農(nóng)興中 ，史海歐 ，袁 泉 ，曾文驅(qū) ，鄭 慶 ，丁國(guó)富

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西南交通大學(xué)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所，四川 成都 610031）

研究人員、工程人員等對(duì)BIM（building information modeling）[1]有不同的理解，總體來(lái)說(shuō)，BIM 不是狹義的三維建模技術(shù)，而是由相關(guān)理論、方法、技術(shù)、平臺(tái)和軟件支撐的、基于先進(jìn)管理理念和模式而發(fā)展形成的技術(shù)體系.BIM技術(shù)以建筑工程為對(duì)象，充分吸納IT、軟件、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、CAD（computer aided design）、圖形學(xué)等先進(jìn)的信息技術(shù)，深度融合到建筑工程的全生命周期，以減少重復(fù)工作，解決工程中高復(fù)雜度的數(shù)據(jù)交換、業(yè)務(wù)與管理協(xié)同等問題，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、高質(zhì)量完成工程項(xiàng)目[2-4].

建筑工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及政府、業(yè)主、設(shè)計(jì)、咨詢、施工、監(jiān)理、運(yùn)營(yíng)等多參與方.BIM技術(shù)具有可視化、一體化、參數(shù)化、可仿真優(yōu)化、可協(xié)同交互等優(yōu)勢(shì)，能有效減少工程中設(shè)計(jì)師的全空間思維導(dǎo)致的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，減少建造單位成本難控制、質(zhì)量難提升的煩惱，解決全過程造價(jià)難控制的痛點(diǎn)，降低施工單位不能所見即能施工的麻煩，克服運(yùn)維單位難以長(zhǎng)時(shí)間、大范圍維護(hù)等問題，因此，BIM逐漸成為建筑工程必然實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，并逐漸形成諸多標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[5-6].

城市軌道交通工程是典型的復(fù)雜建筑工程，采用先進(jìn)的BIM技術(shù)可提高工程全生命周期各階段、各專業(yè)間以及專業(yè)內(nèi)部的協(xié)同與管理，降低重復(fù)、返工、協(xié)調(diào)等成本，提高建造效率[7].因此，在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用BIM技術(shù)具有非常重大意義.

為了更有效地實(shí)施城市軌道交通工程的信息化，本文論述城市軌道交通工程建造領(lǐng)域的復(fù)雜性，歸納城市軌道交通工程中BIM研究與實(shí)施的類型和特點(diǎn)，分析和展望BIM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).

1 城市軌道交通工程復(fù)雜性分析

城市軌道交通建造工程是一項(xiàng)多專業(yè)、多角色在多約束、長(zhǎng)周期、大投入下建造的復(fù)雜系統(tǒng)工程.城市軌道交通工程涉及40多個(gè)專業(yè)，包括：運(yùn)營(yíng)組織、車輛、限界、線路、軌道、車站建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、供電、通信、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、站臺(tái)門，等等.例如，車站以建筑和結(jié)構(gòu)為主體，還包括通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、供電等相關(guān)專業(yè)；區(qū)間以隧道/橋梁/路基為主體，還包括軌道、疏散平臺(tái)、通信、信號(hào)等相關(guān)專業(yè)，如圖1所示.

圖1 城市軌道交通各專業(yè)及組成Fig.1 Majors and components of urban rail transit

城市軌道交通工程可以分為規(guī)劃、可行性研究、總體設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、拆除等階段，其中建造階段長(zhǎng)達(dá)5～7年，運(yùn)維階段可達(dá)百年之久，且所有重要的信息都將在該階段保留；每個(gè)階段都有來(lái)自40多個(gè)專業(yè)及其他相關(guān)人員的參與、交流和協(xié)調(diào)，工作量巨大；工程投資規(guī)模極大，達(dá)人民幣100億元以上，還包括大量的無(wú)形資產(chǎn)；工程風(fēng)險(xiǎn)巨大，涉及到整個(gè)城市的交通安全.這些特征給城市軌道交通工程建造帶來(lái)進(jìn)度、質(zhì)量、安全、環(huán)保、投資等多方面挑戰(zhàn)[8].

