吳明杰

摘 要：近年來(lái)，建筑信息模型（BIM）技術(shù)在鐵路行業(yè)的研發(fā)和推廣工作發(fā)展迅速，目前已有多個(gè)鐵路項(xiàng)目進(jìn)行了BIM 試點(diǎn)應(yīng)用。以新建北京至雄安鐵路項(xiàng)目為例，探討從 BIM 設(shè)計(jì)、基于BIM 的平臺(tái)建設(shè)到以 BIM 技術(shù)為核心的數(shù)字化建造等方面的研究與實(shí)踐，為 BIM 技術(shù)在鐵路行業(yè)的全生命周期應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：BIM;鐵路;應(yīng)用;數(shù)字化

中圖分類號(hào)：U29

1 工程背景

京雄城際鐵路是首條連接北京和雄安新區(qū)的重要交通設(shè)施，新建線路起自既有京九線李營(yíng)站，終到雄安新區(qū)雄安站，正線線路全長(zhǎng)92.03 km，新建車站5座，分別是北京大興站、大興機(jī)場(chǎng)站、固安東站、霸州北站、雄安站。京雄鐵路項(xiàng)目在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司打造“精品工程、智能京雄”的方針引領(lǐng)下，全面籌劃部署，確立了全線、全專業(yè)、全過(guò)程的BIM應(yīng)用目標(biāo)。項(xiàng)目以BIM協(xié)同設(shè)計(jì)為載體，創(chuàng)新采用兩級(jí)平臺(tái)建設(shè)，深化基于BIM的數(shù)字化施工新技術(shù)。

2 BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.1 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

搭建統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖1），基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，將鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)植入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的落地應(yīng)用，為開(kāi)展大規(guī)模的協(xié)同設(shè)計(jì)和后續(xù)的數(shù)據(jù)交付提供了保障，實(shí)現(xiàn)對(duì)京雄鐵路BIM設(shè)計(jì)任務(wù)的統(tǒng)一集中管理，任務(wù)傳遞清晰、質(zhì)量審核規(guī)范。

對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)交付3個(gè)階段進(jìn)行嚴(yán)格定義，建立標(biāo)準(zhǔn)化的骨架樹(shù)、設(shè)計(jì)模型樹(shù)和交付模型樹(shù)。

2.2 設(shè)計(jì)手段

根據(jù)工程構(gòu)件可參數(shù)化程度，將其劃分為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件、參數(shù)化模型和專業(yè)建模工具軟件3類進(jìn)行研發(fā)（圖 2）。將產(chǎn)品、高度標(biāo)準(zhǔn)化的工程結(jié)構(gòu)歸為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，直接在工程中裝配，例如軌枕;將可進(jìn)行參數(shù)化描述、通過(guò)參數(shù)驅(qū)模生成模型的結(jié)構(gòu)歸類為模板，例如橋墩;對(duì)于參數(shù)化描述困難的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)行建模，例如路基邊坡。

利用衛(wèi)星影像、航空攝影以及無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)展示線位兩側(cè)200 m范圍的地形地貌，包含河流、房屋、高速公路、國(guó)道信息。為可行性研究報(bào)告編制、初步設(shè)計(jì)階段的可視化方案比選、大型臨時(shí)設(shè)施工程與施工便道的可視化管理等提供基礎(chǔ)三維場(chǎng)景（圖3）。

對(duì)雄安站、霸州北站、固安東站站場(chǎng)布置及綜合管線進(jìn)行優(yōu)化（圖4）。利用骨架驅(qū)動(dòng)模型的理念，建立三維站場(chǎng)模型，排布各類管線位置關(guān)系，對(duì)站場(chǎng)用地進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)各類管線進(jìn)行碰撞檢查和優(yōu)化。基本解決了大型綜合性站場(chǎng)二維設(shè)計(jì)接口眾多、布置困難的難題。

對(duì)廊涿鐵路、京港臺(tái)高鐵與京雄鐵路的空間關(guān)系進(jìn)行三維立體校核（圖5）。通過(guò)三維模型，快速調(diào)整框架墩尺寸，校核凈空限界，快速調(diào)整簡(jiǎn)支梁切懸臂設(shè)計(jì)方案，提升了多線地段橋梁空間設(shè)計(jì)的技術(shù)手段。

