殷愛國 劉明輝

(1.中鐵七局集團有限公司勘測設(shè)計院，鄭州 450016;2.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，鄭州 450045)

前言

21 世紀初BIM 的實際應(yīng)用始于美國，后逐步推廣到歐洲、日本、韓國、新加坡、中國香港等國家和地區(qū)，并相繼制定了各自的BIM 標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。緊跟著中國各個行業(yè)逐步掀起了學(xué)習(xí)和應(yīng)用BIM 的熱潮，有些行業(yè)還根據(jù)自身特點制訂了宏偉的推進路線圖，各類介紹BIM 技術(shù)的書籍、期刊、文獻等層出不窮，為學(xué)習(xí)研討提供便捷途徑。國內(nèi)對BIM 技術(shù)的研究剛剛起步，且主要集中在建筑工程領(lǐng)域。開展這項工作仍面臨很多困難，其中以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化問題最為迫切，目前僅建筑行業(yè)取得了初步成果。

交通行業(yè)有別于建筑行業(yè)，不同于工點式的單體建筑，多呈帶狀分布，與地形結(jié)合緊密，區(qū)域范圍廣，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，涉及專業(yè)多，數(shù)據(jù)海量，每一項突破都是一次革命。另外，交通工程領(lǐng)域的設(shè)計師們往往既是“建筑師”又是“結(jié)構(gòu)師”，設(shè)計師不僅要負責(zé)方案設(shè)計，還要進行建模計算，工作量巨大。作為交通領(lǐng)域的主力軍，我國鐵路部門于2014 年全面啟動了《中國鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究》，中國中鐵編寫完成了《鐵路工程信息模型(REIM)應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(初稿)，各層級的BIM 標(biāo)準(zhǔn)和手冊制定工作正穩(wěn)步推進。

雖然交通工程行業(yè)發(fā)展和應(yīng)用BIM 技術(shù)面臨的困難更大，但行業(yè)人士對BIM 技術(shù)應(yīng)用將是未來發(fā)展必然趨勢的認同是一致的。BIM 技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用起步雖晚，但啟動較快。目前行業(yè)主管部門大力推動BIM 技術(shù)在鐵路工程建設(shè)中的應(yīng)用，于2013 年啟動了鐵路工程建設(shè)信息化關(guān)鍵技術(shù)的研究，各大鐵路科研院所、設(shè)計院、工程局都組建了自己的BIM 研發(fā)團隊，致力于BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究和配套標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，其中以各大設(shè)計院的研發(fā)和應(yīng)用工作最有成效，取得的代表性成果有:基于航空遙感影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)的帶狀大范圍工程設(shè)計三維真實感場景技術(shù);基于數(shù)字地球的鐵路三維空間選線系統(tǒng)及二、三維結(jié)合的測繪數(shù)據(jù)集成共享平臺;基于GIS、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫等新技術(shù)的數(shù)字化三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā);基于航空攝影與遙感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的鐵路線路設(shè)計矢量圖形系統(tǒng)，這些研究工作為在交通領(lǐng)域應(yīng)用BIM 技術(shù)起到了引領(lǐng)作用［3-6］。

1 BIM 技術(shù)在交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用所存在的問題

BIM 技術(shù)具有眾多優(yōu)點不容置疑，但要在交通領(lǐng)域全面推廣應(yīng)用，還面臨無標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、軟件不成熟、硬件配置不能滿足要求、投資回報期長等一些問題和困難。

1.1 涉及專業(yè)種類多且差異性強

建筑工程是工點工程，交通工程是線路工程。一個公路或鐵路項目涉及的專業(yè)種類很多，尤其以鐵路項目最為繁雜，主要包括勘察(地質(zhì)、測量)、土建(線路、橋梁、隧道、路基、軌道、站場)、機械(機車、車輛)和“四電”(通信、信號、電力、電氣化)等工程類別。上述專業(yè)既具有典型的行業(yè)特色，又具有顯著地自身特點，這種細化的分工導(dǎo)致專業(yè)接口多，專業(yè)間界面復(fù)雜，信息很難在整個項目中實現(xiàn)集成和形成閉環(huán)。如何實現(xiàn)同一項目不同專業(yè)間信息的充分共享和關(guān)聯(lián)，對BIM 技術(shù)提出了更高的要求。

