铁路工程站前设计信息交付标准（IDM）研究

张吉松 白园园 赵丽华

（大连交通大学 土木工程学院，大连 116028）

引言

铁路工程设计一般包括站前专业设计和站后专业设计。站前专业一般包括测绘、地质、路基、线路、站场、轨道、桥梁和隧道等；站后专业一般包括四电、建筑、给排水、工经、机辆等[1]。国家铁路BIM 联盟发布了一系列BIM 标准，例如《铁路工程信息模型数据存储标准》等[2]，现有BIM 标准尚未定义设计阶段各专业间信息交付流程和内容，尤其是IFC 标准未定义不同的项目阶段中不同项目角色所需的交换的特定信息，导致铁路工程设计阶段专业间信息交付的标准化程度不高。

IDM（Information Delivery Manual，信息交付手册）正是针对IFC 不能实现特定阶段特定目的的信息交换定义而提出的解决方案。Building SMART 组织是IDM 标准的引领者Wix[3]撰写了IDM 指南第一版，其中阐述了IDM 任务目标、组成部件和开发方法。Wix和Karlshoej[4]在此基础上编写了IDM 指南1.2 版本，后来此版本被ISO 组织认证为ISO 29481-1:2010[5]，即建筑信息模型—信息交付手册—第一部分：方法与格式，为IDM 的研究提供了标准化范本。基于IDM 标准化范本，美国和北欧将IDM 拓展到勘察设计领域中建筑结构设计、能量分析、设备运维、基建工程等多个方面[6-13]。国内学者研究主要集中在IDM标准的架构、描述方法、建筑设计流程、能耗分析、信号与通信[14-27]等方面。

综合国内外IDM 研究可以看出：IDM 更多用于建筑领域BIM 的数据交互研究中，而铁路IDM 研究尚处于探索阶段。本文采用IDM 方法从流程定义方面研究铁路工程站前设计阶段的设计流程，并以铁路工程中的站前专业为研究对象，运用BPMN 方法绘制出铁路工程设计阶段站前专业的设计流程图，对交换场景与交换需求进行描述并以表格形式呈现，对提高铁路工程协同设计水平和加强设计专业间信息交付的标准化提供帮助。

1 研究方法

完整的IDM 技术架构有五个组成部件，分别为流程图、交换需求、功能部件、商业规则和有效性测试[28]，如图1 所示。其中，流程图与交换需求是两大核心部件。

图1 IDM 技术架构图

IDM 的开发主要由两大部分构成，第一部分是与行业从业者相关的流程定义，具体包括：

（1）绘制并描述流程图；

（2）说明交换场景，描述活动内容；

（3）描述交换需求。

在流程定义完成基础上，进行第二部分软件解决方案的开发，包括：开发MVD 和开发软件。对第一部分流程定义中的流程图绘制与描述进行介绍如下：

IDM 标准中的流程图基于业务流程建模标注方法（Business Process Modeling Notation，以下简称BPMN）进行绘制。BPMN[3]是对象管理组织开发的一种用于流程图绘制的流程建模通用的、标准的标记方法，主要由流对象（Flow Objects）、连接对象（Connecting Objects）、 泳池（Swimming Pool） 与泳道（Swim Lane）和人工附加/模块（Artifacts）等四类建模元素及符号组成，具体包括泳池（由多条泳道组成）、泳道、开始事件、中间事件、结束事件、任务、顺序流、消息流、网关、数据对象、数据存储和组等流程图元素。BPMN流程图简单示例如图2 所示，该图中表示“设计流程”的“泳池”是由“角色1”所在的“泳道”、“信息模型”所在的“泳道”和“角色2”所在的“泳道”共同组成的。

图2 BPMN 流程图示例

在多任务组成、多角色参与的BPMN 流程图中，为了使项目各参与方的需求得到充分表达，需要利用特定格式的标准表格对其进行详细的文字描述。标准描述表格有流程图概述表格和流程描述表格两类。为了规范化表达所制定的IDM 标准，需要提前定义出一套标准表格的描述模板并罗列出该标准定义所需包含的全部信息，使用者使用时只需进行规范化填写即可。

2 铁路工程站前设计IDM

2.1 流程图绘制与简要描述

本研究以铁路工程站前设计各专业交互信息为研究对象，定义出铁路工程站前设计阶段的IDM 如图3所示。其中不同的角色活动位于不同的泳道，信息模型作为单独的角色类型拥有其专属的泳道。参与人员包括业主、线路设计工程师、桥梁设计工程师、路基设计工程师、隧道设计工程师、轨道设计工程师、站场设计工程师和审查者。不同泳道内的任务根据实际情况进行配置：业主包括提出用于指导各专业设计的业主需求、对各专业的初步设计进行管理、对各专业的施工图设计进行管理三个任务；各专业的设计工程师主要进行可研设计、可研设计审核、初步设计、初步设计审核、施工图设计、施工图设计审核等六项活动，过程中产生的信息、工程节点信息的交互在流程图中展示。

