發布時間：2022-04-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：橋梁和隧道是鐵路建設項目中較為重要的工程內容。中鐵第一勘察設計院集團有限公司在開展BIM技術的應用研究工作中，以橋隧工程為重點，從應用框架、資源配置、技術管理和質量管理等方面入手，結合清涼山隧道和十岔溝中橋工程，進行了較為系統的探索，以期從整體
摘 要：橋梁和隧道是鐵路建設項目中較為重要的工程內容。中鐵第一勘察設計院集團有限公司在開展BIM技術的應用研究工作中，以橋隧工程為重點，從應用框架、資源配置、技術管理和質量管理等方面入手，結合清涼山隧道和十岔溝中橋工程，進行了較為系統的探索，以期從整體上形成 BIM設計能力，為企業的轉型升級打好基礎。
關鍵詞：BIM;橋梁;隧道;應用平臺;交付標準;模型;協同設計
自2013年4月起，隨著中國鐵路總公司在鐵路建設領域對BIM技術的應用推廣，中鐵第一勘察設計院集團有限公司(簡稱鐵一院)結合西成線清涼山隧道、十岔溝中橋BIM科研項目，將BIM技術在橋隧工程中的應用逐步深化，以期為今后的設計工作奠定基礎。
1 BIM在橋隧工程中應用的基本框架
BIM技術在鐵一院的深入研究與應用始于2011年，尤其在站后四電工程方面，進行了較為超前的探索與嘗試，取得了一些可供借鑒的成果。在此基礎上，參考BIM 在建筑、水電領域的應用情況，總結了設計階段BIM應用的基本框架(見圖1)。
由圖1可以看出，采用BIM技術后，從基礎數據到模型建立是最為關鍵的環節，沒有這個過程，其余的一切都是奢談，這也是采用BIM技術后首先要解決的關鍵問題。設計的主要成果均以模型為基礎，通過不同層面的模型屬性及相關組合，獲得不同的成果。這些成果主要分為如下幾個方面：
(1)分析：一是對模型的邏輯合理性進行分析，特別是模型的力學性質等，以保證建立的BIM模型能夠滿足規范規定的力學要求。主要分為動態和靜態分析，需要結合目前常用的力學分析軟件進行。二是基于模型各組成部分的空間分析，不出現差錯漏碰等情況，徹底去除2D狀態下難以發現的各種弊端，使設計主體更趨完善。三是基于模型的性能分析，如日照、雨量等分析。
(2)出圖：主要是指基于模型的二維圖紙輸出。由于目前尚無統一的三維交付標準，因此就圖紙而言，可以通過BIM模型生成符合既有技術規范的圖紙，作為基本的技術交付依據。通過模型也可直接形成3D格式的pdf文件，對模型進行輕量化處理，用于移動或便攜設備，在施工過程中直接瀏覽查看。
(3)數量：工程數量是設計過程中最為重要的內容之一。通過模型可以直接獲得該工程不同部位的工程量以及工程總量，進而計算出準確的工程造價。
(4)展示：主要分為大場景展示(把橋隧工程模型直接植入到建設場地的真實環境中，展示工程主體與環境的相容性以及與其他工程的相互關系)、工程主體展示(通過渲染和漫游，觀察工程主體的整體狀況或者某個局部)等。
(5)模擬施工：設計階段的模擬施工只是近似地模擬施工階段的進度管理等情況，為施工組織提供基本的參考依據。
(6)技術交底：基于模型的技術交底具有直觀、易懂的特點，關鍵部位或者技術要點，可以通過模擬方式進行展示。
(7)交流：基于模型的交流，將使建設方及各參建單位(設計單位、施工單位、監理單位)變得更加高效。
2 資源綜合配置形成BIM設計能力
鐵路設計企業從2D設計逐步轉為BIM設計已是大勢所趨，因此需要綜合配置資源才能形成真正的設計能力。首先，領導層理念的轉變及對BIM工作在戰略層面的重視是推廣應用中的關鍵。其次是組建具有專業技術經驗和計算機應用能力的BIM設計團隊，以項目為基礎，形成設計、復核、校審、審定的工作流程，建立例會工作制度，定期對工作進行總結、交流，對任務進度進行追蹤檢查，討論疑難問題，確定解決方案。再次是對網絡及計算機軟硬件的配備。對資源進行綜合配置，以項目為基礎，通過激勵機制推進BIM應用工作，才能形成真正的BIM設計能力。
