■ 魏州泉

BIM技术在铁路桥隧工程中的应用研究

■ 魏州泉

桥梁和隧道是铁路建设项目中较为重要的工程内容。中铁第一勘察设计院集团有限公司在开展BIM技术的应用研究工作中，以桥隧工程为重点，从应用框架、资源配置、技术管理和质量管理等方面入手，结合清凉山隧道和十岔沟中桥工程，进行了较为系统的探索，以期从整体上形成BIM设计能力，为企业的转型升级打好基础。

BIM；桥梁；隧道；应用平台；交付标准；模型；协同设计

自2013年4月起，随着中国铁路总公司在铁路建设领域对BIM技术的应用推广，中铁第一勘察设计院集团有限公司（简称铁一院）结合西成线清凉山隧道、十岔沟中桥BIM科研项目，将BIM技术在桥隧工程中的应用逐步深化，以期为今后的设计工作奠定基础。

1 BIM在桥隧工程中应用的基本框架

BIM技术在铁一院的深入研究与应用始于2011年，尤其在站后四电工程方面，进行了较为超前的探索与尝试，取得了一些可供借鉴的成果。在此基础上，参考BIM在建筑、水电领域的应用情况，总结了设计阶段BIM应用的基本框架（见图1）。

由图1可以看出，采用BIM技术后，从基础数据到模型建立是最为关键的环节，没有这个过程，其余的一切都是奢谈，这也是采用BIM技术后首先要解决的关键问题。设计的主要成果均以模型为基础，通过不同层面的模型属性及相关组合，获得不同的成果。这些成果主要分为如下几个方面：

（1）分析：一是对模型的逻辑合理性进行分析，特别是模型的力学性质等，以保证建立的BIM模型能够满足规范规定的力学要求。主要分为动态和静态分析，需要结合目前常用的力学分析软件进行。二是基于模型各组成部分的空间分析，不出现差错漏碰等情况，彻底去除2D状态下难以发现的各种弊端，使设计主体更趋完善。三是基于模型的性能分析，如日照、雨量等分析。

图1 设计阶段BIM应用基本框架

（2）出图：主要是指基于模型的二维图纸输出。由于目前尚无统一的三维交付标准，因此就图纸而言，可以通过BIM模型生成符合既有技术规范的图纸，作为基本的技术交付依据。通过模型也可直接形成3D格式的pdf文件，对模型进行轻量化处理，用于移动或便携设备，在施工过程中直接浏览查看。

（3）数量：工程数量是设计过程中最为重要的内容之一。通过模型可以直接获得该工程不同部位的工程量以及工程总量，进而计算出准确的工程造价。

（4）展示：主要分为大场景展示（把桥隧工程模型直接植入到建设场地的真实环境中，展示工程主体与环境的相容性以及与其他工程的相互关系）、工程主体展示（通过渲染和漫游，观察工程主体的整体状况或者某个局部）等。

（5）模拟施工：设计阶段的模拟施工只是近似地模拟施工阶段的进度管理等情况，为施工组织提供基本的参考依据。

（6）技术交底：基于模型的技术交底具有直观、易懂的特点，关键部位或者技术要点，可以通过模拟方式进行展示。

（7）交流：基于模型的交流，将使建设方及各参建单位（设计单位、施工单位、监理单位）变得更加高效。

2 资源综合配置形成BIM设计能力

铁路设计企业从2D设计逐步转为BIM设计已是大势所趋，因此需要综合配置资源才能形成真正的设计能力。首先，领导层理念的转变及对BIM工作在战略层面的重视是推广应用中的关键。其次是组建具有专业技术经验和计算机应用能力的BIM设计团队，以项目为基础，形成设计、复核、校审、审定的工作流程，建立例会工作制度，定期对工作进行总结、交流，对任务进度进行追踪检查，讨论疑难问题，确定解决方案。再次是对网络及计算机软硬件的配备。对资源进行综合配置，以项目为基础，通过激励机制推进BIM应用工作，才能形成真正的BIM设计能力。