城市軌道交通工程的參與單位之間、建造階段之間、專業(yè)系統(tǒng)之間不斷交互協(xié)作，形成城市軌道交通工程的接口[9].從各個(gè)專業(yè)交互、協(xié)同的頻率來(lái)分析：假設(shè)有41個(gè)專業(yè)、包含7個(gè)階段，若每個(gè)專業(yè)在每個(gè)周期平均存儲(chǔ)10個(gè)文檔，則需要檢索的總文檔為2870個(gè)；若每個(gè)專業(yè)在每個(gè)階段有20人工作，每個(gè)專業(yè)每人平均提取資料5個(gè)，則總共需要互相提取資料的次數(shù)為5600次；總共提取資料個(gè)數(shù)為28000個(gè)，平均每個(gè)文檔被提次數(shù)約為10次.此外，各階段的專業(yè)人員在業(yè)務(wù)過程中還需要大量的信息交流.因此，急需一個(gè)用于城市軌道交通工程信息溝通的平臺(tái).

BIM技術(shù)是目前解決類似復(fù)雜工程問題的最有效途徑之一，可以提高項(xiàng)目安全性，控制設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)維質(zhì)量，共享各階段模型與信息，幫助各專業(yè)快捷溝通和協(xié)調(diào)，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)資源共享.

因此，城市軌道交通作為工程建造項(xiàng)目的典型領(lǐng)域，其復(fù)雜度、系統(tǒng)性很強(qiáng)，對(duì)BIM的依賴性更高，急需基于BIM的一體化平臺(tái)開展全信息化的共享式管理，幫助提升建造質(zhì)量、確保建造安全，加快建造進(jìn)度，降低建造成本，規(guī)范建造過程[10-11].

2 城市軌道交通工程BIM的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)研究

2.1.1 工程信息化模型的規(guī)范化表達(dá)

由于工程的復(fù)雜性和多角色、多專業(yè)性，涉及大量的交互和共享，數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)變得非常重要.IFC（industry foundation class）是國(guó)際通用的基礎(chǔ)工業(yè)類統(tǒng)一表達(dá)規(guī)范，可較為完善地描述建筑工程各專業(yè)信息[12]，成為國(guó)際建筑業(yè)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)在不同設(shè)計(jì)軟件之間的數(shù)據(jù)交互.IFC標(biāo)準(zhǔn)通過IfcRoot逐級(jí)派生實(shí)體，完成對(duì)構(gòu)件實(shí)體及屬性的表達(dá)[13].在IFC規(guī)范化表達(dá)的基礎(chǔ)上，可以通過半自動(dòng)的方式生成BIM，擴(kuò)展BIM表達(dá)的范圍，實(shí)現(xiàn)BIM的合并、提取等[14].

IFC作為一種規(guī)范化的表達(dá)方式，能夠轉(zhuǎn)化為其他數(shù)據(jù)格式，用于BIM的仿真和分析.通過建立IFC 與 gbXML（green building extensible markup language）標(biāo)準(zhǔn)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)綠色性能分析數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與共享[15]；建立IFC與RIM（railway engineering 3D information model）語(yǔ)義之間的映射關(guān)系，采用快速網(wǎng)格化算法將其轉(zhuǎn)換為GIS需要的Mesh數(shù)據(jù)[16].

2.1.2 三維 CAD 技術(shù)

CAD技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)及圖形學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，在建筑領(lǐng)域得到快速應(yīng)用，出現(xiàn)了 Revit、Bentley、ArchiCAD、魯班、廣聯(lián)達(dá)等成熟的三維設(shè)計(jì)軟件，能夠快速三維建模和出圖.目前的研究主要集中在兩方面：

1）面向不同領(lǐng)域的應(yīng)用探索.采用三維CAD技術(shù)完成各專業(yè)的設(shè)計(jì)，例如城市規(guī)劃、站臺(tái)門設(shè)計(jì)、車輛空調(diào)設(shè)計(jì)、樓梯設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、線路規(guī)劃等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)應(yīng)用[17].

2）CAD軟件二次開發(fā).通過開發(fā)設(shè)計(jì)、分析插件，與三維CAD軟件集成，以提高設(shè)計(jì)效率.例如，實(shí)時(shí)提取建筑構(gòu)件的幾何、屬性、關(guān)系等信息；面向特定設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)環(huán)境的設(shè)計(jì)輔助，如支吊架建模、軌行區(qū)建模插件；設(shè)計(jì)仿真分析，如碰撞檢查、管線綜合等[18].

