铁路工程BIM 协同设计与构件共享研究

刘北胜，尹逊霄，郭 歌，李 慧，顾 爽

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2. 北京交通大学 科学技术处，北京 100044）

铁路工程设计是一项庞大复杂的系统性工程，其项目多、专业多、人员多、需要设计单位内部、外部团队密切协同，协同工作难度大[1]。这对铁路工程设计工作的协同化以及设计数据的共享提出了更高的要求。目前，铁路各专业设计过程及最终的设计成果均采用了二维图纸，面对庞大复杂的系统工程会出现设计意图表达与理解不明确、数据传递不顺畅等问题。建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）设计具有数字化、可视化、多维化、协同性和模拟性等特点，可贯穿设计、施工、运营和维护整个铁路生命周期。让多专业协同设计，实现多阶段无缝衔接，信息共享，减少施工阶段因设计变更等造成的成本浪费，提升项目管理能力，使项目管理更加精细化、决策更加科学化[2-3]。

BIM 技术作为智能铁路建设的发展方向，已经得到了广泛的认可并取得了实质性的进展[4-5]。2013年起，由中国铁路BIM 联盟主导，在主要理事单位共同努力下，初步完成了《铁路工程实体结构分解指南》、《铁路工程信息分类与编码标准》、《铁路工程信息模型数据存储标准》等BIM 标准[6-7]，取得了国际BIM 组织及达索等国际知名BIM 软件厂商的支持。2015 年，联盟启动了京沈高速铁路等多条铁路BIM 应用示范工程[8]。中铁二院研发了基于数字地球的铁路三维空间选线系统及二、三维结合的测绘数据集成共享平台，结合石鼓山隧道开展了隧道BIM 三维设计应用研究，重点开展了隧道专业BIM建模及交付标准研究[9]。结合北盘江大桥开展了桥梁BIM 三维设计应用研究，实现了部分桥梁类型的三维设计。结合西成线开展了路基勘测、设计及施工全过程BIM 应用研究，重点开展了基于BIM 模型的铁路路基施工工艺研究。中国铁路设计集团有限公司成立了BIM 研发项目部，组织铁路勘察设计各专业人员开展了BIM 技术在铁路各专业的研究及应用，基 于 地 理 信 息 系 统（ GIS， Geographic Information System）、网络、虚拟现实和数据库等技术，进行了“数字三维协同设计系统研究与开发”。

BIM 设计在铁路行业进行了很多有益尝试，但是实践表明，现有软件功能、资源均不足以支承BIM 技术在铁路行业的大范围推广，相比二维设计，BIM 设计的优势并未显现出来，主要体现在：BIM设计协同能力差、BIM 设计资源难以有效利用和共享。本文对BIM 设计中面临的协同工作流程及构件资源共享问题进行研究，提出BIM 设计协同方法、BIM 模型构件库等解决方案，将铁路工程BIM 设计方法体系化、标准化，为后续铁路BIM 设计提供借鉴思路。

1 协同设计流程

1.1 现行设计流程

铁路工程建设项目设计过程一般分为项目前期、项目实施、项目投产3 大阶段，又可细分为11 个环节：规划研究、预可行性研究、初测、可行性研究、定测、初步设计、补定测、施工图设计、配合施工、竣工验收、项目建成销号。铁路工程设计是多专业协同设计，站前专业：测绘、地质、路基、线路、站场、轨道、桥梁、隧道等；站后专业：四电、建筑、工经、给排水、机辆等。站前、站后各专业在项目实施阶段的定测环节到施工图设计环节协同工作、互为上下序，开展资料互提、审签和数据共享等工作。设计工作流程，如图1 所示。

图1 多专业协同设计工作流程

目前，铁路设计工作有任务分解派发、任务执行、提交设计文件等管理流程，多以会议方式在重要时间节点面对面制定并发布任务分解和执行进度计划，项目小组使用通信软件实时在线沟通任务执行进度、提交设计文件。这种管理方式在实际管理中容易造成任务分解版本不一致、提交设计文件版本管理工作量大，任务执行进度不易实时掌握的问题。

1.2 BIM 模式下设计工作任务管理

任务流程是由多个单位或人员为实现共同的目标而顺序或同时需要完成的一系列规范化的任务组成。流程管理是为了提高这些流程任务的组织和执行效率而使用的系统化方法[10]。BIM 模式下设计数据和文件存储在平台服务器，数据与文件通过一个整体的BIM 进行组织和关联，易于设计文件版本统一管理和控制，各专业设计人员在平台上协同工作，执行设计任务。项目总体负责人在平台上创建和分配设计任务，设计人员在平台上查看需要执行的任务、在任务上添加平台中设计文件的链接、填报任务执行进度。当某个专业的设计人员更新并提交了本专业的BIM 时，基于同一平台的其他专业设计人员可及时接收到最新的模型更新内容并做出响应，从而避免由于沟通不畅造成的BIM 偏差、错漏或版本不统一等问题。

BIM 模式下的设计任务流程管理，如图2 所示。

设计工作任务管理的分解派发、任务执行、进度填报和设计文件提交，人员管理都在统一的平台，为设计项目的所有参与人员提供了有效的协同模式，有助于提高设计工作任务管理效率。

