BIM技术在铁路设计行业的应用研究

■ 张雪才

BIM技术在铁路设计行业的应用研究

■ 张雪才

以达索、欧特克产品为技术支持，研究了铁路设计行业中BIM技术应用的解决方案。在对国内外BIM相关理论调研分析的基础上，提出了铁路行业中BIM的定义，分析了目前本领域BIM技术应用的现状与特点，提出了设计阶段三维设计流程。阐述了中铁二院在测绘、地质、桥梁、隧道和路基等专业的BIM技术应用，应用达到了优化设计方案的目的，以期为进一步提高我国铁路设计行业BIM技术应用水平作出贡献。

达索；欧特克；铁路设计；BIM；二维出图；碰撞检测

国外BIM技术在设计行业中的应用已经如火如荼，如美国运用BIM技术的项目数量增长迅速，建筑业BIM技术普及率从2007年的28%增长至2013年的78%；北美也大力推动BIM技术的应用，在大、中、小型企业中的利用率

0 引言

建筑、机械、电子等行业的设计企业对BIM技术的运用日趋成熟，并因此带来了技术的革新和效益的增长[1]。近年来，我国铁路建设行业也取得了突飞猛进的发展，其设计领域对新技术、新产品的研发与应用也层出不穷，但BIM技术在铁路设计领域中的应用尚处于探索阶段。随着

分别达到了91%、86%和49%以上。相比之下，我国应用最早的建筑业BIM技术普及率仅为12%[2-5]。

美国乔治亚技术学院的查克·伊斯曼教授最先提出了建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念[6]，之后在美、英、日、韩等国逐步发展完善，并形成了严格的行业标准及指南。如国际机构BuildingSMART颁布的Industry Foundation Classes（IFC）、International Framework for Dictionaries（IFD）、Information Delivery Manual（IDM），美国颁布的《国家BIM标准》[7]，新加坡颁布的《新加坡BIM指南》（2.0）[8]。我国在BIM技术应用方面起步较晚，但发展较快，建筑、机械等行业已初步形成了相应标准，如2008年由中国建筑科学研究院、中国标准化研究院等单位共同起草了GB/T 25507—2010《工业基础类平台规范》[9]，2010年清华大学BIM课题组提出了中国建筑信息模型标准框架（CBIMS）[10]并编制了设计企业BIM实施标准指南[11]。

目前，我国各大设计院正加紧开展铁路三维设计与BIM技术应用的研究工作，以尽快将BIM技术真正运用于铁路设计行业中。通过对BIM相关理论的深入研究，给出了铁路行业中BIM的定义，研究分析了铁路设计行业BIM技术应用的现状与特点，并就BIM技术在铁路设计行业中的应用进行了研究与探索。

1 BIM定义

查克·伊斯曼教授首次提出BIM的理念后，各国学者和企业又从不同角度给出了BIM的理解与诠释。通过对国内外相关资料的广泛调研，提出了BIM在铁路行业中的定义：BIM是利用信息模型对铁路工程建设项目进行规划、设计、施工、运营的过程；模型包含了项目所有的几何尺寸、空间关系、结构功能和性能等信息，项目不同参与方应共同维护该模型，并基于相关信息进行协同工作。

2 铁路设计行业BIM技术应用现状

同BIM应用较为成熟的建筑、水电行业相比，我国铁路行业BIM技术应用还处于起步阶段，但铁路行业已经意识到BIM应用和发展的必要性，中国铁路总公司于2013年5月召集各大铁路设计单位召开了“铁路勘察设计BIM应用技术研讨会”，专题讨论了如何在铁路勘察设计中开展BIM技术应用，并希望以勘察设计为突破口，解决BIM技术在铁路设计阶段的具体应用研究，为BIM在施工、运营阶段的进一步应用打下基础。同步立项“铁路工程建设信息化关键技术研究”部控科研课题，标志着BIM在我国铁路行业应用正式启动。

3 铁路设计行业BIM技术应用特点

铁路设计行业对BIM技术的应用应具备以下特点：数字化、可视化、多维化、协调性、可操作和全过程等（见图1）。

（1）铁路设计行业BIM的概念应涵盖GIS的内容，因为设计阶段建立的BIM模型包括三维地理信息模型、三维地质信息模型和隧道结构三维模型。因此，设计阶段的BIM技术应体现出可视化、数字化和多维化等方面特点。

（2）铁路设计行业各专业根据其自身特点的不同，往往需要应用不同的软件平台进行三维设计，因此各软件平台的互通和兼容在很大程度上考验了BIM技术应用的协调性和可操作性。

（3）设计BIM模型需要转换为施工BIM模型，以实现各阶段、各参建方之间的信息无缝传递。建立统一的编码体系、制定相应的行业规范、打破阶段与各参建方之间的信息壁垒是重中之重，这也极大检验了BIM技术应用的协调性、全过程等方面的特点。

（4）设计行业通过利用BIM技术可有效进行专业间、专业内的碰撞检验，可充分保证设计分析的效率与精度，可大大提高设计文件的质量并优化设计。因此，该方面的BIM应用将很大程度上检验其可视化、数字化、多维化、协调性和可操作性等方面的特点。

图1 BIM技术应用特点

4 铁路设计行业BIM技术应用分析

铁路设计行业BIM技术的应用涉及测绘、地质、线路、隧道、桥梁、路基等20多个专业，建模流程为地质三维模型、地表模型、三维选线、其他专业三维模型建立，后续在三维模型的基础上开展BIM应用研究。主要建模流程（含隧道专业BIM设计详细流程）见图2。