1.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不成熟

BIM 需要在項目整個壽命周期不同參與方的各種軟件間交換信息，如CAD 軟件、性能分析軟件、施工管理軟件、運營管理軟件以及審核WEB 平臺。在BIM 應(yīng)用方面起步較早的一些國家相繼制定了各自的BIM 標(biāo)準(zhǔn)，但均局限于建筑工程領(lǐng)域，并未涵蓋交通行業(yè)［7-8］;當(dāng)前國際上比較主流的BIM 核心建模軟件都集中在國外，國內(nèi)各行業(yè)普遍缺乏大型軟件開發(fā)商，在制定BIM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面面臨很多尷尬和困難也是不爭的事實。

圖1 中國交通BIM 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展路徑

結(jié)合帶狀的交通工程線長點多、結(jié)構(gòu)形式不一、場地條件多變、涉及專業(yè)眾多、軟件需求差異化大等特點，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定必然是一項系統(tǒng)而又復(fù)雜的工程。目前實際情況為，同一大型軟件開發(fā)商開發(fā)的系列軟件之間數(shù)據(jù)交換很方便，但不同廠商軟件之間缺乏交互性，實現(xiàn)上述不同階段、不同功能的主流軟件又屬于不同的軟件廠商，如CAD 系列軟件屬于AUTODESK 公司，用于性能分析的Ansys、Midas、橋梁博士等軟件則分屬于其他公司，這些軟件間大部分沒有BIM 接口，不同軟件建立的三維模型數(shù)據(jù)格式也不相同，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)間直接調(diào)用。

目前交通行業(yè)缺乏明確而權(quán)威的BIM 標(biāo)準(zhǔn)格式。交通領(lǐng)域BIM 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該在與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的同時，要優(yōu)先滿足國家BIM 標(biāo)準(zhǔn)的要求，然后借鑒建筑行業(yè)BIM 標(biāo)準(zhǔn)方面一些成熟的做法，以形成一個完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，必須支持軟件開發(fā)和工程應(yīng)用，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實施標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、信息語義標(biāo)準(zhǔn)、信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)［9］，其主要目標(biāo)是為了實現(xiàn)項目建設(shè)全生命周期內(nèi)不同參與方間的互操作性，用于指導(dǎo)和規(guī)范交通領(lǐng)域BIM 標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)。實施標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的使用規(guī)范，主要用于指導(dǎo)和規(guī)范規(guī)劃、設(shè)計、施工、建設(shè)管理、運營維護等具體操作層面實施BIM 標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 綜合數(shù)據(jù)處理技術(shù)急需提高

BIM 與GIS(Geography Information Systems，地理信息系統(tǒng))的融合是BIM 技術(shù)在交通行業(yè)應(yīng)用的一個方向。交通領(lǐng)域工程項目不同于工點式的單體建筑工程，呈帶狀分布，與沿線地質(zhì)、水文、地形等空間地理信息密切相關(guān)，每一類別空間地理信息因素的異同都可能引起線形、橋位、橋型等設(shè)計方案的巨大反差，而建立和處理滿足設(shè)計深度要求的空間地理信息數(shù)據(jù)是海量的，一定程度上超過專注于主體結(jié)構(gòu)的BIM 模型本身，需要采用云計算技術(shù)，二者的融合對現(xiàn)有軟硬件技術(shù)都提出了挑戰(zhàn)。目前及今后在開展交通領(lǐng)域輔助設(shè)計軟件開發(fā)時，要統(tǒng)籌兼顧BIM 和GIS 的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和集成平臺等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補和良好融合。

GIS 是一個專門管理地理信息的計算機軟件系統(tǒng)，它不但能分門別類、分級分層地去管理各種地理信息，而且還能將它們進行各種組合、分析等。目前，GIS 標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化程度高，比較成熟，可以輔助BIM 模型搭建周邊地理環(huán)境的大場景，提高BIM 模型的建筑性能信息完備性。一定意義上來說，GIS 技術(shù)也屬于BIM 技術(shù)范疇，但由于其專業(yè)特點而自成一體，暫按兩塊內(nèi)容來理解。

