建筑信息化模型技術(shù)對(duì)鐵路建設(shè)影響的研究綜述

王惠

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400041）

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息化模型。建筑信息化模型（BIM）以三維數(shù)字技術(shù)模型為基礎(chǔ)，將工程信息的各種數(shù)據(jù)集合成工程數(shù)據(jù)模型[1-2]，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BIM 的解釋為工程建設(shè)項(xiàng)目整個(gè)生命周期的一切信息的數(shù)字化表達(dá)，將一維的生命周期工程數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計(jì)參數(shù)模型，為所有參與方提供高效、可靠的決策根據(jù)，促使各參與方高效、協(xié)同、一體化地實(shí)現(xiàn)建設(shè)作業(yè)[3-4]。作為工程建造管理規(guī)劃的一種信息化手段，BIM 技術(shù)通過(guò)對(duì)模型和參數(shù)的整合，將數(shù)據(jù)、3D 模型、規(guī)劃結(jié)合在一起，目的是保證工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，在保證工程質(zhì)量、降低成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。國(guó)外的BIM 技術(shù)主要集中應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域，在隧道工程方面較少涉及[5]。

交通在人們的日常生活中是一個(gè)極為重要的組成部分，黨的十九大報(bào)告中也明確提出“交通強(qiáng)國(guó)”的概念，隨著《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》政策的實(shí)施，中國(guó)鐵路的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入高潮，并在全國(guó)范圍內(nèi)展開[6]。目前，隨著在民用建筑領(lǐng)域內(nèi)BIM 技術(shù)應(yīng)用的相對(duì)成熟，BIM 技術(shù)逐漸被引入其他更廣泛的工程項(xiàng)目領(lǐng)域[7]。高鐵建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有工程規(guī)模大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、質(zhì)量要求嚴(yán)等特點(diǎn)[8]，高鐵建設(shè)項(xiàng)目管理信息化以BIM 技術(shù)為支撐，從以業(yè)主為主導(dǎo)的多方協(xié)同管理的角度出發(fā)，可改變建設(shè)項(xiàng)目各參與方的交互方式，實(shí)現(xiàn)提高工程建設(shè)效率、降低工程建設(shè)成本、保障工程建設(shè)安全、提升建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量的多目標(biāo)管理[9]。

在中國(guó)，陳前等[10]利用分析和模擬工具評(píng)估設(shè)計(jì)有效提高了工程的性能和整體質(zhì)量。楊書生[11]以信息化協(xié)同管理系統(tǒng)在濟(jì)青高鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用，提出了BIM 技術(shù)有效地減輕了業(yè)主方項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)的工作強(qiáng)度，減少了相應(yīng)崗位的人員設(shè)置，減少了管理成本開支，打造了鐵路建設(shè)信息化管理的結(jié)論，肯定了BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)規(guī)劃中的積極作用。宋戰(zhàn)平等[12]以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了全壽命期內(nèi)隧道協(xié)同管理平臺(tái)的初步組成體系。趙媛媛[13]應(yīng)用廣聯(lián)達(dá)BIM5D 管理平臺(tái)，對(duì)沙坪壩綜合交通樞紐改造工程施工進(jìn)行了應(yīng)用。本文以各種文獻(xiàn)和資料為依據(jù)，對(duì)BIM 技術(shù)在中國(guó)的鐵路軌道規(guī)劃中產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

1 BIM 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 可視化設(shè)計(jì)的展現(xiàn)

BIM 技術(shù)帶來(lái)的首要優(yōu)勢(shì)在于其可視化的3D 技術(shù)，對(duì)于鐵路軌道建設(shè)規(guī)劃來(lái)說(shuō)，例如橋梁鋼筋的分布和綁扎，均可用3D 模型進(jìn)行直觀的展示。

BIM 模型本身是由BIM 軟件采用參數(shù)化建模方式創(chuàng)建的，各構(gòu)件之間的相互關(guān)系可通過(guò)三維模型進(jìn)行直觀展現(xiàn)。同時(shí)，BIM 模型中的參數(shù)化屬性信息，也將為BIM 技術(shù)在全生命周期中的應(yīng)用提供精確的數(shù)據(jù)支撐[7]。

1.2 設(shè)計(jì)、修改、調(diào)整同步進(jìn)行

應(yīng)用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)之后，若圖紙出現(xiàn)任何錯(cuò)誤和需要調(diào)整的部分，在進(jìn)行修改的同時(shí)，與之相關(guān)的三維模型會(huì)自動(dòng)按照參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，更新成能夠參數(shù)化的規(guī)則，借助輔助的交互系統(tǒng)也可以檢查視圖中的碰撞，改動(dòng)后的結(jié)果可以在模型和所有的視圖中準(zhǔn)確地反映出來(lái)。BIM 模型不同于以往三維模型以點(diǎn)線面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格組織，BIM 模型中各構(gòu)件均采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格組織。

