BIM在铁路设计中的应用初探

1.推广BIM的必要性

根据铁道部2008年调整颁布的中长期铁路网规划：到2020年铁路营业里程达到12万km以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上。所以，当前和今后较长一段时间内铁路建设都将处于一个高峰期。作为铁路建设的基础性和前提性工作，铁路设计无疑在很大程度上决定了铁路建设成果的质量，其影响效应贯穿铁路的规划、设计、建造和运营的全生命周期，也是促进铁路行业可持续发展与资源及环境友好的重要决定因素。因此，如何在确保铁路设计质量的同时，采用先进的技术手段提高设计效率，促进铁路建设的又好又快发展，是当前铁路设计中亟待解决的重要课题。

铁路设计是一项庞大复杂的系统性工程，需要设计团队内部的多专业间密切配合，频繁地进行多种形式的设计信息的交互，并且与业主、施工单位、监理等多个建设参与方进行沟通协作来完成，共同地将设计成果实现为铁路建筑物实体。

当前，参与铁路设计的各专业都有专门的辅助设计软件，但在设计过程中以及最终的设计结果都采用的是传统的二维平面图的形式，这种方式虽然在一定程度上提高了设计效率，但用二维的手段来表达庞大复杂的空间三维铁路实体本身并不符合人类的认知和思维习惯，软件只是起到了辅助设计的作用，达不到所见即所得的可视化效果，工程师在进行设计时不能发挥最大的创造性。由此引发了在铁路建设过程中产生一系列问题，主要表现为以下几个方面：

其一是专业间信息沟通不及时、不顺畅。铁路设计各专业都是在独立的知识和软件平台中进行设计，专业间接口繁多，设计过程中相当一部分的信息共享和交换是由人工完成的，不能实现设计信息的集成和自动化传达，这就使得工程师们有时需耗费大量时间来处理和理解其他相关专业提交的设计数据，并经常发生由于设计变动的更新延迟而导致返工的人力、时间的浪费现象，影响铁路设计效率的进一步提高。

其二是设计意图表达和理解不明确。铁路项目在勘测设计过程中需要与业主、当地政府进行设计方案影响因素的采集和协商，最终的设计成果需要施工单位去严格和准确地执行，才能保证设计成果的科学性和设计意图的正确实现。设计方将成果向业主和施工方交底时，绝大部分采用的是二维平面图的形式，甚至有的附属工程设计只有文字说明，施工方不能准确地理解设计意图，这将直接影响到工程建设的进度和质量，导致合理的设计意图得不到合理的实现，并造成人力物力财力的浪费。例如，当前客运专线排水工程中存在着一些问题和隐患，一部分原因就在于：施工技术员在复杂的现场情况下对二维的排水设计图纸和文字说明理解不透彻，从而随意指导施工甚至不施工。

其三是设计成果不能有效地服务于铁路运营、维护和管理。铁路在建造完成后，其运营时期将长达十几年甚至几十年，在此期间通常需进行多次大规模的铁路养护和维修。当前铁路养护虽然采用了一些较为先进的机械装备，如轨检车、起道拨道设备等，但多数铁路问题的发现还依赖于人力，并且养护过程中需要在海量的设计图纸中来查找问题路段的设计资料，由于设计单位通常不参加铁路养护，设计成果有时不能得到正确的理解，导致养护维修工作效率低下。

以上几个问题虽只是针对铁路建设而提出的，但其在建筑行业中具有普遍性，相似的现象在建筑、公路、电信、管道、市政设施等其它工程建造业的设计过程中也同样存在。为此，借鉴装备制造业的成功经验，国内外学者和软件开发商将工程项目生命周期各阶段的信息以面向对象的方式集成起来，提出了“建筑信息模型”（BuildingInformationModeling,BIM）的概念和解决方案。

2.BIM的概念和应用

2.1BIM的概念

建筑信息模型（BuildingInformationModel）是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，这个概念的定义最早是由美国乔治亚技术学院建筑与计算机专业的查克·伊斯曼（ChuckEastman）博士于30年前提出的：“建筑信息模型综合了所有的几何模型信息、功能要求和构件性能，将一个建筑项目整个生命周期内的所有信息整合到一个单独的建筑模型中，而且还包括施工进度、建造过程、维护管理等的过程信息”。

国际标准组织设施信息委员会（FacilitiesInformationCouncil）对BIM的定义是：BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息以可计算/可运算的形式来表现，从而为决策提供支持，以更好地实现项目的价值。在其补充说明中强调：BIM将所有的相关方面信息集成在一个连贯有序的数据组织中，相关的计算机应用软件在被许可的情况下可以获取、修改或增加数据。

2002年，欧特克（Autodesk）公司针对建筑行业率先提出了BIM的一揽子解决方案，目前已逐渐扩展到其它工程建设行业，并在全球范围内得到工程业界的广泛认可。欧特克公司指出BIM是基于最先进的三维数字设计解决方案所构建的“可视化”的数字建筑模型，为设计师、建筑师、设备工程师、业主乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对建筑项目进行设计、建造及运营管理。

