朱 一

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

近年來(lái)，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，貫穿于項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全生命周期，在為參建各方提供協(xié)同工作平臺(tái)、提高生產(chǎn)效率和建筑質(zhì)量、節(jié)約成本并縮短工期方面有明顯效果[1]。利用BIM技術(shù)在鐵路工程施工階段前期對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行虛擬建造，有利于驗(yàn)證施工方案的可行性并加快決策速度，從而切實(shí)提高工程建設(shè)效率。

目前，已有眾多學(xué)者在BIM虛擬建造方向做了相關(guān)研究。王勝軍[2]提出了一套基于BIM 4D虛擬建造技術(shù)的施工進(jìn)度管理方案，實(shí)現(xiàn)了施工信息的高效整合，為施工進(jìn)度管理與進(jìn)度優(yōu)化提供依據(jù)；王孟鈞等人[3]基于BIM和地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System），從模式、方法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)BIM和GIS技術(shù)集成的有效途徑進(jìn)行分析，從設(shè)計(jì)界面、虛擬建造和協(xié)同平臺(tái)3個(gè)維度探索我國(guó)智慧城市與城市軌道交通發(fā)展路徑；曾昊等人[4]提出基于BIM的鐵路隧道附屬洞室設(shè)計(jì)方法，配合BIM軟件的二次開(kāi)發(fā)，有效地打通隧道設(shè)計(jì)上下游數(shù)據(jù)，顯著提升隧道設(shè)計(jì)智能化水平；彭濤[5]研發(fā)并設(shè)計(jì)了基于.NET6技術(shù)的鐵路BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)（IFC，Industry Foundation Class）文件解析轉(zhuǎn)換、數(shù)模分離及屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BIM解析、部署、應(yīng)用一體化及動(dòng)態(tài)場(chǎng)景演示等功能。以上研究均為BIM在鐵路行業(yè)的信息化建設(shè)作出了有益探索。

本文基于以上研究，針對(duì)鐵路施工專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，提出基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造關(guān)鍵技術(shù)研究，通過(guò)文檔流程引擎、電子沙盤(pán)動(dòng)態(tài)更新及基于BIM的仿真模擬等技術(shù)，為BIM在鐵路工程的全面應(yīng)用提供支撐。

1 鐵路工程單元?jiǎng)澐?/h2>

鐵路單位工程是按一個(gè)完整工程或一個(gè)相當(dāng)規(guī)模的施工范圍來(lái)劃分的，為形成鐵路工程施工標(biāo)準(zhǔn)化流程，根據(jù)施工工藝、建設(shè)要求及管理要求等因素，把鐵路工程按功能、專(zhuān)業(yè)、工項(xiàng)、構(gòu)件等進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，示例如圖1所示。

圖1 鐵路工程單元?jiǎng)澐质纠?/p>

根據(jù)BIM構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的思路，對(duì)鐵路站前各專(zhuān)業(yè)及站后四電專(zhuān)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件進(jìn)行面分類(lèi)法分類(lèi)。其中，將站前專(zhuān)業(yè)構(gòu)件分類(lèi)分為兩級(jí)，第一級(jí)按照專(zhuān)業(yè)類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)，如鐵路工程共享專(zhuān)業(yè)及路基專(zhuān)業(yè)等，每個(gè)專(zhuān)業(yè)內(nèi)再依據(jù)中國(guó)鐵路IFC 標(biāo)準(zhǔn)從構(gòu)件功能角度進(jìn)行分類(lèi)；將站后四電專(zhuān)業(yè)構(gòu)件分類(lèi)分為兩級(jí)，第一級(jí)按照四電專(zhuān)業(yè)內(nèi)的各個(gè)子專(zhuān)業(yè)進(jìn)行分類(lèi)，如公共類(lèi)型專(zhuān)業(yè)及通信專(zhuān)業(yè)等，每個(gè)子專(zhuān)業(yè)內(nèi)再依據(jù)中國(guó)鐵路 IFC 標(biāo)準(zhǔn)從功能角度進(jìn)行分類(lèi)。施工單元對(duì)應(yīng)于BIM模型構(gòu)件，依據(jù)分類(lèi)后的數(shù)據(jù)構(gòu)建BIM構(gòu)件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)BIM構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化管理，為設(shè)計(jì)成果的規(guī)范化交付提供數(shù)字化條件。

2 基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術(shù)路線

虛擬建造是應(yīng)用于施工過(guò)程模擬與分析的數(shù)字化、可視化方法，本文在對(duì)鐵路工程單元進(jìn)行劃分的基礎(chǔ)上，提出基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 工程單元虛擬建造技術(shù)路線