1.3 對(duì)建設(shè)規(guī)劃工期進(jìn)行預(yù)測(cè)

施工進(jìn)度計(jì)劃是預(yù)算工期和人力物力的一個(gè)重要手段，以前的進(jìn)度計(jì)劃必須人為進(jìn)行調(diào)整，且每一次的調(diào)整都會(huì)導(dǎo)致需要對(duì)緊隨其后的計(jì)劃進(jìn)行重新的估計(jì)和預(yù)測(cè)。而BIM 技術(shù)利用模型的統(tǒng)一管理，促進(jìn)各專業(yè)間的協(xié)同工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決各專業(yè)之間的沖突，減少后續(xù)的不必要的返工。同時(shí)，利用BIM 技術(shù)各專業(yè)可以同步開展工作，而不必在等待其他專業(yè)完工后再開始工作，大大縮短了整體工程周期[2]，并對(duì)相應(yīng)的人力、物力、財(cái)力以及人員進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

1.4 對(duì)建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可視化布置

BIM 技術(shù)以其可視化的特征，使施工現(xiàn)場(chǎng)以及施工部臨時(shí)設(shè)施可以3D 形式呈現(xiàn)，對(duì)管理者合理的使用臨時(shí)用地有著積極的作用，管理者可通過(guò)施工場(chǎng)布設(shè)計(jì)軟件，對(duì)員工的宿舍、食堂、辦公用地以及材料堆放用地進(jìn)行合理的規(guī)劃，在減少用地的基礎(chǔ)上，縮短員工的出行時(shí)間，以確保人員和財(cái)產(chǎn)安全。

1.5 成本估計(jì)

BIM 技術(shù)采用參數(shù)化形式，對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行成本定義，在建成BIM 模型后，各個(gè)部件的成本和建設(shè)成本都會(huì)有所顯示，可以對(duì)工程進(jìn)行更精準(zhǔn)的成本估計(jì)。

2 BIM 技術(shù)對(duì)鐵路建設(shè)規(guī)劃的影響

自2003 年中國(guó)引入BIM 技術(shù)以來(lái)，BIM 技術(shù)在鐵路建設(shè)規(guī)劃中逐步應(yīng)用于3 個(gè)方面：施工圖初始設(shè)計(jì)；施工設(shè)計(jì)安全性等方面的檢驗(yàn)，例如碰撞試驗(yàn)；施工工期、成本的設(shè)計(jì)。鐵路工程BIM 應(yīng)用主要體現(xiàn)在路基、橋梁、隧道、站房與四電集成等專業(yè)設(shè)計(jì)中。在橋梁方面，進(jìn)行橋梁BIM 應(yīng)用，主要包括參數(shù)化建模、三維協(xié)同設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)庫(kù)管理、碰撞檢查、二維工程圖、施工仿真和運(yùn)維管理等工作；在隧道方面，建造基于施工細(xì)度全隧道模型，包括洞門模型、明暗洞模型、輔助坑道模型、附屬洞室模型與防排水模型；在站房方面，開展以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)的站房三維建模與施工圖交付標(biāo)準(zhǔn)；在四電、路基等方面，也開展了諸多有益探索研究和BIM 技術(shù)可視化模型設(shè)計(jì)[14-20]。BIM 技術(shù)對(duì)鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)的影響有以下幾個(gè)方面。

2.1 獲得更加清晰的鐵路工程地形、地質(zhì)模型視圖

在引進(jìn)BIM 技術(shù)之前，中國(guó)鐵路軌道設(shè)計(jì)主要是手工繪制或者用簡(jiǎn)單的CAD 繪圖軟件進(jìn)行繪制。近年來(lái)的多個(gè)工程均將鐵路工程地形、地質(zhì)做成模型視圖，例如2015 年開始施工的濟(jì)青高鐵項(xiàng)目中，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)系統(tǒng)的BIM 三維模型功能模塊，更直觀地顯示了工程形態(tài)[11]；為改善鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪工程傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中存在的弊端，實(shí)現(xiàn)鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪工程的BIM 正向設(shè)計(jì)，以三維設(shè)計(jì)為核心，利用BIM 軟件，對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)并建立了鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪的高精度BIM 模型等[17]。

2.2 采用“BIM+GIS”技術(shù)進(jìn)行線路規(guī)劃和車站選址

在引進(jìn)BIM 技術(shù)之前，工程路徑規(guī)劃和站臺(tái)的選址大多數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和GIS 技術(shù)考察所得到。在引進(jìn)BIM 技術(shù)之后，國(guó)內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目免除了多次現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的步驟，采用BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的方式，對(duì)鐵路路線和站臺(tái)的選擇進(jìn)行規(guī)劃。在濟(jì)青高鐵項(xiàng)目中，應(yīng)用“BIM+GIS”技術(shù)，對(duì)區(qū)域真實(shí)的地形、地勢(shì)等進(jìn)行了三維實(shí)景模擬，并在此模型的基礎(chǔ)上規(guī)劃了多條路線，同時(shí)結(jié)合高鐵的建設(shè)要求，選出了最優(yōu)的路線[11]。在京張高鐵中，項(xiàng)目組應(yīng)用“BIM+GIS”技術(shù)，從勘察設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)字、智能化管理[18]。