2.3 數(shù)字設(shè)計(jì)成果交付

基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML語(yǔ)言）的模式實(shí)現(xiàn)方法，確定地理信息元數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展定義元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字典，編制相應(yīng)的規(guī)則文件，并據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于交付數(shù)據(jù)的管理和查詢（圖 6）。同時(shí)，嚴(yán)格交付流程及質(zhì)量控制，并開(kāi)發(fā)京雄鐵路BIM數(shù)據(jù)專業(yè)化自檢工具，數(shù)據(jù)交付之前進(jìn)行全面自檢及成熟軟件檢查，以保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的完整性和通用性。

BIM設(shè)計(jì)成果審核無(wú)誤后，向建設(shè)管理平臺(tái)、施工應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)字雄安城市信息模型（CIM）平臺(tái)等進(jìn)行成果交付，并進(jìn)入下一階段BIM工程化應(yīng)用。

3 BIM 平臺(tái)建設(shè)

搭建數(shù)據(jù)管理和服務(wù)平臺(tái)，全面承接設(shè)計(jì)階段交付的BIM模型數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)。

3.1 建設(shè)管理平臺(tái)

以建設(shè)管理需求為導(dǎo)向，研發(fā)上線建設(shè)管理“一張圖”BIM應(yīng)用系統(tǒng)（圖7）。系統(tǒng)載入全線工程模型精度等級(jí)（LOD）300級(jí)的 BIM模型，生成帶有地形顯示、設(shè)計(jì)模型、周邊環(huán)境、大型臨時(shí)設(shè)施、征地拆遷、三電遷改等詳細(xì)信息的電子沙盤，模型關(guān)聯(lián)施工進(jìn)度、檢驗(yàn)批、工程影像、樁基檢測(cè)等信息。通過(guò)BIM模型全面集成建設(shè)期各類信息，實(shí)現(xiàn)安全質(zhì)量、進(jìn)度等數(shù)據(jù)的全面集成和應(yīng)用，方便管理者查閱。

3.2 施工應(yīng)用平臺(tái)

以施工需求為導(dǎo)向，施工單位根據(jù)自身工程需要開(kāi)展施工級(jí)平臺(tái)研發(fā)應(yīng)用，從技術(shù)、進(jìn)度、成本、安全質(zhì)量等方面進(jìn)行全面管理，同時(shí)開(kāi)展單工點(diǎn)深化應(yīng)用，例如對(duì)支架現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體梁的成本分析（圖8）、施工模擬（圖9）。平臺(tái)面向施工過(guò)程的精細(xì)化、智能化管理，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎(chǔ)平臺(tái)，BIM模型為數(shù)據(jù)載體，利用BIM的形象直觀、可計(jì)算分析、全生命周期管理等特性，關(guān)聯(lián)施工過(guò)程中的進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量、物料等信息，協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)管理人員有效決策和精細(xì)化管理，確保施工計(jì)劃、進(jìn)度、材料、安全、質(zhì)量等管理要素可管可控，達(dá)到提升效率和質(zhì)量、縮短工期、降低成本的目的。

4 BIM 數(shù)字化建造

4.1 鋼筋自動(dòng)化加工成套技術(shù)

將鋼筋加工裝備、信息化及BIM技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，開(kāi)發(fā)了基于 BIM模型的鋼筋智能加工數(shù)據(jù)云平臺(tái)（圖 10），完善BIM模型與鋼筋加工設(shè)備數(shù)據(jù)接口，采用鋼筋BIM數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化加工設(shè)備。

鋼筋自動(dòng)化加工成套技術(shù)從智能化鋼筋加工廠方案設(shè)計(jì)與建造、鋼筋參數(shù)化BIM圖例創(chuàng)建、智能化生產(chǎn)技術(shù)及鋼筋下料補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行研究應(yīng)用，達(dá)到鋼筋智能化、規(guī)模化生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”。

4.2 軌道板3D智能檢測(cè)與分析

基于實(shí)時(shí)獲取的軌道板表面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用激光點(diǎn)云自動(dòng)分類與模型重建技術(shù)（圖11），重建軌道板BIM模型，再將此模型與軌道板設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比分析?；谲壍腊遄詣?dòng)解譯處理系統(tǒng)，分析計(jì)算包含軌道板外觀尺寸、預(yù)埋套管、承軌臺(tái)、扣件間距、板頂面平整度等尺寸偏差，并自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，從而完成軌道板尺寸的自動(dòng)化檢測(cè)。