2 應(yīng)用前景分析

2.1 協(xié)同設(shè)計

交通工程項目涉及專業(yè)較多，專業(yè)之間的配合與協(xié)調(diào)如何影響總體設(shè)計質(zhì)量的高低。BIM 模型要求工程設(shè)計必須實現(xiàn)三維設(shè)計，能夠根據(jù)3D 模型自動生成各種圖形和文檔，而且始終與模型邏輯相關(guān)，當(dāng)模型發(fā)生變化時，與之關(guān)聯(lián)的圖形和文檔將自動更新［10］。在BIM 模型中，設(shè)計過程中所創(chuàng)建的對象存在著內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)某個對象發(fā)生變化時，與之關(guān)聯(lián)的對象隨之變化，這樣就實現(xiàn)了不同專業(yè)設(shè)計之間的信息共享。當(dāng)某個專業(yè)設(shè)計的對象被修改，其他專業(yè)設(shè)計中的該對象會隨之更新，這樣各專業(yè)之間的設(shè)計過程或成果將統(tǒng)一實時呈現(xiàn)在BIM 模型上，實現(xiàn)信息自然交互，也就實現(xiàn)了各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計。

2.2 設(shè)計可視化

BIM 本身作為一種可視化程度很高的工具，包含了項目的幾何、物理、功能等信息，加之與各類分析計算模擬軟件的集成，將大大拓展其可視化的表現(xiàn)能力。在一定的階段，BIM 模型是隨著關(guān)聯(lián)要素的改變而不斷實時動態(tài)自動更新的過程，其可視化效果與設(shè)計也是始終保持一致的。結(jié)合碰撞檢查功能，BIM 軟件可以真實生動地把錯、碰、漏、缺等問題呈獻給設(shè)計人員，故今后設(shè)計院審圖工作的重心會逐步從以往偏向于查找問題轉(zhuǎn)向如何解決問題。

2.3 數(shù)字化施工

施工階段是項目全生命周期的一個非常重要階段，而數(shù)字化施工是BIM 技術(shù)在該階段應(yīng)用的基礎(chǔ)，從這個意義上講數(shù)字化施工也是BIM 價值的重要體現(xiàn)。施工企業(yè)要在設(shè)計階段BIM 模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)平臺實時添加施工階段所產(chǎn)生的各種施工數(shù)據(jù)，實現(xiàn)BIM 模型的實時動態(tài)更新，以滿足建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理等項目參與方進行實時信息交流［11］。當(dāng)然，該期間其他項目參與方如有數(shù)據(jù)的修改或補充也可通過上述流程實現(xiàn)。

2.4 施工模擬

設(shè)計單位通過BIM 模型初步解決了設(shè)計項目的可施工性，但實施性施工方案的比選和優(yōu)化，還需綜合考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、空間尺寸、機械配置、施工進度、成本控制等多種因素通過虛擬施工后確定［12］。比如針對某輕型橋梁制定的吊車架梁方案(圖2)，我們首先要考慮吊車噸位、起吊能力分析、吊車尺寸、凈空要求、吊車占位及支反力、對關(guān)聯(lián)條件的影響等，可以通過管理交互平臺調(diào)用BIM建模軟件和計算分析軟件來實現(xiàn)，并根據(jù)反饋的問題信息優(yōu)化施工方案，從而真正找到安全、質(zhì)量、進度、效益的最佳平衡點。

圖2 施工進度及橋梁架設(shè)模擬

2.5 運營維護

BIM 技術(shù)在運營維護階段的應(yīng)用核心是通過數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析為安全運營提供技術(shù)保障，同時通過精細利用來實現(xiàn)固有資產(chǎn)的效益最大化。運維階段的BIM 模型為竣工交付模型，含有設(shè)計和施工信息，同時在運營過程中還會產(chǎn)生一些新的信息，如日常養(yǎng)護、設(shè)施設(shè)備管理、安全監(jiān)測防護、分析評估等數(shù)據(jù)，也需要集成到BIM 模型上，以實現(xiàn)BIM 模型多源數(shù)據(jù)的一體化管理?？傮w來說，通過BIM 進行實時數(shù)據(jù)訪問、空間分析，實現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)和決策。