（1）基于BIM技術(shù)，以零部件為基礎(chǔ)，對(duì)重點(diǎn)施工單元進(jìn)行精細(xì)化建模；

（2）從空間結(jié)構(gòu)及功能需求方面對(duì)施工單元的模型進(jìn)行優(yōu)化；

（3）根據(jù)既有工藝工法及施工進(jìn)度計(jì)劃，跟蹤推演重點(diǎn)單元的施工過(guò)程；

（4）BIM 模型與進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入 CarsView 圖形引擎，開(kāi)展虛擬建造；

（5）改進(jìn)、優(yōu)化流程并評(píng)估其可行性，進(jìn)行虛擬建造成果展示[6]。

與傳統(tǒng)施工單元優(yōu)化相比，基于BIM的虛擬建造單元優(yōu)化通過(guò)將BIM與施工進(jìn)度信息融合，開(kāi)展單元施工模擬，檢查進(jìn)度計(jì)劃的時(shí)間參數(shù)是否合理、工作間的邏輯關(guān)系是否準(zhǔn)確等，可對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行全面檢查和優(yōu)化。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 文檔流程引擎

文檔流程引擎技術(shù)[7]用于實(shí)現(xiàn)文檔的創(chuàng)建、流轉(zhuǎn)和歸檔，支持文檔辦理的在線留痕，同時(shí)，依托成熟的存儲(chǔ)系統(tǒng)和文檔元數(shù)據(jù)管理，完成文檔的可靠存儲(chǔ)和基于元數(shù)據(jù)的高效檢索。鐵路工程涉及的文檔具有類(lèi)型多、數(shù)據(jù)量大、業(yè)務(wù)復(fù)雜、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、接入應(yīng)用多、管理變化快等特點(diǎn)，因此本文從文檔最基礎(chǔ)的特性入手進(jìn)行文檔總線的分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)鐵路行業(yè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，充分考慮靈活性與擴(kuò)展性，研究適用于鐵路行業(yè)的資料管理技術(shù)。流程引擎包含以下核心組件。

（1） 流程設(shè)計(jì)器：用于創(chuàng)建和編輯業(yè)務(wù)流程圖，可以通過(guò)可視化的方式定義流程步驟、條件和分支。

（2） 流程執(zhí)行引擎：用于執(zhí)行業(yè)務(wù)流程，自動(dòng)執(zhí)行流程步驟、檢查條件和分支，并根據(jù)流程定義進(jìn)行處理。

（3）流程監(jiān)控工具：用于監(jiān)控流程的實(shí)時(shí)狀態(tài)和進(jìn)度，提供跟蹤和診斷工具，以便快速發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

文檔流程引擎技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 文檔流程引擎技術(shù)架構(gòu)

從底層的數(shù)據(jù)庫(kù)及文檔文件的商用存儲(chǔ)系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)工作流引擎、文檔存儲(chǔ)服務(wù)、電子簽章服務(wù)、Office插件等屏蔽底層細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)包括文檔創(chuàng)建、流轉(zhuǎn)和歸檔的業(yè)務(wù)功能。

基于文檔流程引擎技術(shù)，可將鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目各方單位（包括建設(shè)單位、參建單位等）基于文檔的線下管理流程轉(zhuǎn)至線上Web端進(jìn)行，大大節(jié)約了文檔傳送和審批的時(shí)間，簡(jiǎn)化了操作流程，提高了工作效率。

3.2 電子沙盤(pán)動(dòng)態(tài)更新

電子沙盤(pán)將傳統(tǒng)的二三維展示進(jìn)行了極大的改良，無(wú)論在展示方式、展示手段及展示效果上都有眾多創(chuàng)新，為使用者提供一種全新的交互體驗(yàn)[8]。電子沙盤(pán)通過(guò)真實(shí)的三維地理信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查找每一個(gè)點(diǎn)的地理信息，如三維坐標(biāo)、高度、坡度及遠(yuǎn)景規(guī)劃等信息。

基于虛擬建造的電子沙盤(pán)融入了輕量化BIM模型和傾斜攝影模型，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景建造。通過(guò)數(shù)據(jù)接口接收設(shè)計(jì)及施組信息，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電子沙盤(pán)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，展示最新的施組計(jì)劃、施工進(jìn)度及設(shè)計(jì)工程量等信息。電子沙盤(pán)支持對(duì)工程實(shí)際環(huán)境和構(gòu)筑物快速查看，進(jìn)行一系列如施工進(jìn)度、工藝工法、屬性、檢驗(yàn)批、工程影像、工程量、飛行預(yù)覽、標(biāo)繪、測(cè)量、分析模擬（陽(yáng)光、雨、雪）、視頻監(jiān)控等瀏覽和操作。