2.1.3 基于圖形學(xué)的 BIM 輕量化

BIM包含的構(gòu)件數(shù)量多、幾何信息和屬性量大，模型打開耗時(shí)長(zhǎng)、瀏覽不暢，模型交互體驗(yàn)差.模型輕量化是BIM應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題.

BIM交付標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定了模型的精度等級(jí)，精度等級(jí)越高包含的信息越多.在模型顯示和交互時(shí)，通過降低精度等級(jí)的方式可以實(shí)現(xiàn)模型輕量化.面向設(shè)計(jì)平臺(tái)的BIM輕量化處理技術(shù)包括：部件刪減、部件合并、部件減面、Engineering IP Control 輕量化模塊、導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML、分區(qū)域分專業(yè)建模等[19].面向Web瀏覽器的輕量化技術(shù)包括：WebGL（Web graphics library）輕量化、基于 glTF（GL transmission forma）格式的輕量化、“數(shù)據(jù)網(wǎng)格劃分與重組-幾何數(shù)據(jù)壓縮”輕量化、基于Web3D的BIM輕量化等[20].

2.1.4 工程設(shè)計(jì)理論及方法

建筑領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)一般采用串行設(shè)計(jì)方法，存在設(shè)計(jì)交互滯后、設(shè)計(jì)變更多、協(xié)同效率低等不足.近年來(lái)，產(chǎn)品制造領(lǐng)域常用的協(xié)同設(shè)計(jì)被應(yīng)用到城市軌道交通設(shè)計(jì)中，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，城市軌道交通的協(xié)同設(shè)計(jì)模式、設(shè)計(jì)方法和協(xié)同平臺(tái)等內(nèi)容得到了初步研究，構(gòu)建了BIM一體化多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)流程框架[21]，提出了基于模型交互和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù).

基于協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的各專業(yè)之間的設(shè)計(jì)協(xié)同基本流程如下：將專業(yè)間的交互協(xié)同關(guān)系定義到平臺(tái)中；某專業(yè)設(shè)計(jì)模型的IFC文件同步到協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)后，平臺(tái)通知需要交互協(xié)同的其他專業(yè)；其他專業(yè)收到消息，訪問平臺(tái)并查看模型及屬性信息，將需要交互的構(gòu)件及屬性提取到本地，支撐本專業(yè)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同[22].

2.1.5 工程 CAE 技術(shù)

建筑三維設(shè)計(jì)完成以后，采用CAE（computer aided engineering）技術(shù)對(duì)三維模型進(jìn)行仿真分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中的問題，進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率具有重要意義.

根據(jù)建筑工程的特點(diǎn)，學(xué)者從多個(gè)維度建立CAE仿真模型，如：建筑強(qiáng)度、能耗分析，基于多智能體仿真技術(shù)的裝配式建筑項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析，內(nèi)環(huán)境空間結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定性評(píng)估與抗震能力分析，基于HOG（histogram of oriented gradient）特征的火災(zāi)煙霧顆粒物擴(kuò)散路徑分析，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建筑工程項(xiàng)目資源配置建模與仿真，基于虛擬原型的建造過程、方法和行為仿真分析等[23].

2.1.6 工程數(shù)字化管理

工程數(shù)字化管理覆蓋設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等全生命周期產(chǎn)生的海量文檔、模型、數(shù)據(jù)信息.在設(shè)計(jì)階段，基于協(xié)同設(shè)計(jì)思想建立BIM管理機(jī)制，形成以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)+模型圖紙文件管理器為核心的“數(shù)模分離”式BIM正向設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)，構(gòu)建基于BIM的多主體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)人員和用戶同時(shí)參與工程設(shè)計(jì)中，以更好地滿足設(shè)計(jì)需求[24-25].

在建造階段，以BIM為基礎(chǔ)集成項(xiàng)目的建造、安全、成本、質(zhì)量、進(jìn)度等數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)建造過程的管理、控制和評(píng)價(jià).

在運(yùn)維階段，采用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)采集和分析工程運(yùn)營(yíng)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，為工程的維修維護(hù)提供支持.