软件平台的选择是开展B I M工作的基础。欧特克（Autodesk）、奔特力（Bentley）、达索系统（Dassault Systems）是市场上提供的主要BIM设计平台，其软件系统针对不同的领域，各有特点，也有各自的解决方案。目前，尚无专门针对铁路行业技术特点而研发的软件平台。参与铁路建设和管理的企业，对应用平台的选择，需要结合相关专业的特点，对适应性进行综合考察。而要提升BIM应用效率，基于应用软件平台的二次开发工作及研发工作都是必不可少的内容。

为保证BIM应用工作的可持续发展，铁一院在上述工作的基础上，加大投入，把BIM课题分为基础研究、专题研究、综合研究、二次开发和业务建设5个方面，每个方面均针对不同的重点，进行全方位的研究，提升BIM应用的系统性。

3 深化BIM应用

桥梁和隧道是铁路建设项目中较为重要的工程内容。铁一院结合中国铁路总公司清凉山隧道和十岔沟中桥科研项目，通过资源综合配置，强化BIM应用基础，特别是对BIM构件库建设与管理、设计模型的技术管理与质量管理等，形成了基本的工作流程，从而保证了模型质量，为基于模型的各项工作打下良好基础。

BIM技术应用过程中，专业内部的协同、专业之间的协同是非常重要的内容。除了设计平台提供的基本协同方式外，还需要结合企业技术管理、质量管理、计划管理的平台来承载协同工作，才能提高BIM设计效率。

作为设计企业，向施工企业进行BIM交付，是体现其成果并为基于BIM的施工过程奠定基础的关键环节。铁一院在这方面做了一些有益的尝试，相关交付标准也在制订之中。

4 BIM在桥隧工程中的应用实践

铁一院在BIM技术推广应用过程中，从规划层面、资源配置层面、团队建设层面及科技研发层面进行了系统部署，同时结合中国铁路总公司推动的科研项目，做了全方位的应用探索。

4.1 BIM构件库建设及基础模型研究

BIM构件库及基础模型是完成BIM设计工作的第一步，需要从设计、施工、运维各环节综合考虑建模原则。从设计的角度，构件需要考虑“最小功能单元、最小成本单元”，施工方面则要结合工艺工法考虑“最小施工单元、最小安装单元”。由基础构件完成的模型才能同时符合设计和施工的要求。部分构件和模型见图2。

基础构件必须要有软件进行统一管理，使得创建过程符合统一的质量审核流程，保证创建的构件符合规范要求。

4.2 构件编码规则研究

根据族构件的系统性、兼容性、可扩充性、稳定性

分类原则，对族构件的编码规则进行了研究，为使族编码具有唯一、简明、规范、便于检索的特点，经过多次讨论研究提出了编码规则，便于计算机进行统一管理。4.3 BIM交付标准研究

图2 部分构件和模型

经过和施工单位多次沟通、交流、研讨，在充分了解施工期间的模型应用需求和附属信息格式的基础上，研究了以“最小施工单元、最小安装单元”为基本构件，满足施工单位基于BIM模型进行的施工进度、质量、安全管理需求的交付标准。交付的模型必须满足如下需求：

（1）能够进行3D查看、旋转、剖切、量测等，传递完整的几何信息及附加的设计信息（例如工程数量）等。

（2）参与项目建设的单位能够在模型上增加新的属性信息。

（3）各种信息能够方便读取，以供各方使用。

（4）能够添加时间参数，形成4D模型，完成施工步骤演示，人工、机械等费用计算。

（5）设计单位根据需要能够修改模型，如变更设计。

（6）模型中附加的工程数量信息根据需要可由设计单位修改。

在科研项目中，采用了Autodesk公司的NWC格式作为交付模型的基本格式。交付标准需要在实践基础上通过进一步研究来完成。图3为十岔沟中桥整体模型、清凉山隧道整体模型（包含1号、2号斜井模型）。

图3 整体模型

图4 方案的汇报展示

4.4 模型应用研究

（1）方案的汇报展示。利用BIM模型可准确反映建筑物的情况，方便制作渲染图及漫游动画，形象生动地进行设计方案的汇报展示（见图4）。

（2）二维出图、算量。在三维BIM模型的基础上研究提出二维图纸的解决方案。对模型在Revit中的剖切、标注、字体、工程数量统计、图框模板的定制进行了深入研究。目前已经能够快速生成桥梁、隧道专业的工程数量表及部分二维图纸。