軟件平臺的選擇是開展BIM工作的基礎。歐特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、達索系統(Dassault Systems)是市場上提供的主要BIM設計平臺，其軟件系統針對不同的領域，各有特點，也有各自的解決方案。目前，尚無專門針對鐵路行業技術特點而研發的軟件平臺。參與鐵路建設和管理的企業，對應用平臺的選擇，需要結合相關專業的特點，對適應性進行綜合考察。而要提升BIM應用效率，基于應用軟件平臺的二次開發工作及研發工作都是必不可少的內容。
為保證BIM應用工作的可持續發展，鐵一院在上述工作的基礎上，加大投入，把BIM課題分為基礎研究、專題研究、綜合研究、二次開發和業務建設5個方面，每個方面均針對不同的重點，進行全方位的研究，提升BIM應用的系統性。
3 深化BIM應用
橋梁和隧道是鐵路建設項目中較為重要的工程內容。鐵一院結合中國鐵路總公司清涼山隧道和十岔溝中橋科研項目，通過資源綜合配置，強化BIM應用基礎，特別是對 BIM構件庫建設與管理、設計模型的技術管理與質量管理等，形成了基本的工作流程，從而保證了模型質量，為基于模型的各項工作打下良好基礎。
BIM技術應用過程中，專業內部的協同、專業之間的協同是非常重要的內容。除了設計平臺提供的基本協同方式外，還需要結合企業技術管理、質量管理、計劃管理的平臺來承載協同工作，才能提高BIM設計效率。
作為設計企業，向施工企業進行BIM交付，是體現其成果并為基于BIM的施工過程奠定基礎的關鍵環節。鐵一院在這方面做了一些有益的嘗試，相關交付標準也在制訂之中。
4 BIM在橋隧工程中的應用實踐
鐵一院在BIM技術推廣應用過程中，從規劃層面、資源配置層面、團隊建設層面及科技研發層面進行了系統部署，同時結合中國鐵路總公司推動的科研項目，做了全方位的應用探索。
4.1 BIM構件庫建設及基礎模型研究
BIM構件庫及基礎模型是完成BIM設計工作的第一步，需要從設計、施工、運維各環節綜合考慮建模原則。從設計的角度，構件需要考慮“最小功能單元、最小成本單元”，施工方面則要結合工藝工法考慮“最小施工單元、最小安裝單元”。由基礎構件完成的模型才能同時符合設計和施工的要求。部分構件和模型見圖2。
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基礎構件必須要有軟件進行統一管理，使得創建過程符合統一的質量審核流程，保證創建的構件符合規范要求。
4.2 構件編碼規則研究
根據族構件的系統性、兼容性、可擴充性、穩定性分類原則，對族構件的編碼規則進行了研究，為使族編碼具有唯一、簡明、規范、便于檢索的特點，經過多次討論研究提出了編碼規則，便于計算機進行統一管理。
4.3 BIM交付標準研究
經過和施工單位多次溝通、交流、研討，在充分了解施工期間的模型應用需求和附屬信息格式的基礎上，研究了以 “最小施工單元、最小安裝單元”為基本構件，滿足施工單位基于BIM模型進行的施工進度、質量、安全管理需求的交付標準。交付的模型必須滿足如下需求：
(1)能夠進行3D查看、旋轉、剖切、量測等，傳遞完整的幾何信息及附加的設計信息(例如工程數量)等。
(2)參與項目建設的單位能夠在模型上增加新的屬性信息。
(3)各種信息能夠方便讀取，以供各方使用。
(4)能夠添加時間參數，形成4D模型，完成施工步驟演示，人工、機械等費用計算。
(5)設計單位根據需要能夠修改模型，如變更設計。
(6)模型中附加的工程數量信息根據需要可由設計單位修改。
在科研項目中，采用了Autodesk公司的NWC格式作為交付模型的基本格式。交付標準需要在實踐基礎上通過進一步研究來完成。圖3為十岔溝中橋整體模型、清涼山隧道整體模型(包含1號、2號斜井模型)。
4.4 模型應用研究
(1)方案的匯報展示。利用BIM模型可準確反映建筑物的情況，方便制作渲染圖及漫游動畫，形象生動地進行設計方案的匯報展示(見圖 4)。