2.2 工程應(yīng)用

2.2.1 面向建造的BIM工程

在城市軌道交通工程設(shè)計(jì)中，各專業(yè)使用的軟件工具不同，相互協(xié)調(diào)的方式主要局限于口頭約定或者標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.這使得設(shè)計(jì)模型相對(duì)獨(dú)立且不能有效整合，各專業(yè)在建造和運(yùn)維過程中因?yàn)樵O(shè)計(jì)而導(dǎo)致建造困難、成本增高等諸多問題[18].為了解決上述問題，企業(yè)成立專門的BIM部門，收集各專業(yè)的模型信息并進(jìn)行多專業(yè)或全專業(yè)的整合，基于三維模型進(jìn)行建造模擬，來(lái)分析各專業(yè)設(shè)計(jì)中存在的問題，找到設(shè)計(jì)缺陷、進(jìn)行設(shè)計(jì)修改.

企業(yè)信息部門或BIM實(shí)施部門由專門的BIM建模人員、信息人員或建造模擬人員組成，與設(shè)計(jì)部門分離.該部門人員對(duì)來(lái)自各個(gè)專業(yè)的二維圖紙翻模形成三維模型；將各專業(yè)的三維模型綜合，進(jìn)行可視化交互，實(shí)現(xiàn)深化設(shè)計(jì)，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、模擬建造過程.然而，模型設(shè)計(jì)通過多個(gè)建模軟件綜合實(shí)現(xiàn)，軟件之間的數(shù)據(jù)交互尚未打通，BIM不能共享和重用.因此，面向建造的BIM工程主要解決基于可施工性的深化設(shè)計(jì)，實(shí)施過程如圖2所示.

圖2 面向建造的BIM工程Fig.2 Construction-oriented BIM engineering

2.2.2 面向協(xié)同設(shè)計(jì)和分析的BIM工程

在城市軌道交通工程建造過程中，參與方逐漸意識(shí)到各專業(yè)的協(xié)同問題，尤其是涉及到建模的一致性、可重用性問題，并嘗試在現(xiàn)有的商業(yè)軟件上找到整合的辦法.實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)和分析的核心是貫通工程的三維CAD與CAE模型.三維CAD軟件眾多，包括 Catia、Revit、Bentley、3D MAX 等；CAE更為廣泛，比如 ANSYS、PKPM、Delmia等.通過統(tǒng)一的模型在CAD與CAE的之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，避免模型不一致的問題，形成基于CAD/CAE集成的協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真分析平臺(tái)[26].如圖3所示.

圖3 面向協(xié)同設(shè)計(jì)與分析的BIM工程Fig.3 Collaborative design and analysis-oriented BIM engineering

該方式采用三維模型實(shí)現(xiàn)專業(yè)之間和軟件之間數(shù)據(jù)的溝通、協(xié)調(diào)和共享，打通各專業(yè)或者多軟件工具的接口，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)反復(fù)、提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本.其本質(zhì)是基于三維設(shè)計(jì)的BIM工程.

2.2.3 基于商業(yè)軟件平臺(tái)的BIM系統(tǒng)實(shí)施工程

為解決模型共享和重用問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化協(xié)同，企業(yè)應(yīng)用中形成了基于平臺(tái)的BIM工程.現(xiàn)有的商業(yè)軟件平臺(tái)主要由軟件公司主導(dǎo)，如廣聯(lián)達(dá)5D工具、歐特克的360、達(dá)索的Enovia等，通過集成工具軟件集，形成解決方案，建立基于BIM的研發(fā)平臺(tái).這些平臺(tái)在一定程度能夠系統(tǒng)性地管理模型，開展協(xié)同工作，但系統(tǒng)開放性不強(qiáng)，在多專業(yè)協(xié)同等實(shí)際建造過程中操作難度大[27].

圖4是某工程項(xiàng)目的整體框架思路.該平臺(tái)采用達(dá)索系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)BIM工程，其中Catia用于三維設(shè)計(jì)，Enovia用于項(xiàng)目、建造管理等，Delmia實(shí)現(xiàn)管線綜合、建造模擬、設(shè)備安裝等深化設(shè)計(jì)，再輔助以Revit等其他商業(yè)軟件完成任務(wù).

