靳辰琨，郭志光

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081； 3.中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100043)

近年來，隨著計算機軟硬件的快速發(fā)展，BIM從科研機構實驗室走向了工程應用，越來越多的工程項目開始探索實際工程應用，取得了一定的實際效果，得到業(yè)界普遍關注與認可，將BIM作為未來工程建設管理的引領方向[1]。總體來看BIM應用呈現(xiàn)出三方面特點：從應用工程類型上看，BIM在房屋建筑工程中占比最大[2-4]，鐵路行業(yè)以站前工程研究為主[5-8]，站后四電工程應用處于摸索發(fā)展階段[9-12]；從項目全生命周期應用來看，目前的BIM應用大多數(shù)集中在三維設計階段，絕大多數(shù)工程師將三維信息模型用作方案展示和比較的輔助手段[13-17]；從應用實際效果來看，由于BIM應用相關的配套標準不完善，軟件系統(tǒng)不落地，管理方式?jīng)]有跟進，呈現(xiàn)散點式的非系統(tǒng)性應用特點，BIM支出與取得的價值之間存在差距[18-20]。

為了實現(xiàn)BIM的系統(tǒng)性應用，發(fā)揮BIM更大價值，需要從 BIM 隊伍組織建設，BIM 應用標準建立，軟件功能及相關技術研究開發(fā)，專業(yè)工程技術人員培訓全面推進。從 BIM 實施階段開始規(guī)劃好項目生命周期的應用需求，各專業(yè)之間的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳遞標準，避免形成新的數(shù)據(jù)孤島。采用一個管理平臺，一套 BIM模型，一套數(shù)據(jù)架構，統(tǒng)一BIM應用軟件，統(tǒng)一BIM應用標準，打通各個環(huán)節(jié)、各個專業(yè)間的數(shù)據(jù)流，滿足全方位、全流程的系統(tǒng)性應用需求，切實為工程施工過程提供技術指導和創(chuàng)造價值[21-23]。

1 BIM應用技術方案

1.1 硬件系統(tǒng)集成部署架構

根據(jù)BIM建模軟件特點及運行要求，鐵路四電BIM技術應用硬件系統(tǒng)集成部署架構如圖1所示，采用B/S硬件拓撲架構，包括3臺服務器及多個客戶端，其中一臺用作部署 BIM 建模軟件服務，一臺用作部署管理平臺，一臺用作獨立的數(shù)據(jù)庫運行與備份，服務器可自行部署或租用可靠的公有云服務。

圖1 硬件系統(tǒng)集成部署架構

1.2 軟件系統(tǒng)工作原理

工程建設技術人員與管理人員應用BIM，除了基于BIM可視化特點直觀識別設計意圖外，還需要基于BIM獲得各專業(yè)對應的數(shù)據(jù)信息及業(yè)務流程管理信息，僅依靠三維建模軟件難以滿足需求，須結(jié)合BIM軟件功能特點、應用要求、硬件功能綜合制定其相應的數(shù)據(jù)交互工作機制，鐵路四電BIM應用軟件系統(tǒng)包括三維建模軟件(CATIA軟件)和項目綜合管理平臺，二者協(xié)同工作，共同完成綜合業(yè)務需求。

其中CATIA軟件為模型生產(chǎn)工具，基于BIM模型直接進行錯漏碰缺檢查與優(yōu)化，消除三維模型中錯誤以后，實現(xiàn)物料統(tǒng)計、接觸網(wǎng)腕臂預配計算、房屋內(nèi)外線纜排布、專項施工方案制定等功能。

項目綜合管理平臺按約定協(xié)議接收CATIA模型數(shù)據(jù)，基于構件編碼實現(xiàn)模型與后臺定制的業(yè)務流程、業(yè)務數(shù)據(jù)無縫對接，同時開展技術與管理類應用。按鐵路BIM聯(lián)盟制定的編碼體系進行編碼，導入項目管理系統(tǒng)，進行項目質(zhì)量管理、進度管理、物料管理、施工模擬等綜合應用。軟件系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)工作原理

2 項目級鐵路四電施工BIM應用標準

BIM標準是BIM實施過程中工作協(xié)同與信息協(xié)作的交流準則，是參與BIM應用的各方人員必須遵守的管理規(guī)定和技術依據(jù)，是保障BIM應用能夠順利推進實施的規(guī)則體系?，F(xiàn)階段，國家和行業(yè)在鐵路四電施工BIM應用領域沒有發(fā)布統(tǒng)一的BIM標準可以參照執(zhí)行，建立項目級的BIM應用標準體系具有重要意義。