圖3 橋梁及道路BIM 模型

2.6 案例分析

結(jié)合作者在做的某61.8km 既有道路改(擴)建項目，通過Revit(Naviswork)、Civil 3D(Infraswork)等幾種BIM 軟件，建立了設(shè)計階段全線道路和主要橋梁結(jié)構(gòu)物的BIM 模型，初步實現(xiàn)了以下應(yīng)用:

(1)外業(yè)1:2000 地形圖測繪帶寬為線路中心線兩側(cè)各200m，在此基礎(chǔ)上結(jié)合Google Earth 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)對地形帶寬進行了擴展，利用Civil 3D(Infraswork)構(gòu)建了沿線周邊環(huán)境模型，圖3 中BIM 模型所呈現(xiàn)的地形地貌、植被、房屋建筑等周邊環(huán)境即為實測信息。

(2)通過建立包含鋼筋型號、混凝土標(biāo)號及尺寸標(biāo)注等基本信息的橋梁BIM 模型，并根據(jù)出圖要求進行一系列的修正，實現(xiàn)了基于三維BIM 模型直接生成滿足規(guī)范和行業(yè)習(xí)慣要求的二維圖紙;實現(xiàn)了BIM 模型與二維圖紙的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)聯(lián)(圖4)，當(dāng)模型發(fā)生變化時，與之關(guān)聯(lián)的圖形和標(biāo)注將自動更新，避免了多個文件的重復(fù)修改。

圖4 具有關(guān)聯(lián)屬性的整橋布置圖(上)和BIM 模型(下)

(3)利用三維設(shè)計軟件的碰撞檢查和可視化設(shè)計功能(圖5)，進行了錯、碰、漏、缺檢查，設(shè)計人員根據(jù)檢查報告進一步完善了設(shè)計資料。

(4)利用Revit 建立的各類構(gòu)件模型均被賦予了尺寸、型號、材料等約束參數(shù)，通過BIM 模型可以直接生成不同階段、不同形式的鋼筋、水泥、土石方等工程量清單和材料明細表(圖6)，提高了工程材料管理的效率和質(zhì)量。

(5)構(gòu)建了本項目基本的參數(shù)化族庫，每個圖族元均含有很多的信息，如尺寸、形狀、類型、材質(zhì)、可見性和其他的參數(shù)變量設(shè)置，便于類似項目的重復(fù)利用。

圖5 可視化設(shè)計

4 結(jié)語

鑒于BIM 技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用注重協(xié)同工作，這將是一項巨大、復(fù)雜、持續(xù)和系統(tǒng)的工程，涉及到政策、經(jīng)濟、技術(shù)、人力、管理等多方面的風(fēng)險。從某種程度上來說，BIM 技術(shù)應(yīng)用不僅僅是單純的技術(shù)問題，而更多的是統(tǒng)籌管理問題。結(jié)合作者正在參與的BIM 課題研究，就現(xiàn)階段如何在交通領(lǐng)域更好地推行BIM 技術(shù)應(yīng)用提出以下建議:

圖6 具有鋼筋材料屬性的邊板(梁)BIM 模型(左)和自動生成的材料明細表(右)

(1)BIM 技術(shù)的應(yīng)用可分階段設(shè)定不同的目標(biāo)，循序漸進，做好過程分析和持續(xù)改進;

(2)考慮到起步階段的根本目標(biāo)是將某專業(yè)的BIM 三維設(shè)計流程走通，不宜選擇復(fù)雜程度過高、規(guī)模過大的工點，以使團隊不至于將太多的精力放在工點本身的設(shè)計上，從而可以專注于BIM 三維設(shè)計應(yīng)用研究;

(3)從行業(yè)層面加快BIM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，加強統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)BIM 在各階段、各專業(yè)間的協(xié)同應(yīng)用;

(4)作為BIM 技術(shù)應(yīng)用的主體，設(shè)計、施工企業(yè)應(yīng)做好各自的發(fā)展規(guī)劃和應(yīng)用方案，選定適合本身特點的建模分析軟件和人機交互平臺，并做好二次開發(fā);

(5)隨著BIM 技術(shù)的逐步推進，對項目全生命周期各參與方帶來全新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的思維方式、工作習(xí)慣、工作標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)流程等均不能滿足要求，需及早、有序地做好相關(guān)應(yīng)對工作。

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