中国中铁二院工程集团有限责任公司（简称中铁二院）目前主要在测绘、地质、隧道、桥梁、路基等站前专业开展了BIM建模、信息附加、工程量计算、二维出图等应用研究，后续将陆续开展覆盖站前、站后所有专业的BIM应用研究。

4.1 测绘、地质、隧道方面BIM应用分析

中铁二院测绘、地质、隧道专业基于宝兰客专石鼓山隧道开展了地表建模、地质建模、隧道设计及应用等多方面的BIM应用研究工作，取得了一定的突破。

4.1.1 三维地表建模

首先对地形影像数据处理，根据获取的石鼓山隧道区域10 km×4 km的测绘数据，制作正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）；其次对背景数据处理；最后基于Skyline软件，通过金字塔技术将DOM和DEM集成，生成精细的三维地形模型（见图3）。

4.1.2 三维地质建模

地质建模过程主要是根据石鼓山隧道地质调绘资料及已有的纵横断面构建地层面，用建立好的地层面来剖切拉伸体，以生成地质体（见图4）。

图2 设计阶段三维设计建模流程

图3 三维地形模型

图4 全隧三维地质模型

4.1.3 隧道三维建模

隧道专业在三维地质模型和线路模型主设计骨架基础上，结合围岩分级、施工工法、衬砌形式等因素，划分出各隧道段落的二级骨架，为隧道三维设计提供定位支持。利用CAITA建模功能（如草图绘制、知识工程阵列等）建立参数化、可联动修改的隧道三维模型，并附加必要的非几何信息，利用CATIA知识工程模板功能将建立的模型封装为模板，在后续遇到同类型隧道建模时实例化模板即可。

隧道专业依托石鼓山隧道工程，初步建立了部分暗洞、明洞、附属洞室、防排水、洞门等模型。以V级e型暗洞衬砌三维建模为例，介绍隧道三维建模全过程。

（1）模型架构。结合制定的命名规则，暗洞洞身模型主要由超前支护、初期支护、二次衬砌和防排水构成。

（2）骨架信息。根据骨架设计理念，需要定义与暗洞洞身相关的一系列骨架信息（如起始里程、终止里程、平面线本段、空间线本段等），同时还需绘制一系列模型草图（见图5、图6）。

（3）模型建立。在草图绘制基础上，根据需要设置参数，按照设计要求，利用CATIA的拉伸、扫掠、剪切、结合等功能制作知识工程模板，再利用知识工程阵列建立参数化的、可联动修改的隧道三维模型（见图7）。

（4）模板实例化。建立起规范、标准、科学的隧道模板后，利用CATIA知识工程模板模块中的文档

模板、超级副本等功能可快速生成本段的文档模板，然后利用文档实例化功能并设置合适的输入参数即可快速建立起同类型的隧道三维模型。

（5）工程量计算与二维出图。利用BIM隧道三维模型实现了二维出图、工程量计算、模型附加信息等功能。

4.2 其他专业BIM应用分析

（1）桥梁专业——基于达索CATIA平台，以沪昆客专北盘江特大桥等项目开展了参数化建模、二维出图、工程量统计、碰撞检测等BIM应用研究工作（见图8、图9）。

（2）路基专业——以西成线江油北站路基为基础，开展了Civil 3D软件建立路基三维模型的研究工作。以Open Inventor开发包为基础，开发了桩、锁口护壁、托梁、挡土板等结构的建模软件，同时进行了数字化施工应用研究工作。路基参数化三维模型见图10。

图5 暗洞洞身骨架信息

图6 二衬轮廓草图

图7 隧道三维模型

图8 三维参数化模型及模板

图9 节段劲性骨架干涉及碰撞检查

图10 路基参数化三维模型

5 结论与展望

BIM技术应用已成为铁路建设工程的必然趋势。目前，我国铁路行业的BIM之路才刚刚起步，但与建筑、水电等行业业务较为分散相比，铁路行业具备业务资源集中等优势，BIM在铁路行业的应用必将呈现迅猛之势，稳步向前推进。作为铁路设计行业的领军企业，中铁二院将在中国铁路总公司的统一组织下，以中国铁路BIM事业为己任，和相关企业开展通力合作，针对BIM在铁路行业的典型应用，有计划、分阶段地开展BIM应用研究和实施工作，逐步解决BIM难题，实现BIM在铁路建设行业的稳步推进。

[1] 王珺.BIM理念及BIM软件在建设项目中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[2] 李建成.BIM概述[J].时代建筑，2013(2)：10-15.

[3] 贺灵童.BIM在全球的应用现状[J].聚焦信息化，2013，31(3)：12-19.

[4] 王凯.国外BIM标准研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5(1)：6-16.

[5] 何关培.BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6] H Edward Goldberg.The Building Information Model[J].Cadalyst，2004，21(3)：56-58.

[7] National Building Information Modeling Standard Committee.The National Building Information Model Standard[M].United States：National Institute of Building Sciences，2004.

[8] Building and Construction Authority.Singapore BIM Guide（Version 2.0）[M].Singapore：Building and Construction Authority，2013.

[9] 建筑科学研究院.工业基础类平台规范（GB/T 25507）[S].北京：中国标准出版社，2010.

[10] 清华大学BIM课题组.中国建筑信息模型标准框架研究[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[11] 清华大学BIM课题组.设计企业BIM实施标准指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

张雪才：中国中铁二院工程集团有限责任公司，副总经理，教授级高级工程师，四川 成都，610031

责任编辑高红义

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1672-061X（2014）05-0014-05中国铁路总公司对在建项目的安全、质量、投资、工期和环境等目标的逐步提高，将BIM技术应用于铁路设计领域是必然趋势。

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2013G015-B）。