圖4 基于商業(yè)平臺(tái)的BIM工程Fig.4 BIM engineering based on commercial platform

該方式的特點(diǎn)：逐漸出現(xiàn)BIM共享的概念，且協(xié)同性強(qiáng)，由于是同族或同宗軟件，模型交互容易，數(shù)據(jù)接口較順暢；但定制性弱，難以在類似工程應(yīng)用，模型的整體性難以完全體現(xiàn)，基于時(shí)間維的完整性表現(xiàn)不強(qiáng)，是前述模式的升級(jí)或者集成.

2.2.4 基于開放式平臺(tái)的BIM工程

在歐特克、達(dá)索、廣聯(lián)達(dá)、魯班等設(shè)計(jì)、分析等軟件基礎(chǔ)之上，發(fā)展起來(lái)了很多BIM工程，但由于底層架構(gòu)難共享，BIM平臺(tái)發(fā)展受限.有研究者試圖基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建自主性強(qiáng)的BIM平臺(tái)[13,28].該方式從底層開始搭建，可塑性、擴(kuò)展性強(qiáng)，可以充分融合現(xiàn)有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，形成具有競(jìng)爭(zhēng)力的開放式BIM平臺(tái)系統(tǒng)[29-30].該模式具體的實(shí)施過程如圖5所示.

圖5 基于 IFC 的共享式 BIM 工程Fig.5 IFC-based shared BIM engineering

目前，針對(duì)BIM的開源平臺(tái)尚處于探索階段，比較熱門的是BIM server，一個(gè)由BIM愛好者開發(fā)的開源 BIM 平臺(tái).該平臺(tái)基于 B/S（browser/server）架構(gòu)，采用WebGL、JAVA、XML等計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，重點(diǎn)解決了IFC解析、BIM三維模型輕量化等問題.但是在特定領(lǐng)域開展應(yīng)用時(shí)，還需進(jìn)行深度開發(fā).BIM server目前還處在發(fā)展期，距離工程應(yīng)用還有一段距離，但已經(jīng)表現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì).

在解析IFC文件與前端輕量化顯示的基礎(chǔ)上，采用共享和B/S架構(gòu)，可以搭建復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，但如何與現(xiàn)有商業(yè)工具軟件結(jié)合和集成，如何表達(dá)更為廣泛意義的BIM還需要深入的研討和工程應(yīng)用.

除以上4種模式之外，還有其他的BIM應(yīng)用，如方案展示、虛擬漫游、建造模擬等，主要在建造工程的局部應(yīng)用三維模型，嚴(yán)格意義上不算BIM.

3 城市軌道交通BIM技術(shù)面臨的問題與挑戰(zhàn)

BIM技術(shù)的實(shí)施主要是解決城市軌道交通工程全生命周期、專業(yè)之間及專業(yè)內(nèi)部等一體化協(xié)同問題，實(shí)現(xiàn)建造工程高效管理，高質(zhì)量、低成本建造，但由于對(duì)BIM技術(shù)理解不夠，導(dǎo)致在BIM技術(shù)應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)形似而神不似的現(xiàn)狀[31]，主要有下述3點(diǎn)體現(xiàn).

3.1 貫穿城市軌道交通龐大工程全生命周期大規(guī)模模型共享的統(tǒng)一性問題

BIM是各專業(yè)交互、交流的模型基礎(chǔ)，所有的專業(yè)或者角色都會(huì)在其上開展工作，并理解和使用模型，因此最終提交給使用者的BIM必須按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范定義.目前國(guó)家、各級(jí)政府、各個(gè)設(shè)計(jì)院都根據(jù)行業(yè)和自身特點(diǎn)定義了BIM的交付標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了BIM建模的深度和廣度，包括專業(yè)、構(gòu)件、屬性、幾何、建模細(xì)節(jié)程度等，但各有特點(diǎn)、不能統(tǒng)一、通用性差.更為重要的是，難以貫穿到建筑信息化管理的全過程中，不能共享和重用.

在城市軌道交通工程建造領(lǐng)域，專業(yè)更多、接口復(fù)雜、周期更長(zhǎng)、信息量更大、參與角色更多等，使得BIM的交付規(guī)范性更難實(shí)現(xiàn).比如廣東省制定的《城市軌道交通建筑信息模型（BIM）建模與交付標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ/T 15-160—2019）[32]，初步定義了各專業(yè) BIM建模內(nèi)容，給出了通用的表達(dá)，但尚未規(guī)定建模細(xì)節(jié)，信息化實(shí)施比較困難，如表1所示.