2.3 應(yīng)用BIM 技術(shù)發(fā)現(xiàn)高鐵規(guī)劃中存在的問題

在早期鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，很多工程中的問題需要人工操作進(jìn)行試驗(yàn)，甚至一些問題只有在施工現(xiàn)場(chǎng)才能發(fā)現(xiàn)，這不僅影響了工程施工的進(jìn)度，也影響了工程的安全質(zhì)量，同時(shí)設(shè)計(jì)返工所帶來(lái)的成本增加等風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增加。在最近幾年，工程中的很多問題都可以用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)、橋梁的抗剪抗壓能力等。在上海沿江通道越江鐵路隧道的修筑過(guò)程中，通過(guò)BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)雨水管道與橋墩進(jìn)行碰撞檢查[19]；劉鈞祥[20]運(yùn)用BIM 碰撞分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)某鐵路隧道工程中局部徑向錨桿與超前支護(hù)位置重合；在濟(jì)青高鐵項(xiàng)目中，應(yīng)用系統(tǒng)的BIM 維模型功能模塊，共發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題1 600 余項(xiàng)，招標(biāo)階段通過(guò)系統(tǒng)的算量功能模塊和計(jì)價(jià)功能模塊發(fā)現(xiàn)清單問題100 余項(xiàng)，累計(jì)節(jié)約成本約1 000 萬(wàn)元[11]。

2.4 優(yōu)化施工組織管理，節(jié)約工程工期和造價(jià)

應(yīng)用BIM 技術(shù)可以預(yù)先計(jì)劃工程工期和造價(jià)，陳川[14]提出BIM 技術(shù)應(yīng)用施工圖設(shè)計(jì)模型輸出各清單子目工程量與項(xiàng)目特征信息，依據(jù)工程量清單中的分部分項(xiàng)優(yōu)化模型數(shù)據(jù)，輔助編制、核查工程量清單，提高各階段工程造價(jià)的效率和準(zhǔn)確性；在濟(jì)青高鐵中，應(yīng)用BIM4D 技術(shù)進(jìn)行模擬，提出了“地面拼裝、分段吊裝、液壓同步提升”的施工方案，縮短了1 個(gè)月的工期[11]。

3 研究總結(jié)與展望

隨著BIM 技術(shù)的不斷強(qiáng)化，BIM 技術(shù)對(duì)鐵路建設(shè)規(guī)劃的影響是顯而易見的，BIM 技術(shù)穿插于鐵路規(guī)劃建設(shè)的整個(gè)生命周期中。國(guó)外對(duì)于BIM 技術(shù)的研究起步較早，理論性研究較為成熟，在實(shí)際應(yīng)用上也較為廣泛。不過(guò)，通過(guò)這幾年的不斷努力，中國(guó)在BIM 技術(shù)的研究以及實(shí)際應(yīng)用方面取得了可喜的成績(jī)。

但是目前，國(guó)內(nèi)BIM 技術(shù)在隧道工程方面的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，仍然存在很多問題：①中國(guó)未有較為全面的BIM 技術(shù)使用規(guī)范，這造成在鐵路設(shè)計(jì)規(guī)劃中，各設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了分歧。②BIM 在中國(guó)被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，在鐵路建設(shè)方面使用較少。鐵路型BIM 技術(shù)人員太少，是造成這一現(xiàn)象的原因之一。③國(guó)家投入力度不夠，國(guó)家在促進(jìn)科技強(qiáng)國(guó)的同時(shí)，在對(duì)BIM 技術(shù)的引導(dǎo)上，仍然有所欠缺。

總而言之，首先，國(guó)家在引進(jìn)BIM 技術(shù)后，相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范也需要逐步提上日程，使BIM 技術(shù)更適用于當(dāng)下的鐵路規(guī)劃中；其次，應(yīng)加大BIM 應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，引進(jìn)國(guó)外BIM 技術(shù)應(yīng)用型人才，特別是鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)型人才，各高校可以將BIM 技術(shù)引入學(xué)生的學(xué)習(xí)中，挖掘BIM 與其他技術(shù)相銜接的應(yīng)用型人才；再次，各施工單位在對(duì)鐵路施工規(guī)劃時(shí)，可以加大對(duì)BIM 技術(shù)的投入，促進(jìn)中國(guó)BIM 技術(shù)的大力發(fā)展；最后，雖然中國(guó)鐵路行業(yè)已經(jīng)組織形成了BIM 相關(guān)聯(lián)盟，但是利用市場(chǎng)去激發(fā)BIM 技術(shù)的使用是很局限的，所以國(guó)家層面需要加大對(duì)BIM 相關(guān)技術(shù)的引導(dǎo)。