項目級鐵路四電施工BIM應用標準的建立和編寫需要遵從以下原則。

(1)BIM標準的建設要領會國家發(fā)布的BIM應用政策性文件精神，符合國家及行業(yè)政策要求。

(2)BIM標準的建設要貼合項目實體生產(chǎn)的管理流程、實體生產(chǎn)的工序工藝，不能改變項目管理組織框架。

(3)BIM標準的建設具有實際的指導意義和可用性，標準建設不能為了標準而脫離業(yè)務定立標準，需要深入了解項目實際施工生產(chǎn)的工作任務，并將業(yè)務需求通過轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)相應的軟件功能。

(4)BIM標準的建設應分級分步驟實施，建議先建立總框架，根據(jù)具體需求，逐步完善。

鐵路四電施工BIM應用項目級標準內(nèi)容建議分3個部分。

(1)第一部分為管理規(guī)定，規(guī)定鐵路四電施工BIM應用中階段劃分，明確每個階段的工作內(nèi)容，具體的執(zhí)行部門、執(zhí)行人員、執(zhí)行時間、執(zhí)行標準、工作成果，各部門相互協(xié)作的內(nèi)容、流程。

(2)第二部分為技術規(guī)定，規(guī)定BIM模型創(chuàng)建工作流程，各專業(yè)BIM模型如何協(xié)同管理與工作，規(guī)定BIM模型創(chuàng)建的內(nèi)容與深度，規(guī)定好BIM模型如何參照引用施工規(guī)范及質(zhì)量驗收規(guī)范。

(3)第三部分為管理考核，規(guī)定考核管理時間、依據(jù)、獎懲規(guī)定，推動BIM應用。

3 基于BIM的技術類應用

3.1 接觸網(wǎng)參數(shù)化建模

接觸網(wǎng)專業(yè)BIM模型創(chuàng)建是BIM應用的重點與難點，相比其他專業(yè)，接觸網(wǎng)專業(yè)構件分散，參數(shù)多，模型精準度要求更高，每個里程點模型不能復用[24-26]。通過輸入現(xiàn)場實際測量參數(shù)，包括實際里程、軌道超高、腕臂底座安裝高度、側(cè)面限界，設計拉出值，經(jīng)過軟件插件二次開發(fā)，讀取接觸網(wǎng)建模參數(shù)(表1)，實現(xiàn)自動布置接觸網(wǎng)支柱、腕臂、補償裝置、承力索、接觸線、吊弦、附加導線及各類設備參數(shù)化模型(圖3)。

表1 接觸網(wǎng)建模參數(shù)

圖3 接觸網(wǎng)參數(shù)化模型

3.2 腕臂預配計算

根據(jù)幾何原理，創(chuàng)建空間骨架圖，讀取excel表中實際里程、軌道超高、腕臂底座安裝高度、側(cè)面限界，設計拉出值等參數(shù)，計算出平腕臂管、斜腕臂管、腕臂支撐、定位管、定位支撐長度，以及每個零件的準確安裝位置(圖4)。相比傳統(tǒng)的計算方法，基于BIM的腕臂預配參數(shù)計算考慮了空間相關聯(lián)構件的安裝位置，其計算結(jié)果精度高，可以直接無縫對接智能預配平臺。

圖4 接觸網(wǎng)腕臂預配參數(shù)計算

3.3 錯漏碰缺檢查優(yōu)化

在傳統(tǒng)二維設計圖中，受時間與技術限制，在二維圖紙設計過程中根本無法避免錯漏，只能邊施工邊發(fā)現(xiàn)邊解決，造成材料、人力、工期消耗大幅增加。采用BIM技術可以檢查優(yōu)化二維圖紙中的錯漏碰缺。

(1)開展接觸網(wǎng)專業(yè)錯漏碰缺檢查，一是在軟件中定制好碰撞規(guī)則，按原設計創(chuàng)建好模型直接輸出碰撞檢查結(jié)果表，二是對于一些沒有規(guī)律漏缺，結(jié)合工程師專業(yè)經(jīng)驗進行逐一分段排查。接觸網(wǎng)專業(yè)常見錯漏碰缺主要存在于接觸網(wǎng)支柱與站前工程之間的碰撞，彈性吊索與腕臂支撐直接碰撞或間距小于100 mm，關節(jié)處承力索、接觸線成S形麻花交叉。在CATIA V6中，通過參數(shù)調(diào)優(yōu)可以調(diào)整模型完成“錯漏碰缺”的檢查優(yōu)化。

(2) 從模型特征看，接觸網(wǎng)專業(yè)屬于超長帶狀物，變配電、通信、信號專業(yè)所亭屬于點狀物，專業(yè)間交叉配合多，需要各個專業(yè)集成，相互協(xié)調(diào)才能徹底檢查并糾正存在的問題。

3.4 工程物料統(tǒng)計

工程物料統(tǒng)計是工程施工中重要的基礎數(shù)據(jù)，物資采購、資金準備、料庫建設等工作都需要提供詳細準確的工程物料統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