图3 铁路工程站前设计阶段的IDM

本研究的整个设计过程中各专业进行广泛的交流与协作：测绘与地质专业为铁路工程站前设计提供基础数据与资料；作为铁路牵头与骨架专业，线路作为流程图的上游专业，桥梁、路基、隧道、轨道和站场等其余专业为下游专业；在可研设计阶段，线路专业依据业主提出的需求创建体量模型并与其余专业的可研方案进行协调以满足各专业设计需求；在初步设计阶段，线路专业率先形成其初步设计BIM 模型，其中包含一定的线路实体并传递给下游各专业用于指导各专业的初步设计，下游各专业依据线路初步设计BIM模型进行分析、计算以形成包含各自专业构件的初步设计BIM 模型并反馈到线路专业用于协调、敲定线路初步设计方案；在施工图设计阶段，线路专业进一步深化初步设计并形成施工图BIM 模型，下游各专业再一次接收线路施工图BIM 模型（信息精度比初步设计阶段的高）并在各自初步设计基础上完成各专业的施工图BIM 模型。各专业的设计工作需要审查者对各个方案进行审核以确定其设计是否合理。最后，审查者整合铁路工程站前设计各专业的施工图BIM 模型形成一个综合BIM 模型，当审核结果不理想时将其反馈到各专业进行施工图设计前的工程节点并进行修改，反之就形成了综合的BIM 设计模型。

2.2 交换场景

交换场景是一种从业主、设计师等BIM 用户角度进行信息非技术性方式描述的方法，它可以完整描述流程图中各个活动及所需进行的信息交换。针对本研究的流程图，给出了该流程图对应的交换场景，主要描述了信息流的发送方和接收方、信息传递的内容和目的等，部分交换场景如表1 所示。

表1 交换场景（部分）

从线路设计工程师的视角描述该设计过程的信息流。线路根据业主需求开展线路的设计工作，地形、地质人员（模型发送方）将地形、地质模型（交换内容）交给线路设计工程师（模型接收方），其目的是将地形、地质模型中的各种参数（语义信息）交给线路专业并为其可研设计提供基础资料以进行该阶段方案的设计；接着进行线路的初步设计得到早期的初步设计方案，线路设计工程师（模型发送方）将早期的初步设计方案交给桥梁/路基/隧道/轨道/站场设计工程师（模型接收方）用于指导其余站前专业的初步设计，所需要的语义信息就是线路模型中的各种参数；此外，在最终敲定线路初步设计方案时，桥梁/路基/隧道/轨道/站场设计工程师（模型发送方）将各自初步设计阶段的BIM 模型交给线路设计工程师（模型接收方），其目的是将其余站前专业初步设计阶段的设计需求及方案同线路进行沟通、协商以指导线路初步设计最终方案的敲定，语义信息为各专业模型中所包含的设备信息。

2.3 交换需求

数据对象是交换需求在流程图中的体现，其最重要、最核心的部分就是数据需求的属性需求表，即交换需求表。此表格描述了某个设备类型需要交换的属性、属性描述以及模型接收方对本属性是需要（R）还是可选择（O）等内容。线路设计工程师交换信息如表2 所示，其中展示了根据线路设计工程师交换场景（表1 中编号3）建立交换需求表。

表2 线路设计工程师交换场景的描述

表2 中桥梁、路基、隧道、轨道和站场等BIM模型编码分别与图3 的BRI_.1、SGR_.1、TUN_.1、TRA_.1、STA_.1 相对应。线路中心线是线路同其他专业进行信息交互的核心交换内容，它包含了线路的走向、长度、里程和位置等信息，是其他站前专业的重要参考资料。线路中心线模型定位了桥、隧、站和路等各段落，因此这些信息是桥隧站路的必需信息，在表格中标记为“R”，对“线路名称”这一信息的交互，各下游专业对其是可以需要也可以不需要，即该信息是可选的，标记为“O”，由此，交换需求表格便建立起来了。

3 结论

本文在结合实际设计过程的基础上，绘制了包含线路、桥梁、路基、隧道、轨道和站场六个专业的BPMN 流程图。一方面是帮助各专业明确自身职责与任务，另一方面给出了各站前专业间进行信息交流和传递的工程节点，使得信息的流向更加地清晰，之后在所定义的设计流程图基础上从交换场景、交换需求详细描述，并以线路设计工程师地视角给出了同其他专业间的信息交换需求表格。这在一定程度上为制定铁路工程其他专业的IDM 提供了参考。另外，需要特别指出的是，IDM 是将实际工作流程与信息交互需求定义清晰并用于特定阶段或特定目的。但检验IDM 能否真正落实IFC 标准，还需要开发MVD（模型视图定义）并在协同设计平台中对IDM 进行测试与验证。