BIM技术在铁路设计中的推广应用分析论文
B IM技术自20世纪90年代提出至今，已经从概念普及进入应用普及阶段，从小范围、企业内试验到局部范围、多方协同试验，并逐步向全产业链协同、全生命周期实施迈进。国内BIM技术在工业与民用建筑上应用最多，也最为广泛。在交通领域，无论公路还是铁路均属于概念普及或初步应用阶段。中铁第一勘察设计院集团有限公司(简称铁一院)自2011年开始基于模拟仿真、真实感三维设计平台的研究，2013年初开始逐渐加大BIM技术的研发应用工作，在多专业、多项目进行了研究探索。
1 BIM团队的组建及周例会制度
B IM应用不仅是设计工具的变革，也是一种设计理念、生产方式的变革，是一个长期而艰巨的变革过程。虽然BIM技术的应用是工程建设发展的必然趋势，但具有初期投入大，产出较小的特点，BIM技术研发需要企业领导的高度重视、鼎力支持，必须建立一套自上而下的推进机制。2013年初，铁一院成立以主管院长为组长的BIM工作设计协调指导小组，各处成立以处长为主管领导的工作小组，挑选对计算机软件有浓厚兴趣、工作能力强、有朝气的高学历年轻人组成各处BIM研发团队，购进针对BIM工作的高配置电脑及服务器。BIM团队制定出BIM整体工作计划，建立周例会工作制度。按每周例会的形式定期对上周工作进行总结、交流，对下达的任务情况进行追踪检查，对疑难问题讨论确定解决方案，布置下一周的工作任务及研究内容，将工作分解到个人，分工合作、加强技术交流，对BIM技术的研究应用起到了极大的推动作用。2013年5月份至今，BIM团队共进行了20余次BIM技术的培训、学习和交流。
2 BIM建模平台的选择
无论在工民建或水电行业， 占据B I M 软件平台市场大多数份额的主要有3 家公司， 分别是欧特克(A u t o d e s k)、奔特力(B e n t l e y)、达索系统(Dassault Systems)，它们均有各自的BIM系统平台及数据交换接口，并提出各自的解决方案。目前欧特克在建筑上应用最多，奔特力在水电行业应用最成熟，达索系统在建立3D模型方面有独特之处。那么在铁路工程上如何选择合适的BIM软件平台呢?
首先，需要明确BIM应用业务目标。三维设计远远比二维设计复杂，目前没有任何一家公司软件能够解决所有BIM问题，也找不到任何一款软件，其功能、性能、多专业支持、数据交换、扩展开发、价格、厂商实力等各方面都比其他软件有优势的。只有根据主要业务目标和项目的实际情况，选择适合的软件来完成相应的BIM应用内容。
其次，应对主流的BIM软件平台进行深入调研，了解其软件平台的功能及其公司发展战略，是否满足BIM应用的主要业务目标或在可接受的时间内解决所遇到的问题。不仅需要与BIM软件公司进行沟通交流，听取其给出的铁路工程BIM解决方案，更需深入探索使用或深入实际使用企业调研。
第三，综合分析比较后，找到更适合铁路工程的BIM软件平台。有了明确的BIM应用业务目标，又对各家软件平台进行了深入调研，还需要考虑以下因素进行量化的综合分析比选。
(1)各家软件平台针对不同业务、不同专业，各有所长，要找出BIM应用的关键业务、关键专业。
(2)服务承诺。所关注问题能否在能够接受或符合制定目标计划的前提下予以解决。目前没有专门的铁路工程BIM软件平台，服务承诺对解决遇到的实际问题非常重要。
(3)关注后期施工、业主的需求。不仅考虑设计阶段的需求，也对施工组织、多方协同、运营维护等方案提供予以重点关注，提供全生命周期的解决方案更具战略意义。
(4)二次开发的开放性。任何一个软件平台不可能解决所有专业所有问题，而且随着新项目的不同总会遇到新的问题。因此需要软件平台提供完善的二次开发接口，可自行开发或与第三方合作开发软件插件，为解决新问题提供渠道。
(5)购买及使用成本。不同软件公司的发展战略不同，其软件的购买及使用成本也不同，甚至差距很大。有的只提供基础的软件平台，专业化的需要二次开发，有的可提供专业化的、完善的“落地”服务。提供服务不同，其购买成本会相差较大。不同软件的本地化也不同，有些甚至没有汉化版，对使用者的素质要求也不同，其使用成本也是必须考虑的因素之一。