（3）施工过程及工法4D模拟。利用十岔沟中桥的BIM模型，在NavisWorks中导入施工步骤及计划工期信息，模拟桥梁的建造过程；以清凉山隧道中最复杂的施工方法——三台阶临时仰拱法为研究对象，完成了三台阶临时仰拱法的4D施工模拟。

（4）地形模型应用。利用地形模型点击任意点自动标注径流方向、

圈绘出汇流面积，大大简化外业的水文圈绘工作；利用地形模型能够简单方便地完成如桥台等放坡开挖，准确标识并计算出工程数量。

（5）碰撞检查。建立了高速铁路12 m宽桥梁结构和桥上附属结构BIM模型，通过碰撞检查，发现接触网下锚柱基础与声屏障干扰、拉线基础与桥梁遮板干扰，研究解决方案，编制《高速铁路12 m梁宽桥上声屏障安装标准图》BIM模型，并以BIM模型进行技术交底（见图5）。

（6）指导实习与培训工作。为某职业技术学院隧道实训基地开展关于隧道技术的BIM应用研究。隧道实训基地建筑长90 m，宽32 m，包括各种施工工法的开挖、支护、绑扎钢筋、架设钢架、安装模板、防水板安装、预埋件、拱墙仰拱混凝土浇筑、施工缝防水做法、监控量测、洞门施工、边坡防护等内容，采用BIM应用指导实习过程，收到了良好效果。

在新员工培训过程中，通过BIM形象展示施工过程及场景，改变了以往文字加图片的说教方式，极大地提升了新员工对设计技术及施工过程的理解能力。

4.5 协同设计研究

BIM设计的专业之间、专业内协同工作非常重要，可以最大限度地避免以往设计中的差、错、漏、碰等问题，协同设计是BIM重要的理念之一，通过及早发现和解决冲突，从而避免在施工期间的变更设计、返工等问题，达到降低造价、缩短工期、提高工程质量的目的。针对西成线桥隧工程，进行了航测、地质、桥梁、隧道、接触网、环保、通信信号等站前站后多专业的协同设计研究（见图6）。

4.6 科技研发工作

从常规的2D设计转为BIM设计，需要一个长期的过程。以往在2D状态下的专业设计软件以及管理系统，都要逐步进行过渡。部分已经完成或正在进行的研发项目如下：

（1）基于Revit族的隧道模型拼装系统：以Revit族为基本单元，通过路径设定和选定的基本族单元，自动拼装完成隧道整体模型，极大地提高了建模效率，同时克服了用基础族在曲线上拼装产生的问题（见图7）。

（2）BIM族库管理系统：对各专业基础族库分权限、分角色进行管理，保证族库内容的有效性和动态管理（见图8）。

（3）基于BIM的铁路空间信息系统：以GIS为基础，对BIM进行融合，实现全线各工程的整体管理，为运营提供管理手段（见图9）。

图5 碰撞检查

图6 多专业协同后的效果图

图7 基于Revit族的隧道模型拼装系统界面

图8 BIM族库管理系统界面

图9 基于BIM的铁路空间信息系统界面

5 结束语

目前，BIM在铁路建设中的应用主要以设计过程和施工过程为主。就这两个环节而言，交付标准依然是最为迫切的研究内容。尽管BIM在应用推广过程中还存在诸多问题与困难，例如基础平台的不完善、地质信息与模型的互动、地理信息与海量数据的处理等，但随着中国铁路总公司和中国铁路BIM联盟强有力地推动，BIM的推广应用一定具有更加广阔的发展前景。

[1] 清华大学BIM课题组，互联立方（isBIM）公司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.

[2] 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，2011.

[3] 秦军. Autodesk Revit Architecture 201X建筑设计全攻略[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

魏州泉：中铁第一勘察设计院集团有限公司，副院长，教授级高级工程师，陕西 西安，710043

责任编辑卢 敏

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1672-061X（2014）05-0009-05