铁路站场BIM技术应用研究

王 鹏

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

我国国家标准GB/T51235—2017《建筑信息模型施工应用标准》将BIM-Building Information Modeling(建筑信息模型)定义为：在建设工程及设施全生命期内,对其物理和功能特性进行数字化表达,并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称[1]。BIM技术近年来发展迅速,已席卷全球的建筑环境行业[2]。建筑行业也已经有较为成功的应用案例和成熟的软件[3-5]，在铁路工程中进行BIM技术应用和研究尚属于起步阶段,但近些年来中国铁路BIM联盟陆续颁布了一系列的铁路BIM应用标准,铁路行业BIM技术发展迅速。铁路工程专业众多,分工较细,目前在桥梁、隧道、接触网、四电等专业都对BIM技术应用进行了深入研究[6-10],并在铁路联盟的推动下在实际的铁路工程中进行了探索性的实践及验证。

2 站场专业BIM技术应用现状及对策研究

铁路站场设计是一个极其复杂的系统工程,需要项目各方,在各个阶段相互衔接,各专业协同设计[11]。站场专业是连接站前与站后专业的纽带,具有“承上启下”的关键作用,是铁路车站的总图专业,站场设计的效率和质量对整个铁路的建设与运营具有极其重要的影响。目前站场专业BIM技术的应用尚处于利用二维设计成果进行三维信息模型建造的阶段[12],效率低下,精度不高,无法体现BIM技术协同高效的价值。以实际工程项目的BIM应用和站场专业将BIM技术作为设计的手段为目的,站场专业BIM技术应用应从以下4个方面进行研究。

2.1 站场专业BIM设计软件研发

信息模型的基础是模型,模型是信息的载体。目前主流三维设计平台有Autodesk、Bentley及CATIA三种,三种软件平台各有其优缺点[13]。但由于铁路站场自身专业特点的独特性,这三款软件平台均不完全适用于站场BIM设计。站场专业设备众多,各种设备之间在空间、时间上信息高度耦合,只有充分考虑了站场各种设备极其复杂关系的设计软件，才能适合站场专业BIM技术的应用。这也是目前国内站场专业BIM设计现状基本停留在利用二维设计成果进行三维信息模型建造的阶段的根本原因所在。

站场BIM设计软件研发有以下两种方法。

其一,在主流三维设计平台上做二次开发。将站场设备，设备在空间、时间上的信息耦合关系在该平台进行定制,形成适合站场专业BIM设计的三维设计平台。由此开发的平台功能全面,适用性强,但此方法开发周期长,投入也大。

其二,在现有的站场设计软件基础上做延伸开发。笔者参与研发了铁路站场数字化设计系统[14-16]。该系统将站场专业各设备的几何信息、非几何信息及设备之间的空间、时间关系记录到数据库,并可实现通过数据库自动成图。通过在主流的三维设计平台上开发站场数字化设计系统的自动建模插件,可实现站场专业信息模型的快速构建[12]。

2.2 铁路站场BIM设计标准研究

BIM价值的实现贯穿于工程项目从早期的概念设计到末期工程拆除的整个生命周期,而实现这个价值的基础支柱则是公开的结构化的BIM标准[17]。自铁路BIM联盟成立以来,陆续颁发了大量的BIM技术标准,极大地促进了我国铁路BIM技术的发展。

经过对铁路BIM相关标准的研究及银西、西法、西韩、阎机等项目的验证,站场专业BIM设计标准需对铁路联盟相关标准进行扩充完善,以提高其工程适用性。以IFD标准为例,依据站场专业设备特点,结合铁路工程信息模型交付精度标准及铁路工程信息模型分类和编码标准[18-19],对站场IFD标准进行扩充完善。因篇幅限制,本文仅列举部分扩充完善的IFD标准：对站内路基进行扩充完善,增加了场坪路堤53-111 060、隔水层53-111 070、设计地形实体53-111 080。对基床表层、基床底层和基床以下路基按照站场设备特点进行了再次细分,如图1所示。

图1 站场专业IFD标准扩充完善

2.3 站场设计基础数据适应性调整

传统基于二维CAD图纸的站场设计,站场专业输入输出资料以二维资料为主。BIM技术的应用将二维设计方式转变为三维设计方式,设计方式的转变除了给设计流程造成影响外,也使部分专业接口资料的形式发生改变。接口资料形式的改变会导致传统的二维设计数据到BIM三维设计数据转变时产生问题,需要进行适应性调整。

以站场设计时所需地形、横断面数据为例进行说明。传统二维设计,站场施工图平面设计图采用1∶2 000的dwg格式航测地形图。横断面设计时采用按照横断面桩号实测的1∶500横断面地面线实测数据。在进行三维设计时,站场路基三维信息模型的构建参考的是三维数字地面模型。而以1∶2 000的平面地形图制作的数字地面模型无法满足站场路基体三维信息模型构建所需的精度要求。铁路车站点多面宽,全面制作1∶500地形图会产生大量的附加成本。通过研究及银西铁路、陕西城际铁路等项目的验证,利用1∶2 000地形图加横断面实测数据融合的方式构建三维数字地面模型可解决这一问题，如图2所示。

图2 以融合实测线方式构建数字地面模型

2.4 设计成果交付平台的研究

BIM价值的最大化实现需要依赖于不同项目成员和软件之间的信息的自由流动,从而使每一个项目成员在他的专业工作需要的时候，都能够从上游成员已经收集的信息中及时得到他需要的具有质量保证的信息,同时也能按照规则方便地更新信息[17]。因此设计阶段产生的三维信息模型要想实现其BIM价值最大化,需要能够在保证其信息完整性的条件下往施工、运营及项目拆除阶段传递。由于项目参与各方所使用的工具可能不同,设计成果的交付需要一个能够集成模型、模型互操作、模型资料管理并兼容主流设计成果格式的平台。铁路工程点多线长,数据量庞大,海量的数据要能在平台中进行层次分明的组织,就要根据信息模型的特点研究其组织结构规律。站场专业的设备众多[20],以其设备本身特点为基础,将站场设备进行系统性分类并为其添加可定位的身份编码,可将其组织成为结构清晰层次分明的树状结构。例如合阳东站警冲标编码：站场—合阳东车站—标志标牌—警冲标—警冲标1。依据该方法在陕西城际项目自主研发的BIM综合管理平台中构建站场专业信息模型组织结构树,如图3所示。

图3 站场专业组织结构树

3 结语

自铁路BIM联盟成立以来,中国铁路BIM技术应用快速发展,站场专业虽然为铁路工程中的重要的总体型专业,但在BIM技术应用上相较房建、隧道、桥梁等工点型专业尚有所欠缺。本研究成果对铁路站场专业BIM技术应用具有较高的参考价值。除专业软件研发、标准研究、平台研究外,站场专业BIM技术应用今后尚需在全生命周期的模型有效传递、施工及运维应用等方面进行深入研究。