综上所述，首先应有明确的BIM应用业务目标，其次对主流的BIM软件平台进行深入调研，在此基础上综合考虑软件平台主要性能特点、服务承诺、后期需求、二次开发、应用成本等内容，予以量化的分析比选，找到最适合铁路设计院的BIM软件平台。
3 高效率高质量建模是基础
BIM为建筑信息模型的简称，是以三维模型为基础，集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型。从BIM概念可知，BIM模型是3D模型与工程信息的有机结合，三维模型是基础，是工程信息的载体，而工程信息则是BIM模型的灵魂。高效率高质量建模是设计院研究BIM技术需首要解决的关键问题。
以试点项目为依托，逐渐完善专业构件库。为提高构件利用效率，所有构件均采用参数化设计。模型除几何模型外，应包含正确、必要的信息，包括几何尺寸、空间位置、分类信息、编码信息、关键属性、关键参数等，对于模型、构件、属性建立统一的分类命名规则。
B IM模型根据不同的用途，又分为专业设计模型、BIM综合协调模型、BIM浏览模型。不同的模型需要不同的建模精度，即不同模型精细度和信息粒度。对所有构件模型编制管理软件进行统一管理，包括设计、审核、入库、调用等过程控制。
4 多项目多应用点研究探索
4.1 清凉山隧道十岔沟中桥
首先依托西成客运专线清凉山隧道十岔沟中桥项目进行BIM技术研究，基于欧特克平台建立相应的族库，组装成桥隧BIM模型，在此基础上研究了利用模型出图、计算详细工程数量、施工顺序模拟、4D施工工法模拟、NWC格式交付标准等，以及与航测、地质、通信、信号、接触网等专业的模型融合，桥隧专业基于工作集的协同设计研究。在导入真实的地形数据信息后模拟工程实际场景，进行了清凉山隧道十岔沟中桥整体漫游展示。同时编写完成《铁路工程BIM模型交付标准》(初稿)，把桥梁、隧道、地质及地形等模型给施工单位进行了交付，施工单位在交付模型基础上，进行施工信息添加，形成工程建造阶段的管理平台。
4.2 西成线阿房宫站BIM项目
参与了阿房宫站的BIM模型建立。采用Revit建立站内涵洞模型，包括正交和斜交涵洞洞身结构族、洞口八字翼墙结构族、翼墙基础和泄床基础结构族，并完成了涵洞参数库的建立;建立正交和斜交箱形桥模型，包括箱身和翼墙等结构族。
4.3 陕西铁路工程隧道实训基地
隧道专业以陕西铁路工程隧道实训基地为例进行了BIM技术的应用研究。隧道实训基地建筑长度90 m，控制宽度32 m，按时速200 km铁路单线隧道断面标准设计，采用明洞结构回填形式模拟山岭铁路隧道围岩，内部布设隧道施工工序。该项目虽然只有90 m，但涵盖的'内容却十分丰富，包括各种施工工法的开挖、支护、绑扎钢筋、架设钢架、安装模板、防水板安装、预埋件、拱墙仰拱混凝土浇筑、施工缝防水做法、监控量测、洞门施工、边坡防护等内容。利用该模型可以进行对见习生的培训工作。
4.4 厦门地铁项目
厦门地铁项目部进行了统一策划和部署，主要针对以下几个应用点开展工作：
(1)场地仿真。搭建周边环境、施工场地模型，必要时采用点云扫描工具，完成既有环境的3D建模。
(2)管线迁改模拟。根据迁改方案分雨水、污水、电力、通信、天然气管线按照临时迁改、永久迁改进行建模并检查管线之间有无相互碰撞。
(3)交通疏解模拟。创建交通疏解方案相关要素模型，通过多媒体手段组织交通疏解方案过程。
(4)协同设计。利用BIM技术应用管理平台，使不同工作地点、不同专业的设计人员通过网络基于同一个BIM模型进行轨道交通三维协同设计。提高不同设计专业间信息的传递效率和传递质量。
(5)管线综合硬(软)碰撞检查。检查设计中的错漏碰缺，处理解决管线碰撞问题，优化管线排布方案，减少施工阶段因设计疏忽造成的损失和返工工作。
(6)空间利用及开洞检查。分专业对已经完成的结构空间进行检查，核实结构开孔位置、设备基础预留、预埋件等是否满足管线、机电设备安装的需要，以避免施工中返工。