基于 CATIA V6軟件提取工程物料，采取模型數(shù)據(jù)定制加二次開發(fā)的模式，在數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建過程中嵌入統(tǒng)計時需要的物料分類、物料編碼、物料名稱、統(tǒng)計類型(統(tǒng)計個數(shù)、長度、體積、面積)、計量單位等信息，規(guī)定模型創(chuàng)建層級關系，通過二次開發(fā)，自動提取構件模型數(shù)據(jù)，按需求生成多種維度物料清單表格，工程技術部門、物資部門可同時獲取相同表單，保證數(shù)據(jù)的唯一性和實時共享。相比傳統(tǒng)算法，應用BIM技術開展工程物料統(tǒng)計，極大減輕了工程技術人員的工作量，提高了工作效率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

3.5 變配電、通信、信號專業(yè)線纜優(yōu)化排布

線纜排布是所亭施工的難點，尤其是使用線夾固定，線纜排布要求更加精細，一旦出錯就會導致返工，材料浪費嚴重，提前模擬排布線纜，可以保障工程質(zhì)量、節(jié)約工期、避免材料浪費?；贐IM技術進行線纜排布流程如下：確定設備位置→核對線纜清冊→規(guī)劃線路路由→創(chuàng)建線纜模型→線纜優(yōu)化調(diào)整→輸出施工圖。

(1)確定室內(nèi)外設備位置。室內(nèi)外設備位置需要根據(jù)設計要求及設備功能確定，需要明確設備平面位置、安裝高度、接線口位置。

(2)核對線纜清冊。根據(jù)設計圖紙，逐一核對一次線纜與二次線纜清冊，確定線纜根數(shù)、規(guī)格直徑、內(nèi)芯材質(zhì)、作用(電源纜、信號纜)，為后期規(guī)劃線纜及支架提供依據(jù)。

(3)規(guī)劃線纜路由。線纜路由規(guī)劃要綜合考慮線纜作用、線纜規(guī)格、線纜轉(zhuǎn)彎半徑、線纜預留長度，電源線在上，信號線在下，同一直徑設置在同層，做到整齊劃一，清晰美觀。

(4)創(chuàng)建線纜模型。依據(jù)線纜清冊和設備接線位置，按規(guī)劃線纜路由，逐一連接生成三維線纜模型。

(5)線纜優(yōu)化調(diào)整。創(chuàng)建完三維模型以后要逐段觀察，對產(chǎn)生交叉碰撞的線纜進行位置調(diào)整優(yōu)化，滿足技術要求及施工要求，外形整齊美觀。

(6)成果輸出。根據(jù)優(yōu)化調(diào)整后的模型輸出施工圖，方便施工人員使用。

利用BIM進行線纜排布的模型與現(xiàn)場施工情況如圖5所示。

圖5 牽引所室內(nèi)線纜排布BIM與現(xiàn)場對比

4 基于BIM的綜合管理應用

基于BIM的四電施工綜合管理是以虛擬的工程實體BIM模型為管理對象，在項目綜合管理平臺中嵌入業(yè)務流程與專業(yè)表單，將人工、材料、機械、工法統(tǒng)一納入管理，適應項目施工過程不同階段、不同專業(yè)間的應用協(xié)同工作，實現(xiàn)項目管理的可視化、數(shù)字化、標準化、信息化。項目各級管理人員、技術人員在任何時間、任何地點使用平臺，獲取相應的信息數(shù)據(jù)，為項目施工生產(chǎn)提供決策依據(jù)[26]。

4.1 一桿一檔信息管理

基于BIM的一桿一檔信息管理是以支柱為基礎，將支柱及其上安裝的所有分項、設備作為一個管理單元[27]，以中國國家鐵路集團有限公司下發(fā)的一桿一檔信息填寫要求為模板，以BIM模型為載體，信息管理設計按集合單元、分項組件、零件三級設計，共性信息記錄在上級，個性信息記錄在下級，涵蓋設計、采購、施工三個階段，包括了基礎信息、技術信息、材料信息和人員信息(圖6)。

圖6 基于BIM的一桿一檔信息

(1)集合單元為一桿一檔最高級別，主要記錄桿號、里程、左(右)線、接觸網(wǎng)導高、軌面超高等信息。

(2)分項工程組件是指按施工驗收標準劃分的組件，包括支柱、支柱基礎、腕臂裝置、補償裝置、肩架、拉線、隔離開關等，主要記錄預配信息、施工隊伍、施工時間、施工人員、驗收人員、安裝圖號信息。并鏈接安裝圖紙、裝配視頻，指導現(xiàn)場施工。

(3)零件信息是組成組件的具體零配件，以腕臂裝置為例，包含腕臂底座、棒瓷絕緣子、腕臂管、承力索底座等零件，對應每個零配件記錄其型號規(guī)格、幾何尺寸、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)批次、緊固力矩、進貨批次等信息。

