設(shè)計(jì)BIM模型需要轉(zhuǎn)換為施工BIM模型，以實(shí)現(xiàn)各階段、各參建方之間的信息無縫傳遞。建立統(tǒng)一的編碼體系、制定相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范、打破階段與各參建方之間的信息壁壘是重中之重，這也極大檢驗(yàn)了BIM技術(shù)應(yīng)用的協(xié)調(diào)性、全過程等方面的特點(diǎn)。

（4）設(shè)計(jì)行業(yè)通過利用BIM技術(shù)可有效進(jìn)行專業(yè)間、專業(yè)內(nèi)的碰撞檢驗(yàn)，可充分保證設(shè)計(jì)分析的效率與精度，可大大提高設(shè)計(jì)文件的質(zhì)量并優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，該方面的BIM應(yīng)用將很大程度上檢驗(yàn)其可視化、數(shù)字化、多維化、協(xié)調(diào)性和可操作性等方面的特點(diǎn)。

圖1 BIM技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

4 鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用分析

鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)的應(yīng)用涉及測(cè)繪、地質(zhì)、線路、隧道、橋梁、路基等20多個(gè)專業(yè)，建模流程為地質(zhì)三維模型、地表模型、三維選線、其他專業(yè)三維模型建立，后續(xù)在三維模型的基礎(chǔ)上開展BIM應(yīng)用研究。主要建模流程（含隧道專業(yè)BIM設(shè)計(jì)詳細(xì)流程）見圖2。

中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡稱中鐵二院）目前主要在測(cè)繪、地質(zhì)、隧道、橋梁、路基等站前專業(yè)開展了BIM建模、信息附加、工程量計(jì)算、二維出圖等應(yīng)用研究，后續(xù)將陸續(xù)開展覆蓋站前、站后所有專業(yè)的BIM應(yīng)用研究。

4.1 測(cè)繪、地質(zhì)、隧道方面BIM應(yīng)用分析

中鐵二院測(cè)繪、地質(zhì)、隧道專業(yè)基于寶蘭客專石鼓山隧道開展了地表建模、地質(zhì)建模、隧道設(shè)計(jì)及應(yīng)用等多方面的BIM應(yīng)用研究工作，取得了一定的突破。

4.1.1 三維地表建模

首先對(duì)地形影像數(shù)據(jù)處理，根據(jù)獲取的石鼓山隧道區(qū)域10 km×4 km的測(cè)繪數(shù)據(jù)，制作正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）；其次對(duì)背景數(shù)據(jù)處理；最后基于Skyline軟件，通過金字塔技術(shù)將DOM和DEM集成，生成精細(xì)的三維地形模型（見圖3）。

4.1.2 三維地質(zhì)建模

地質(zhì)建模過程主要是根據(jù)石鼓山隧道地質(zhì)調(diào)繪資料及已有的縱橫斷面構(gòu)建地層面，用建立好的地層面來剖切拉伸體，以生成地質(zhì)體（見圖4）。

圖2 設(shè)計(jì)階段三維設(shè)計(jì)建模流程

圖3 三維地形模型

圖4 全隧三維地質(zhì)模型

4.1.3 隧道三維建模

隧道專業(yè)在三維地質(zhì)模型和線路模型主設(shè)計(jì)骨架基礎(chǔ)上，結(jié)合圍巖分級(jí)、施工工法、襯砌形式等因素，劃分出各隧道段落的二級(jí)骨架，為隧道三維設(shè)計(jì)提供定位支持。利用CAITA建模功能（如草圖繪制、知識(shí)工程陣列等）建立參數(shù)化、可聯(lián)動(dòng)修改的隧道三維模型，并附加必要的非幾何信息，利用CATIA知識(shí)工程模板功能將建立的模型封裝為模板，在后續(xù)遇到同類型隧道建模時(shí)實(shí)例化模板即可。

隧道專業(yè)依托石鼓山隧道工程，初步建立了部分暗洞、明洞、附屬洞室、防排水、洞門等模型。以V級(jí)e型暗洞襯砌三維建模為例，介紹隧道三維建模全過程。

（1）模型架構(gòu)。結(jié)合制定的命名規(guī)則，暗洞洞身模型主要由超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌和防排水構(gòu)成。

（2）骨架信息。根據(jù)骨架設(shè)計(jì)理念，需要定義與暗洞洞身相關(guān)的一系列骨架信息（如起始里程、終止里程、平面線本段、空間線本段等），同時(shí)還需繪制一系列模型草圖（見圖5、圖6）。