表1 廣東省BIM建模與交付標(biāo)準(zhǔn)（部分）Tab.1 BIM modeling and delivering standard for Guangdong province（part）

廣州地鐵設(shè)計(jì)院有限公司制定的《城市軌道交通BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)》[33]中，較為細(xì)致地表達(dá)出BIM所需要的信息，按照LOD（模型精度等級(jí)）給定了細(xì)節(jié)層次，比較容易實(shí)施，但需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行細(xì)致的編碼，如表2所示.

表2 廣州地鐵BIM建模標(biāo)準(zhǔn)（部分）Tab.2 BIM modeling standard of Guangzhou Metro (part)

BIM技術(shù)主要在設(shè)計(jì)階段使用.目前，BIM技術(shù)正逐漸應(yīng)用在建造和運(yùn)維階段，然而現(xiàn)有的BIM都是階段性的，模型的一致性不夠，不能在全生命周期形成一致化表達(dá)，給基于模型的全生命周期協(xié)同和數(shù)據(jù)管理帶來(lái)了巨大困難.因此，針對(duì)城市軌道交通工程的體量和工程規(guī)模巨大、模型共享使用和維護(hù)的時(shí)間周期漫長(zhǎng)，大量專業(yè)、角色、單位訪問的時(shí)間跨度大，如何深入拓展BIM的廣度和深度，使得表達(dá)的信息和數(shù)據(jù)完整規(guī)范、實(shí)時(shí)共享最新數(shù)據(jù)等，成為工程建造管理者面臨的困惑和挑戰(zhàn).

3.2 基于BIM的多專業(yè)、多CAD/CAE軟件工程協(xié)同問題

專業(yè)眾多，接口復(fù)雜，協(xié)調(diào)困難.城市軌道交通工程各專業(yè)之間交互協(xié)調(diào)時(shí)，不僅需要提取設(shè)計(jì)和模型資料，還需要提取模型相關(guān)的信息.目前，專業(yè)之間缺乏有效的交互接口，很難從不同的專業(yè)使用的軟件中提取到所需要的模型和信息.

BIM和設(shè)計(jì)脫節(jié)，關(guān)聯(lián)度不夠.在城市軌道交通工程正向設(shè)計(jì)中，各專業(yè)設(shè)計(jì)基于需求任務(wù)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后再交由BIM實(shí)施部門進(jìn)行翻?；蛘吆夏?在此基礎(chǔ)上，通過模型接口、建造模擬等發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，并反饋各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖紙上進(jìn)行修改.這種方式雖然結(jié)合了串行設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)牟⑿性O(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)由不同的人員完成，一部分模型是由翻模完成的，導(dǎo)致了BIM和設(shè)計(jì)脫節(jié)，關(guān)聯(lián)度不夠.

設(shè)計(jì)效率低、知識(shí)分散.城市軌道交通工程設(shè)計(jì)是由大量的設(shè)計(jì)人員完成的，設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常由于工作關(guān)系調(diào)動(dòng)，導(dǎo)致部分有經(jīng)驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)沒有留下或者積累，新進(jìn)的人員又不能很好地理解原有設(shè)計(jì)，且經(jīng)驗(yàn)不足，使得設(shè)計(jì)效率低下.如何將達(dá)成共識(shí)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)知識(shí)積累起來(lái)，并融合在設(shè)計(jì)過程中以推動(dòng)整個(gè)城市軌道交通工程向基于知識(shí)和流程的數(shù)字化設(shè)計(jì)是城市軌道交通工程設(shè)計(jì)單位目前面臨的巨大挑戰(zhàn).

3.3 基于BIM的工程全生命周期海量信息數(shù)字化、高效率、低成本管理與使用問題

城市軌道交通工程全生命周期的眾多角色在參與過程中不斷地創(chuàng)建BIM、使用模型、完善屬性信息，圍繞BIM進(jìn)行大量操作、產(chǎn)生海量信息.工程建造周期長(zhǎng)，一方面導(dǎo)致工程信息逐年增加、不斷累積、海量爆發(fā)，另一方面導(dǎo)致工程信息逐漸丟失，難以追溯.