3.3 基于BIM的仿真模擬

對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，結(jié)合GIS技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的地理空間位置賦值于 BIM數(shù)據(jù)，通過(guò)SuperMap iServer存儲(chǔ)和發(fā)布，構(gòu)建鐵路施工的三維仿真場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的數(shù)字孿生。在此過(guò)程中，主要涉及以下幾個(gè)步驟。

3.3.1 三維建模

利用傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)搭載傾斜攝影設(shè)備的無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍獲取施工現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)；對(duì)獲取到的航空傾斜影像進(jìn)行高精度三維尺度空三處理，提取有效視角像對(duì)進(jìn)行點(diǎn)云匹配，并以此構(gòu)建三角網(wǎng)，在經(jīng)過(guò)一系列對(duì)三角網(wǎng)的過(guò)濾和優(yōu)化后，從傾斜影像中選取最佳視角圖片用于三維模型的紋理生成；將模型中的重要構(gòu)筑物進(jìn)行單體化處理，并與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行融合，生成一個(gè)集成了 BIM 數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景，促進(jìn)模型迭代更新和數(shù)據(jù)完整傳遞。

3.3.2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)

通過(guò)Bentley三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享和協(xié)同工作。具體步驟包括：三維模型的建模與組裝，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的規(guī)范化及統(tǒng)一性；將模型導(dǎo)入OpenRoads Designer進(jìn)行碰撞檢查并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，防止模型間的錯(cuò)、漏與碰撞；形成數(shù)字化模型，并能對(duì)模型信息進(jìn)行精確分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，以此獲得高效精確的設(shè)計(jì)成果。

3.3.3 成果集成展示

將BIM模型用于3D可視化，需要對(duì)其進(jìn)行輕量化處理及外觀優(yōu)化處理。對(duì)處理后的模型按照IFC標(biāo)準(zhǔn)組織數(shù)據(jù)， 或者轉(zhuǎn)換成OBJ、DirectX、OSG等成熟的三維引擎支持的格式。模型展示模塊采用 ActiveX 控件，可展示輕量化模型信息、模型視圖、對(duì)象效果、場(chǎng)景剖切、測(cè)量和標(biāo)注。同時(shí)，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口自動(dòng)錄入模型構(gòu)件屬性，并可手工對(duì)構(gòu)件屬性進(jìn)行增、刪、改等編輯操作。

4 研究成果應(yīng)用

本文研究的基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于某鐵路線路實(shí)際施工中，應(yīng)用效果如圖4所示。

圖4 研究應(yīng)用成果展示

（1）綜合展示電子沙盤(pán)，融入輕量化 BIM 模型和傾斜攝影模型，結(jié)合 GIS 數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景建造，可在其中對(duì)工程實(shí)際環(huán)境和構(gòu)筑物進(jìn)行快速查看、修改等操作。

（2）施工進(jìn)度管理和施工臺(tái)賬，可按照需求編制施工計(jì)劃，掛接對(duì)應(yīng) BIM 模型，自動(dòng)生成甘特圖，體現(xiàn)關(guān)鍵線路，根據(jù)結(jié)構(gòu)分層級(jí)，實(shí)現(xiàn)更加自主和精細(xì)化的管理；可保留修改計(jì)劃的歷史記錄，做到可追溯；可對(duì)每一項(xiàng)計(jì)劃提出派發(fā)和完成要求，實(shí)時(shí)完成，實(shí)時(shí)閉環(huán)。

（3）三維技術(shù)交底和虛擬樣板的結(jié)合，使得施工人員無(wú)論是在 PC 端還是在移動(dòng)端都能更加形象、方便、容易地去理解，加速施工的質(zhì)量、安全和效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究基于BIM的鐵路工程單元虛擬建造技術(shù)，詳細(xì)闡述文檔流程引擎、電子沙盤(pán)動(dòng)態(tài)更新、基于BIM的仿真模擬等關(guān)鍵技術(shù)，將其應(yīng)用于鐵路工程實(shí)際施工，驗(yàn)證了該技術(shù)路線在鐵路行業(yè)的適用性。未來(lái)將采集更加多源的數(shù)據(jù)并整合管理，從而進(jìn)一步增強(qiáng) BIM 技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用廣度和深度。