虽然不同的组织针对BIM有不同的解释，但综合起来BIM主要包括以下两大核心理念：

第一核心：BIM中工程信息包含了建筑工程的几何和功能属性以及与之相关的项目全生命周期信息，通过一个综合协同的n（n≥3）维仿真数字化、可视化平台，使得这些信息服务于建筑工程的规划、设计、施工、运营乃至拆除的全过程。

第二核心：能够在综合数字环境中保持信息共享和不断更新，即在各种工程信息之间创建实时的、一致性的关联，对平台中信息的任何更改，都马上可以在其他关联的地方反映出来，使得业主、政府管理机构、设计单位、施工单位甚至用户都可以清楚全面地了解项目进程，如图1所示。

2.2BIM的应用

目前BIM在国内的应用尚处于起步和发展阶段。而一些国际公司从BIM概念产生开始便大力开发BIM应用系统，并已成功应用于多个建筑工程行业。针对不同建筑行业的特征，Autodesk、Bentley、Graphisoft/NemetschekAG等国际公司研发了一系列的BIM应用系统，其中尤以Autodesk公司起步最早、应用范围最广。如Autodesk针对民用建筑行业推出的Revit系列软件，RevitArchitecture、RevitStructure和RevitMEP分别对应于建筑、结构以及设备几个不同的专业领域。

参数化建筑图元是Revit的核心，而参数化修改引擎提供的参数更改技术，使得用户对建筑设计模型任何部分的更改都能自动放映到其他用户的设计视图中，引起设计关联变更。国内某建筑设计研究院应用Revit系列软件设计了西安地铁控制运营中心，将后勤系统、空调系统、给排水系统、信号系统等14个常规土建系统和非常规专业系统集成在Revit智能三维平台中设计，让建筑师、水暖工程师、结构工程师以及各专业系统的设计师在项目进行的各个阶段准确地察看地铁运营中心的外观和内部，更好地了解成本、进度和环境影响等重要因素，从而提高了设计方案的质量和效率，如图2为西安地铁控制运营中心在Revit平台中显示的西安地铁控制运营中心效果图。

　　图2西安地铁控制运营中心在Revit平台中的设计效果图

Autodesk公司推出了Civil3D软件作为交通、管道、水利等土木工程行业实现BIM的解决方案，如在道路设计方面，AutoCAD Civil 3D模型能够帮助交通设计专业人员简化道路设计项目各个阶段的流程。

在前期设计阶段，分析工具能够用于更快地确定各种方案的问题和可能产生的影响。

在最终设计阶段，包括水平和垂直几何体、排水系统、公用设施、用地界在内的项目数据能够互相或与图纸进行关联。强大的可视化和仿真工具能够对道路的外观以及未来的运行情况进行预测。

荷兰某设计公司借助Civil3D和Revit设计了既有铁路桥梁的重建工程。首先充分利用Civil3D提供的现有地理信息系统、铁路线路和勘测数据，建了既有铁路线路模型和附属工程模型，在此基础上在Revit中进行既有桥梁模型恢复和新建桥梁的详细设计。由于能在Civil3D与Revit的无缝环境中整合和可视化铁路、桥梁、附属工程设施，在项目的早期便能检查设计方案的可行性和可施工性，设计效果图如图3所示。创建了既有铁路线路模型和附属工程模型，在此基础上在Revit中进行既有桥梁模型恢复和新建桥梁的详细设计。由于能在Civil3D与Revit的无缝环境中整合和可视化铁路、桥梁、附属工程设施，在项目的早期便能检查设计方案的可行性和可施工性，设计效果图如图3所示。

　　图3铁路桥梁在Civil3D与Revit集成平台中的设计效果图

3.BIM在铁路设计中的应用设想

如前所述，铁路设计是一个庞大复杂、分阶段逐步细化的系统性工程，牵涉到业主、设计方、施工单位等多个参与方和设计方的诸多专业，多年以来形成的二维、分专业的设计模式不能一蹴而就地快速转变为BIM平台中的三维可视化、协同、智能的设计模式。因此，笔者认为，应从设计流程和设计习惯的标准化和规范化入手，结合三维可视化、地理信息系统、网络通信等当前发展较为成熟的信息化技术，分阶段地将BIM技术应用到铁路设计领域中来。

3.1前期规划阶段

在铁路设计的前期，需通过预可行性研究从宏观上论证项目的必要性，为项目的投资建设提供必要的准备资料，即在研究铁路建设项目在路网中的意义和应用以及与邻接铁路的关系的基础上，分析沿线地区社会、经济等数据，提出对项目的线路走向、接轨方案和主要技术标准等的初步意见。