角色眾多、周期長(zhǎng)，使得整個(gè)項(xiàng)目管理異常復(fù)雜，需要交付、審核的項(xiàng)目文件和協(xié)同不計(jì)其數(shù)，這為城市軌道交通工程的管理帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)：如何根據(jù)參與人員的角色和任務(wù)確定需要提交的模型和信息，實(shí)現(xiàn)全生命周期信息的可追溯；如何根據(jù)業(yè)務(wù)流程定義角色之間的高效率協(xié)同交互；如何根據(jù)專業(yè)接口實(shí)現(xiàn)文檔資料的調(diào)用和共享，降低交互成本；如何將BIM全生命周期屬性信息統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)模型與屬性動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián).為解決上述挑戰(zhàn)，采用BIM技術(shù)從信息化的角度提高管理水平是城市軌道交通建造工程項(xiàng)目的主要問題.

4 城市軌道交通BIM技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)分析

在城市軌道交通BIM技術(shù)現(xiàn)有發(fā)展的基礎(chǔ)上，基于其需要解決的本質(zhì)問題，結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、管理技術(shù)等，城市軌道交通領(lǐng)域BIM發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下5個(gè)方面.

4.1 面向全生命周期一體化協(xié)同管理及平臺(tái)

城市軌道交通建造是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，周期跨度長(zhǎng)，信息、數(shù)據(jù)、資源的貫穿式協(xié)調(diào)和管理一直困擾著管理者、研究者及工程人員.在采用BIM技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)的基礎(chǔ)上，科研人員試圖基于BIM打通設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維全生命周期各階段，使參與者能夠在三維模型的基礎(chǔ)上開展管理和協(xié)調(diào)工作[34-35].采用先進(jìn)的BIM表達(dá)、規(guī)范的模型管理、基于流程的過程管控與優(yōu)化、多資源協(xié)同與優(yōu)化、多源數(shù)據(jù)一致性表達(dá)、全生命周期數(shù)據(jù)協(xié)同與高效管理等，都是目前的發(fā)展趨勢(shì).

4.2 基于BIM的多專業(yè)正向協(xié)同三維設(shè)計(jì)

三維模型是各專業(yè)在建筑物相互之間接口關(guān)系定義的基礎(chǔ)，每個(gè)專業(yè)開展設(shè)計(jì)時(shí)，需要與其他相關(guān)專業(yè)進(jìn)行交互、溝通和交流，這涉及到多專業(yè)一體化協(xié)同設(shè)計(jì)、專業(yè)按照接口提資、設(shè)計(jì)角色相互交流達(dá)成共識(shí)等[36].長(zhǎng)久以來(lái)，研究者希望找到一種協(xié)同設(shè)計(jì)的機(jī)制來(lái)代替現(xiàn)有簡(jiǎn)單的消息提醒、打包提資、共享資料等方式[37].目前能夠開展的有基于PDM（product data management）的協(xié)同方式，如 Enovia及其VPM；基于設(shè)計(jì)平臺(tái)的協(xié)同，如Revit的BIM 360；基于第三方系統(tǒng)的協(xié)同，如BIMFace.但要真正實(shí)現(xiàn)多專業(yè)BIM一體化協(xié)同設(shè)計(jì)，需要使角色、設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)資源深度融合，這正是基于BIM開展多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)的發(fā)展方向.

4.3 面向智能建造和運(yùn)維的BIM規(guī)范性設(shè)計(jì)

所有建造與運(yùn)維的依據(jù)來(lái)自于設(shè)計(jì).雖然設(shè)計(jì)階段有詳細(xì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為指導(dǎo)，但城市軌道交通工程的設(shè)計(jì)涉及到多專業(yè)的協(xié)調(diào)，尤其在施工圖設(shè)計(jì)階段.因此，基于建造與運(yùn)維的并行設(shè)計(jì)將逐漸應(yīng)用到城市軌道交通工程設(shè)計(jì)中，深化設(shè)計(jì)就是典型案例.目前的深化設(shè)計(jì)思路與并行工程設(shè)計(jì)有明顯的概念理解誤區(qū)，初步設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)脫節(jié)，BIM起到整合初步設(shè)計(jì)的目的，但并沒有覆蓋到設(shè)計(jì)的最前端[3].將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是如何在設(shè)計(jì)前端，基于并行工程理念逐漸形成規(guī)范性BIM，以便通過數(shù)據(jù)貫通和規(guī)范管理等方式驅(qū)動(dòng)建造和運(yùn)維，從而降低管理成本，走向智能建造和運(yùn)維.