以支柱為對象生成二維碼，為一桿一檔集合單元賦予身份標識，后期使用終端掃描二維碼即可進行數(shù)據(jù)查詢與編輯(圖7)。

圖7 一桿一檔二維碼管理

隨著工程施工推進，一桿一檔信息不斷填報完善，實現(xiàn)相關信息的實時檢索、統(tǒng)計、查詢、追溯，項目技術人員通過平臺進行信息共享，避免了人員頻繁查找紙質(zhì)文檔導致的信息不全、不準和效率低下的問題。工程竣工時形成一套可視化數(shù)字檔案，移交后期運維單位，為鐵路基礎設施全生命周期的運營管理提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 基于BIM的進度管理

基于BIM的進度管理是以高速鐵路施工驗收規(guī)范為基礎，將構件按分項工程劃分，在項目管理平臺后臺匹配相應的施工工序，現(xiàn)場專業(yè)工程師登陸管理平臺客戶端選擇具體對象填報完成時間、安裝人員、驗收結(jié)論等信息，系統(tǒng)提供按專業(yè)、單位工程、分部分項、日期、里程等不同維度的組合統(tǒng)計，數(shù)據(jù)及時共享給相關管理人員，實時掌控現(xiàn)場施工進度，為核算物資消耗與產(chǎn)值統(tǒng)計提供基礎數(shù)據(jù)(圖8)。同時標識施工作業(yè)實際完成情況，實現(xiàn)BIM模型展示與現(xiàn)場施工進度的聯(lián)動(圖9)。

圖8 生產(chǎn)調(diào)度柱狀統(tǒng)計

圖9 實際安裝進度BIM模型

4.3 基于BIM的物資管理

基于BIM的物資管理包括物資計劃表單建立及數(shù)據(jù)獲取，表單審核，采購信息填寫、出庫入庫管理、限額領料管理。

(1)物資計劃表單生成，通過BIM模型直接按需求維度(工點、專業(yè)、單位工程、起止里程)統(tǒng)計生成表單，推送給審核人員，物資部門收到采購需求時，先在系統(tǒng)內(nèi)查詢庫存量，確認需要采購時直接向廠家發(fā)送采購單，避免重復采購或采購遺漏(圖10)。

圖10 物資計劃表單

(2)限額領料，施工隊伍領料前提交計劃施工任務，系統(tǒng)自動匯總需要物資清單，分配合理的損耗比例，形成最后領料限額，減少材料浪費。

5 BIM應用創(chuàng)新成果總結(jié)

通過分析BIM研究應用情況，結(jié)合鐵路四電工程特點，開展了基于BIM技術在鐵路四電工程的應用實踐，取得了以下成果。

(1)根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的鐵路BIM編碼分類標準、數(shù)據(jù)存儲標準等相關技術標準和實施標準，制定了《高速鐵路接觸網(wǎng)專業(yè)BIM模型創(chuàng)建標準》、《高速鐵路變配電BIM模型創(chuàng)建標準》、《高速鐵路通信、信號BIM模型創(chuàng)建標準》等鐵路四電BIM應用標準規(guī)范，為四電工程BIM技術應用奠定了基礎。

(2)根據(jù)鐵路四電工程場景應用，建立了接觸網(wǎng)參數(shù)化BIM模型，基于鐵路四電BIM模型，開展了腕臂預配計算、錯漏碰缺檢查優(yōu)化、線纜可視化排布模擬等應用，優(yōu)化設計指導施工，提高了工程實施效率。

(3)綜合應用BIM技術開展質(zhì)量管理、進度管理、物料管理、施工模擬等建設管理應用，形成基于BIM的鐵路四電工程數(shù)字化可視化建設管理模式。

(4)搭建了基于BIM的鐵路四電工程管理平臺，集成四電BIM三維建模和綜合項目管理功能，實現(xiàn)了設計施工不同生命周期間模型與信息的共享復用。

(5)基于BIM開展施工管理，實現(xiàn)了施工階段數(shù)據(jù)的保存，形成鐵路四電專業(yè)大數(shù)據(jù)庫，為鐵路四電基礎設施的運維提供數(shù)據(jù)支撐。

6 BIM應用發(fā)展展望

BIM技術研究與應用還存在著提升的空間，一是進一步加快建立BIM應用的標準體系，打通BIM應用的數(shù)據(jù)斷層與專業(yè)間斷層、不同階段斷層。二是加大軟件研發(fā)投入，尤其是制約瓶頸的三維圖形軟件到落地應用間的研發(fā)。三是建立鐵路四電BIM應用生態(tài)圈，將BIM應用由單一的某個單位擴展到所有的參與單位，做到一套模型、一個架構、一個平臺服務不同的用戶單位，共同服務項目建設。