(2)二維出圖、算量。在三維BIM模型的基礎上研究提出二維圖紙的解決方案。對模型在Revit中的剖切、標注、字體、工程數量統計、圖框模板的定制進行了深入研究。目前已經能夠快速生成橋梁、隧道專業的工程數量表及部分二維圖紙。
(3)施工過程及工法4D模擬。利用十岔溝中橋的BIM模型，在 NavisWorks中導入施工步驟及計劃工期信息，模擬橋梁的建造過程;以清涼山隧道中最復雜的施工方法——三臺階臨時仰拱法為研究對象，完成了三臺階臨時仰拱法的4D施工模擬。
(4)地形模型應用。利用地形模型點擊任意點自動標注徑流方向、圈繪出匯流面積，大大簡化外業的水文圈繪工作;利用地形模型能夠簡單方便地完成如橋臺等放坡開挖，準確標識并計算出工程數量。(5)碰撞檢查。建立了高速鐵路12 m寬橋梁結構和橋上附屬結構BIM模型，通過碰撞檢查，發現接觸網下錨柱基礎與聲屏障干擾、拉線基礎與橋梁遮板干擾，研究解決方案，編制《高速鐵路12 m梁寬橋上聲屏障安裝標準圖》BIM模型，并以 BIM模型進行技術交底(見圖5)。
(6)指導實習與培訓工作。為某職業技術學院隧道實訓基地開展關于隧道技術的BIM應用研究。隧道實訓基地建筑長90 m，寬 32 m，包括各種施工工法的開挖、支護、綁扎鋼筋、架設鋼架、安裝模板、防水板安裝、預埋件、拱墻仰拱混凝土澆筑、施工縫防水做法、監控量測、洞門施工、邊坡防護等內容，采用BIM 應用指導實習過程，收到了良好效果。
在新員工培訓過程中，通過BIM形象展示施工過程及場景，改變了以往文字加圖片的說教方式，極大地提升了新員工對設計技術及施工過程的理解能力。
4.5 協同設計研究
BIM設計的專業之間、專業內協同工作非常重要，可以最大限度地避免以往設計中的差、錯、漏、碰等問題，協同設計是BIM重要的理念之一，通過及早發現和解決沖突，從而避免在施工期間的變更設計、返工等問題，達到降低造價、縮短工期、提高工程質量的目的。針對西成線橋隧工程，進行了航測、地質、橋梁、隧道、接觸網、環保、通信信號等站前站后多專業的協同設計研究(見圖6)。
4.6 科技研發工作
從常規的2D設計轉為BIM設計，需要一個長期的過程。以往在2D狀態下的專業設計軟件以及管理系統，都要逐步進行過渡。部分已經完成或正在進行的研發項目如下：
(1)基于Revit族的隧道模型拼裝系統：以Revit族為基本單元，通過路徑設定和選定的基本族單元，自動拼裝完成隧道整體模型，極大地提高了建模效率，同時克服了用基礎族在曲線上拼裝產生的問題(見圖7)。
(2)BIM族庫管理系統：對各專業基礎族庫分權限、分角色進行管理，保證族庫內容的有效性和動態管理(見圖8)。
(3)基于BIM的鐵路空間信息系統：以GIS為基礎，對BIM進行融合，實現全線各工程的整體管理，為運營提供管理手段(見圖9)。
5 結束語
目前，BIM在鐵路建設中的應用主要以設計過程和施工過程為主。就這兩個環節而言，交付標準依然是最為迫切的研究內容。盡管BIM在應用推廣過程中還存在諸多問題與困難，例如基礎平臺的不完善、地質信息與模型的互動、地理信息與海量數據的處理等，但隨著中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯盟強有力地推動，BIM的推廣應用一定具有更加廣闊的發展前景。——論文作者：魏州泉
6/參考文獻
[1] 清華大學BIM課題組，互聯立方(isBIM)公司BIM課題組. 設計企業BIM實施標準指南[M]. 北京：中國建筑工業出版社， 2013.
[2] 清華大學BIM課題組. 中國建筑信息模型標準框架研究[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.
[3] 秦軍. Autodesk Revit Architecture 201X建筑設計全攻略[M]. 北京：中國水利水電出版社，2010.
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