在設(shè)計(jì)前端進(jìn)行BIM規(guī)范，需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編碼，并對(duì)城市軌道交通各專業(yè)按照BIM結(jié)構(gòu)統(tǒng)一定義，給出全生命周期唯一的標(biāo)識(shí)號(hào).如何讓各個(gè)專業(yè)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一的全生命周期管理，提高過程中數(shù)據(jù)的一致性，是很多研究BIM的學(xué)者一直想解決的基本問題.

城市軌道交通工程專業(yè)眾多，設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)人員的流動(dòng)性大，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范設(shè)計(jì)流程是基于BIM的工程設(shè)計(jì)發(fā)展的方向.通過該項(xiàng)研究開展基于知識(shí)工程的智能設(shè)計(jì)，模塊化、參數(shù)化和多粒度流程定制的精細(xì)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，減少大量的重復(fù)繪圖工作[38].

4.4 基于IFC的BIM表達(dá)及共享

城市軌道交通工程因?qū)I(yè)眾多、時(shí)間跨度長(zhǎng)、交互協(xié)同多、應(yīng)用軟件多等導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致性差，各種軟件不能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型交換，IFC源自于STEP（standard for the exchange of product model data），主要用于工程建造類“產(chǎn)品”的數(shù)據(jù)交換定義，以解決統(tǒng)一模型表達(dá)的問題[39].大量深入建筑領(lǐng)域的基于IFC進(jìn)行模型交換的研究，使得IFC逐漸完善[40]，但I(xiàn)FC在城市軌道交通工程領(lǐng)域的擴(kuò)展空間大，所要表達(dá)的內(nèi)容更多更豐富，基于IFC的城市軌道交通工程BIM表達(dá)逐漸成為行業(yè)的研究發(fā)展趨勢(shì)之一.

4.5 BIM技術(shù)與信息化的深度融合

通過將信息化技術(shù)逐漸深度融合到城市軌道交通工程領(lǐng)域[41]，為BIM技術(shù)的延伸式研究帶來(lái)了很多發(fā)展方向和研究空間，包括共享模型及服務(wù)、協(xié)同管理、智能建造、智能測(cè)量、基于數(shù)字孿生的智能運(yùn)維、基于移動(dòng)BIM的工程監(jiān)理、云計(jì)算及一體化協(xié)同設(shè)計(jì)等[42].信息化技術(shù)將帶動(dòng)BIM的快速發(fā)展，并為城市軌道交通工程提高建造效率，降低建造成本，減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等提供有力的技術(shù)支持.

5 結(jié) 論

相比通用建筑工程，城市軌道交通工程涉及的專業(yè)多、外部接口多、參與單位多、投資大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)管控難，是一項(xiàng)更為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，給BIM技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn).BIM是信息化深度融合城市軌道交通工程，解決各種復(fù)雜問題的重要支撐技術(shù)，但很不成熟，主要表現(xiàn)在面向全生命周期的工程模型數(shù)字化的統(tǒng)一規(guī)范表達(dá)問題，多專業(yè)、多軟件、多角色、多單位相互協(xié)同設(shè)計(jì)、管理和數(shù)據(jù)利用問題，基于復(fù)雜、海量幾何物理模型融合的模型輕量化問題，基于BIM的全生命周期工程項(xiàng)目管理平臺(tái)研發(fā)等.將來(lái)的BIM技術(shù)必然朝著基于云端統(tǒng)一共享規(guī)范編碼的BIM信息模型和一致性表達(dá)，基于云端高效協(xié)同全生命周期管理，面向云計(jì)算的云端輕量化BIM的分發(fā)、共享、重用和協(xié)同，面向BIM基于數(shù)字孿生的城市軌道交通工程長(zhǎng)周期、高效低成本運(yùn)維等方向發(fā)展.BIM通過實(shí)施統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)整合、輕量化表達(dá)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，必將在城市軌道交通工程的高效、低成本運(yùn)作與管理方面做出重要貢獻(xiàn)，為城市軌道交通工程的發(fā)展建造提供重要技術(shù)支撐.