图2 BIM 模式下设计流程管理

2 BIM 构件库

实现BIM 设计协同的另一个关键问题是BIM 资源共享，资源共享的前提建立统一的BIM 构件库[11]。设计单位根据标准创建一些通用的构件并上传至构件库，构件库对标准构件进行审核、分类、存档和维护，之后进行发布并提供给设计单位使用，使BIM 设计资源能够有效地传播和复用，提升BIM 设计标准化水平。为保证设计资源能够正常流转和使用，BIM 构件库需要建立完善的管理和保障机制。

2.1 BIM 构件库特点

BIM 构件库是BIM 标准构件的有序集合，它应具备以下特点：

（1）应对BIM 构件建立统一的入库标准，主要是对构件的文件格式以及属性数据进行规范，并在构件入库前进行检查。

（2）铁路工程BIM 构件分为不同专业，专业内部按照用途又可细分为不同类别，构件库应对构件进行分类，方便检索，另外构件库应尽可能涵盖各类型的常用构件。

（3）构件中所包含的属性信息应符合相应的应用场景要求，避免属性信息不完整影响使用效果。

（4）BIM 构件库应设置数据访问权限，用户只能访问其权限范围内的模型构件信息，最大限度的保证数据安全。

（5）BIM 构件库应有专门的管理人员进行定期维护，更新或删除不再适用的BIM 构件。

2.2 BIM 构件库的意义

BIM 构件是宝贵的BIM 资源，对BIM 构件进行收集、维护和管理能够发挥其应有的价值，使资源得到复用，建模效率大幅提高，提升模型创建的标准化水平，其意义体现在以下方面：

（1）通过对构件资源进行整合形成BIM 资产，在铁路工程建设项目全生命周期内传递和共享，提高BIM 设计的效率。

（2）BIM 构件资源能够为BIM 扩展应用系统提供有效数据源，例如基于BIM 的仿真分析、碰撞检测、运行维护等。

（3）BIM 构件库是BIM 标准化工作的重要环节，为建立企业级BIM 资源库提供借鉴思路。

2.3 BIM 构件库设计

本研究在分析路外企业对BIM 建模需求的基础上，结合铁路行业工程建设项目特点和专业设置，将BIM 构件库的功能设置如下：

（1）支持BIM 构件的上传、下载、在线浏览及批量操作等常规功能。

（2）建立完整的构件分类体系和编码标准，为构件建立索引。

（3）采用传输加密、存储加密以及用户身份认证等技术手段保护数据安全，对构件资源的访问进行权限控制。

（4）为其它BIM 扩展应用提供数据接口。

基于以上需求，对BIM 构件库进行架构设计，系统采用B/S 模式，前端基于JavaScript、WebGL 构建浏览器三维显示引擎，用户可使用手机端App 或PC 端浏览器查看BIM 构件与属性信息。服务端基于C/C++构建模型参数生成与Web 服务。基于面向对象数据库存储模型与业务数据。前后端之间的数据传输采用JSON 协议格式。系统架构图，如图3 所示。

图3 构件库架构

2.4 BIM 构件创建和利用

BIM 构件的创建以满足各阶段的BIM 应用为原则，构件的创建过程包含三维模型建立、几何信息添加、非几何信息添加等，还包括构件的分类、管理、维护等信息的添加，构件的创建内容主要包括：

（1）各专业分别建模，每个专业根据约定的交付成果创建构件模型。

（2）各专业的BIM 构件创建应当以三维模型为基础，根据构件信息深度要求添加必要的几何及非几何信息，最终形成构件模型。

（3）BIM 构件的创建还包括对构件的持续性修改、管理、维护和记录。

在BIM 构件的利用方面，依托BIM 构件库系统功能，实现了构件的下载、编辑和上传构件功能。使现有BIM 建模软件平台可以连接统一的BIM 构件库，进行多样化查询、浏览构件的信息和各种属性信息、同步更新构件，以及将相应的版本的铁路BIM 构件载入到BIM 应用软件中进行编辑、使用与更新。

3 应用效果

三维BIM 模型构件库在京张高铁全线的BIM 设计和三站三隧的精细化设计中进行了应用验证，为建立三维BIM 设计协同设计模式和构件级设计资源共享积累了有益经验，具体应用效果如下。

铁路公共建筑与铁路其它专业在同一平台作业的设计工作并实现数据格式统一，专业间可以做到相互调用，相互参考，及时发现问题并反馈问题，及时更改。

各专业的设计信息均呈现在一个平台上，打破信息壁垒，避免因信息不对称造成的滞后，专业设计过程中需要其他专业的设计参数可以进行实时抓取，并产生关联关系记录。信息变更提醒功能，某设计信息变化后，与其关联的相关设计内容均收到变更提醒，避免信息滞后产生的差错漏碰。

在清河站、张家口南站等站房中利用BIM 模型构件库管理和复用BIM 构件，进行三维BIM 场景构建，从而在设计过程中最大限度提高资源效率。成果经验可复制到全路高铁建设项目上，复杂的建造过程透明化、可视化，推动铁路建设从信息化、数字化走向智能化。

4 结束语

本文以铁路工程建设项目BIM 设计协同为研究对象，分别从BIM 协同设计流程、BIM 构件库的建立两个方面开展研究。对BIM 模式下协同设计工作流程进行了梳理，提出BIM 构件库的设计方案，在京张铁路工程建设项目进行了应用。应用效果表明，全专业在同一工作环境下开展协同设计，以三维模型为载体对设计信息进行维护，可实现信息集中管理和共享。依托BIM 构件库，可实现BIM 构件资源的整合和复用，为装配式建模提供数据源，从而提高设计工作的效率和标准化水平。