（3）模型建立。在草圖繪制基礎(chǔ)上，根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)，按照設(shè)計(jì)要求，利用CATIA的拉伸、掃掠、剪切、結(jié)合等功能制作知識(shí)工程模板，再利用知識(shí)工程陣列建立參數(shù)化的、可聯(lián)動(dòng)修改的隧道三維模型（見圖7）。

（4）模板實(shí)例化。建立起規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)的隧道模板后，利用CATIA知識(shí)工程模板模塊中的文檔

模板、超級(jí)副本等功能可快速生成本段的文檔模板，然后利用文檔實(shí)例化功能并設(shè)置合適的輸入?yún)?shù)即可快速建立起同類型的隧道三維模型。

（5）工程量計(jì)算與二維出圖。利用BIM隧道三維模型實(shí)現(xiàn)了二維出圖、工程量計(jì)算、模型附加信息等功能。

4.2 其他專業(yè)BIM應(yīng)用分析

（1）橋梁專業(yè)——基于達(dá)索CATIA平臺(tái)，以滬昆客專北盤江特大橋等項(xiàng)目開展了參數(shù)化建模、二維出圖、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢測(cè)等BIM應(yīng)用研究工作（見圖8、圖9）。

（2）路基專業(yè)——以西成線江油北站路基為基礎(chǔ)，開展了Civil 3D軟件建立路基三維模型的研究工作。以O(shè)pen Inventor開發(fā)包為基礎(chǔ)，開發(fā)了樁、鎖口護(hù)壁、托梁、擋土板等結(jié)構(gòu)的建模軟件，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)字化施工應(yīng)用研究工作。路基參數(shù)化三維模型見圖10。

圖5 暗洞洞身骨架信息

圖6 二襯輪廓草圖

圖7 隧道三維模型

圖8 三維參數(shù)化模型及模板

圖9 節(jié)段勁性骨架干涉及碰撞檢查

圖10 路基參數(shù)化三維模型

5 結(jié)論與展望

BIM技術(shù)應(yīng)用已成為鐵路建設(shè)工程的必然趨勢(shì)。目前，我國鐵路行業(yè)的BIM之路才剛剛起步，但與建筑、水電等行業(yè)業(yè)務(wù)較為分散相比，鐵路行業(yè)具備業(yè)務(wù)資源集中等優(yōu)勢(shì)，BIM在鐵路行業(yè)的應(yīng)用必將呈現(xiàn)迅猛之勢(shì)，穩(wěn)步向前推進(jìn)。作為鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，中鐵二院將在中國鐵路總公司的統(tǒng)一組織下，以中國鐵路BIM事業(yè)為己任，和相關(guān)企業(yè)開展通力合作，針對(duì)BIM在鐵路行業(yè)的典型應(yīng)用，有計(jì)劃、分階段地開展BIM應(yīng)用研究和實(shí)施工作，逐步解決BIM難題，實(shí)現(xiàn)BIM在鐵路建設(shè)行業(yè)的穩(wěn)步推進(jìn)。

[1] 王珺.BIM理念及BIM軟件在建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[2] 李建成.BIM概述[J].時(shí)代建筑，2013(2)：10-15.

[3] 賀靈童.BIM在全球的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].聚焦信息化，2013，31(3)：12-19.

[4] 王凱.國外BIM標(biāo)準(zhǔn)研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5(1)：6-16.

[5] 何關(guān)培.BIM總論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[6] H Edward Goldberg.The Building Information Model[J].Cadalyst，2004，21(3)：56-58.

[7] National Building Information Modeling Standard Committee.The National Building Information Model Standard[M].United States：National Institute of Building Sciences，2004.

[8] Building and Construction Authority.Singapore BIM Guide（Version 2.0）[M].Singapore：Building and Construction Authority，2013.

[9] 建筑科學(xué)研究院.工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范（GB/T 25507）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[10] 清華大學(xué)BIM課題組.中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架研究[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[11] 清華大學(xué)BIM課題組.設(shè)計(jì)企業(yè)BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

張雪才：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，副總經(jīng)理，教授級(jí)高級(jí)工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯高紅義

U212.3；TP3

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1672-061X（2014）05-0014-05中國鐵路總公司對(duì)在建項(xiàng)目的安全、質(zhì)量、投資、工期和環(huán)境等目標(biāo)的逐步提高，將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路設(shè)計(jì)領(lǐng)域是必然趨勢(shì)。

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2013G015-B）。