4.3 接觸網(wǎng)腕臂智能預(yù)配

建立接觸網(wǎng)腕臂BIM模型（圖12），將模型導(dǎo)入設(shè)備，系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、物資數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)等信息通過(guò)接口方式進(jìn)行搜集，并上傳至平臺(tái)進(jìn)行腕臂預(yù)配全流程（上料、定位、打孔、裝配等步驟）加工和裝配;同時(shí)具備自動(dòng)噴條形碼、自動(dòng)扭螺絲和扭矩控制等功能，安全穩(wěn)定可靠，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、精細(xì)化管理。

4.4 BIM 一體化解決方案

利用BIM技術(shù)建模，基于施組和工裝設(shè)備優(yōu)化鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道間距，形成由梁面直達(dá)底板的豎向振搗通道，保證混凝土質(zhì)量。建立連續(xù)梁全橋模型，通過(guò)BIM軟件提供的三維可視化空間（圖13），在既有鋼筋圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行“差錯(cuò)漏碰” 檢查，提前減少或避免鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋與支座螺栓等預(yù)埋件之間的干擾，優(yōu)化連續(xù)梁鋼筋設(shè)計(jì)，形成檢查碰撞報(bào)告，提高施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率，減少可能存在的錯(cuò)誤損失和返工的可能性，大幅提升了現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

5 結(jié)論與展望

鐵路BIM工程化應(yīng)用當(dāng)前取得了一定的成果，但仍存在部分問(wèn)題急需解決。展望中國(guó)鐵路BIM發(fā)展，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究和完善。

（1）BIM應(yīng)用經(jīng)費(fèi)問(wèn)題。目前，以智能京張、智能京雄為代表的鐵路項(xiàng)目逐步展開(kāi)BIM技術(shù)應(yīng)用，但在項(xiàng)目概算中BIM應(yīng)用費(fèi)用尚未十分明確，致使當(dāng)前BIM應(yīng)用“師出無(wú)名”。下階段應(yīng)盡快將BIM應(yīng)用費(fèi)用在招投標(biāo)中進(jìn)行明確。

（2）建模軟件國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。當(dāng)前，鐵路行業(yè)建模軟件主要以Revit、Bentley、Catia為主，幾款軟件之間暫未實(shí)現(xiàn)兼容，模型以IFC格式導(dǎo)出交付，各施工單位在應(yīng)用時(shí)往往需要再次進(jìn)行建模。隨著B(niǎo)IM技術(shù)在中國(guó)鐵路的深化應(yīng)用，建模軟件的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題如能解決，將有利于模型的流轉(zhuǎn)和深化應(yīng)用。

（3）平臺(tái)統(tǒng)一問(wèn)題。自2015年中國(guó)鐵路總公司全面推廣鐵路建設(shè)信息化以來(lái)，目前鐵路工程管理平臺(tái)的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋國(guó)內(nèi)所有的鐵路建設(shè)項(xiàng)目。以京雄鐵路為例，各施工單位自主研發(fā)獨(dú)立于鐵路工程管理平臺(tái)之外的施工應(yīng)用平臺(tái)，導(dǎo)致有多個(gè)平臺(tái)存在，不利于集中統(tǒng)一管理。下階段應(yīng)朝著統(tǒng)一平臺(tái)方面發(fā)展。

（4）統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)。鐵路工程管理平臺(tái)中各模塊應(yīng)用是基于《鐵路工程實(shí)體分解指南》（1.0版），BIM模型的創(chuàng)建及編碼是基于《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》等文件，施工單位可能又有自己的模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致現(xiàn)階段設(shè)計(jì)信息、施工信息相互割裂。以京雄鐵路BIM應(yīng)用為例，施工單位級(jí)BIM應(yīng)用平臺(tái)中眾多施工信息未能從鐵路工程管理平臺(tái)中獲取，需要再次進(jìn)行錄入，造成重復(fù)工作量巨大。下階段鐵路工程管理平臺(tái)中鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解（EBS）、設(shè)計(jì)階段模型編碼、施工應(yīng)用模型編碼等應(yīng)建立統(tǒng)一的編碼規(guī)則，在此基礎(chǔ)上展開(kāi)各階段的深化應(yīng)用，有利于信息的全面流轉(zhuǎn)。

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收稿日期 2020-03-05

責(zé)任編輯 孫銳嬌