BIM的应用虽一般多见于建筑的设计、施工和运营阶段，而在铁路的前期规划阶段，也可以利用BIM的思想初步构思出一个集成了地理信息系统的三维可视化电子沙盘，其思路如下：

第一：收集铁路项目所在区域的既有路网信息、社会经济基础数据，结合反映区域自然特征的小比例尺地形图建立区域路网三维模型；

第二：在模型中进行客货运量预测，确定项目功能定位和建设的必要性，初步提出线路的大致走向；

第三：运用GIS的空间分析、专题图制作等功能，考虑沿线自然特征、影响线路走向的重要因素，确定线路平面方案的带状走廊带。

3.2外业勘测阶段

铁路外业勘测分为初测和定测两阶段，这两个阶段分别是进行可行性研究和初步设计的重要的基础性工作。虽然在外业勘测阶段不进行具体的铁路建筑物细部设计，但由于方案的稳定和设计资料的收集主要是在这两个阶段完成，并且在外业阶段也需进行一部分的现场选址和设计准备工作，如取弃土场选址、牵引变电所选址、桥梁孔跨布置等，因此，BIM在外业勘测阶段的应用是BIM在铁路设计中的应用的前提，并且具有一定的共性。

当前铁路外业勘测过程中，专业间的互提资料以及勘测成果的表达都是以电子或纸质的CAD图形、文档甚至口头说明为载体进行的，各专业技术人员在进行本专业的现场选址和勘测资料整理时经常需要和其他专业反复沟通，影响了外业勘测和后续设计工作的效率和进度。借鉴BIM的设计元素模型化的思想，笔者认为可从以下2个方面入手将BIM引入到铁路外业勘测过程中来：

第一：电子化外业勘测成果，以铁路三维模型为基础，建立一个存储各专业外业勘测数据的中央数据库，即在同一个BIM平台中整合纷繁复杂、格式多样的各种外业勘测数据，如GPS扫描的地形地物数据、横断面数据、地质情况数据、桥涵水文资料等等；

第二：规范外业勘测过程中各专业内业工作的流程，细化各专业间互提设计资料的接口，各专业可以在平台中实时录入、编辑本专业的勘测数据，并且其他相关专业可以随时了解和查看该专业数据变化的结果。例如，线路、站场专业可以查看地质专业在平台中录入的沿线地质情况数据，以进行方案调整、取土场选址等工作。

3.3设计阶段

利用BIM进行设计，是BIM技术应用最成熟的阶段，BIM最初就是从建筑工程设计软件开发的过程中提出的概念，设计阶段是一个既要反映国家或业主方的建设意图同时也要将设计方案提交给施工单位进行建设的承前启后的关键阶段，因此BIM在铁路设计阶段的应用是BIM在铁路建设行业中应用的突破口。

铁路设计一般分为初步设计和施工图设计两阶段，通常涉及到地质、线路、站场、桥梁、隧道等站前专业和通信、信号、电气化、车辆等站后专业等二十多个专业，各专业间需进行频繁和海量的设计信息沟通，与中外业勘测中存在的问题类似，当前铁路设计过程中各专业都是在独立的平台中设计后，通过二维的图表、文字等常规手段将设计结果提交给其他相关专业和施工单位，这种方式不可避免地会产生本文开头中所述的诸如设计信息表达和理解不清晰、低效率等问题。笔者认为，可以从以下步骤着手逐步将BIM思想应用到铁路设计工作中来：

第一步：将各专业的设计流程和设计成果格式的标准化，借助勘测设计一体化研究的部分成果首先实现各专业设计软件系统的互连互通和设计资源共享；

第二步：由于线路、地质、站场、桥梁、隧道等站前专业进行铁路主要结构物的设计，且相互之间十分紧密，是铁路设计的基础部分，因此，可先将站前专业的设计工作整合到同一个三维平台中，该平台可以直接调用外业勘测数据库来进行设计，设计成果存储于一个统一的站前专业设计成果数据库中；

第三步：站后专业利用站前专业设计成果数据库为基础进行后续的通信、信号、电气化等的设计，建立一种专业间设计信息更改联动和反馈机制，并将设计成果与站前专业成果一起形成一个多层次整体的三维可视化模型，在该模型中可以通过各专业三维模型视图、局部构造物三维模型视图以及二维的图表、文档等多种表达形式提交给施工单位。

4.结论

本文在针对铁路设计中存在的问题展开探讨和分析的基础上，初步了提出将BIM技术应用到铁路设计中的设想和规划。完全实现铁路行业的BIM设计是一个长期的过程，需要铁路设计各专业的通力配合与共同创造，它的实现不仅仅是带来一次设计技术的进步和更新换代，也将促使铁路施工和运营方式的一次转型，对整个铁路行业将会产生深远的影响。

（作者：朱江）

微信公众号：xuebim

关注建筑行业BIM发展、研究建筑新技术，汇集建筑前沿信息！

← 微信扫一扫，关注我们+