(7)基于BIM模型的生成图纸，如建筑效果图、平面图、立面图、剖面图、3D视图、大样图等，在设计变更后自动更新图纸。
(8)施工模拟，利用BIM模型对结构构建按照工筹计划时间进行定义，以4D的方式进行动画演示。
(9)大型设备运输路径检查。对大型设备安装及检修运输路径动态模拟，研究并优化安装及维护路径方案。
4.5 陕西省泾河特大桥项目
针对陕西省泾河特大桥工程项目， 建立了泾河特大桥(80+136+148+136+80)m矮塔斜拉桥主桥(含桥塔、斜拉索)、3×40 m预应力混凝土现浇连续弯梁、4×40 m先简支后连续箱梁以及桥台、桥墩、下部钻孔桩基础、桥面系、人行道、栏杆等全桥BIM模型族库，并完成了施工过程Navisworks模拟、真实场景三维渲染展示动画的制作。
4.6 其他工程项目应用
(1)兰新线跨兰西高速特大桥(80+168+80)m连续梁加桁。为探索在钢结构方面的建模思路、方法及不同建模软件间的兼容性，采用Inventor完成了兰新线跨兰西高速特大桥(80+168+80)m连续梁的桁梁BIM模型，采用Re v it建立了连续梁部分模型，并在Revit中拼装完成该桥的整体BIM模型。
(2)西成线桃园大桥。桥涵专业建立了高速铁路12 m宽桥梁结构和桥上附属结构BIM模型。拼装并提供一座(3-32+2-24)m大桥的全桥BIM模型，以供研究解决桥上接触网与声屏障干扰等问题。
(3)西安机场线渭河特大桥。利用已掌握的BIM技术，建立西安北至机场线重点工程渭河特大桥中跨越主河槽的(50+8×100+50)m连续梁、跨越兰池大道(60+111+94+100+60)m连续梁及桥墩的BIM模型，并对矩形花瓶式桥墩与圆端形桥墩进行了比选。
(4)茅以升公益桥。为了更好展示我院所推荐的公益桥方案，分别采用Revit、Inventor建立茅以升公益桥BIM模型，包括桥梁墩台、RPC梁、栏杆附属、节点板和螺栓等结构族文件，加入时间参数后在Navisworks中模拟施工过程及在Inventor中展示拼装过程，并在Lumion软件里进行背景渲染，制作了漫游动画。
(5)敦格线当金山特长隧道。敦格线当金山特长隧道为外方咨询项目，为更好与咨询方进行沟通交流，完成敦格线当金山特长隧道三维展示模型的创建和效果图制作，不仅达到了形象展示设计方案及设计意图的目的，也体现出了铁一院在BIM技术上重视及应用。
5 结束语
尽管历经几年的研究应用探索，对BIM技术有了一定程度的认识，但铁路行业具有线长点多、地质环境复杂、专业众多、施工工序繁杂等特点，同时也缺乏铁路行业BIM标准及适合的辅助设计软件平台，因此BIM技术在铁路工程中的应用和推广必将是长期和艰巨的任务。依据铁一院BIM整体发展规划，在以下方面继续实践和探索。
(1)加大BIM技术的推广应用。BIM技术不应仅仅局限于B IM研究小组，更应逐步推广至全院职工，特别是青年职工，促成一种前端技术持续研究、已有成果逐步推广、研究与应用有机结合相互促进的局面。
(2)基于BIM技术的协同设计平台的研发。现有BIM主流软件平台无论是欧特克、奔特力还是达索系统，均只是提供一个基础平台，如同二维设计时的AutoCAD软件，在其平台上的主要设计软件还需要大量的二次开发。建立基于BIM技术的辅助设计平台，开发充分利用现有二维辅助设计平台相关参数快速生成需要的BIM模型，实现多专业的协同设计，实现BIM模型中实体构件间的信息关联，实现从手动创建向程序自动建模转变，从二维模型向三维模型的数据化、信息化快速转变。
(3)自设计阶段逐渐向工程建造阶段延伸。研究建立面向铁路项目建造阶段的模型数据平台，可基于BIM工程数据库进行信息存储、管理和高效访问，并基于信息模型技术实现建设过程中的BIM数据积累、管理和共享，提供BIM数据存储、维护、管理以及三维几何模型和材料、进度等工程信息的浏览与查询，实现工程项目的模拟建造、风险管控、协同管理等功能，重点为结构物状态的智能感知及应对决策。
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