BIM技术在国内城市轨道交通工程中的应用现状研究

随着国内经济快速发展，对于基础设施的投入也越来越多，尤其是城市轨道交通的建设正计划性地蓬勃发展，同一时期BIM技术也在工程界革命性地推广。国内很多企业开始尝试将BIM技术引入轨道交通建设中，本文通过综述国内在城市轨道交通各阶段的BIM应用，详细讨论了城市轨道交通设计、施工、运维阶段的 BIM 应用现况，并提出国内目前轨道交通BIM发展的未来趋势。

一、引言

近年来，国内在城市轨道交通的建设中，呈现出计划性的拓展浪潮。2017年3月印发《“十三五＂现代综合交通运输体系发展规划》中指出交通运输发展到2020年，要求基本建成安全、便捷、高效、绿色的现代综合交通运输体系，部分地区率先实现交通运输现代化。政策强调未来高速铁路覆盖80%以上的城区常住人口，城市轨道交通运营里程比2015 年增长近一倍，至2020年，城市轨道交通将扩展到79个城市，规划总里程1.4万公里，远景设想总规模3万公里左右。与此同时，国内推行的“一带一路＂战略为轨道交通产业发展带来了新契机。城市轨道交通作为国内重点工程、国家代表工程，更是肩负着示范作用。国内各大企业也在政策支持下，纷纷将市场扩展向边境国家以及“一带一路＂沿路国家。整体而言，国内城市轨道交通建设呈现出规模化快速扩张、多制度式结构协调发展、网络化统筹运作、集约化资源共享的发展趋势。

二、BIM 技术的快速发展

工程建设蓬勃发展的同时，建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）也在国内工程界被积极的推动。在新一轮科技革命和产业变革背景下，BIM的出现为工程界整合新技术的实现带来了可能。BIM 是涵盖工程信息、互联网与可视化的整合集成，为工程规划、设计、施工及运维等环节提供“模拟和分析＂的统一科学协作平台，通过运用三维数字模型对项目进行分析与管理达到质量与安全的保证，最终高效地完成工程要求。由于BIM所带来的巨大好处，《2016-2020 年建筑业信息化发展纲要》发展目标中提出各大企业需增强BIM、大数据、 智能化等信息技术集成应用能力。交通运输部明确提出《推进智慧交通发展行动计划（20172020 年）》在基础设施智慧化方面的要求：推进建筑信息模型（BIM）技术在重大交通基础设施项目规划、设计、建设、施工、运营、检测维护管理全生命周期的应用，大幅度提升基础设施建设和管理水平。国家政策的大力推动下，各地也相继出台政策予以支持、鼓励BIM的推动，有些地区规定强制使用BIM技术，如成都市就将采用BIM技术作为施工图审查合格与否的强制要求。BIM时代的来临，城市轨道交通工程作为国家重点工程、代表工程，将BIM技术整合应用于城市轨道交通工程是必然趋势。同时从国际先进发展趋势中可知，将先进信息化、智能化技术与 BIM 相结合，应用于城市轨道交通全生命期创造更大附加价值，也是各国致力研究和攻克的方向。

三、BIM技术在国内城市轨道交通工程各阶段的应用

BIM在城市轨道交通工程全生命周期应用中涉及规划、设计、施工、运维和拆除等五个阶段，目前在城市轨道交通工程对于BIM技术的应用主要在设计、施工和运维阶段。

3.1 设计阶段的应用

城市轨道交通的生命周期一般长达数十年甚至上百年，相对来说其设计阶段的时间很短，但影响却是最为深远的。纵观整个建设项目，设计阶段的投资只占建设项目总投资的2到5个百分点，却决定了该工程项目75%以上的内容。这是由于设计时间位于整个轨道交通生命周期的前端，是整个建设项目信息大量生成的阶段，设计质量的良莠不齐不只影响到整个工程的投资造价，更影响到完工以后长时间的运维使用。

由此，对于 BIM 技术在设计阶段的应用最早也最为广泛。

在规划设计阶段，北京城市轨道交通大兴线工程韩园子站就采用一体化设计，通过BIM的三维模型和地面 仿真技术将周边用地规划、公共交通衔接、商业设施开发等因素相结合，实现地上地下一体化设计；张邻研究整合BIM 与GIS，通过数据转换将BIM模型导入GIS平台中，利用Civil3D、Radiance和 Ecotect Analysis 等软件进行场地自然条件的模拟来分析场地的选址情况。

在城市轨道交通设计中还需考虑线站比选、交通疏解和管道改迁。选线设计中，西南交大易思蓉教授团队提出了一种多源空间信息集成的选线系统虚拟地理环境建模方法，通过对地质不良区域对象与三维地形表面融合建模方法的研究，将不良地质对象信息向量边界识别、栅格图像融合和动态属性提示的方式进行建模，实现了轨道交通选线系统中不良地质资讯的动态交互式三维影像表达，有助于辅助选线工程师开展环境选线、地质选线；城市轨道交通多数在城市施工，施工过程中必将对城市交通产生影响，深圳地铁施工前就通过BIM技术设计模拟施工中交通疏解方案，通过对比选择对环境影响最小的方案；国内很多城市地铁设计中开始普遍应用BIM技术进行管道改迁，如上海地铁9 号线、青岛地铁1号线等将规划线路及月台与周边建筑、地形、市政设施进行综合协调，统计管线搬迁工作量，预先控制了风险，提高了项目协调效率，获得了明显的效益。

除以上应用外，很多建设企业也开始了协同设计、碰撞检查以及轨道交通沿线景观的快速建模等应用。碰撞检查是BIM带给建设单位最直接的效益，通过BIM三维建模，可在设备安装之前先进行各专业之间及专业内部的管线碰撞检查，提前发现设计可能存在的碰撞问题，减少施工阶段因设计疏忽造成的损失和返工工作，提高施工效率和施工质量；王永义等人研究探讨了BIM协同设计在设计、施工和管理中的价值，并在客运项目中落实实施，取得了良好的效果；考虑到用 BIM进行城市轨道交通三维线路设计的需求，吕希奎等人研究基于Google Earth 软件批量获取城市空间坐标数据和数字正射影像图，构建城市三维地形。并采用 skyline 软件的二次开发技术，集成城市三维地形和各种建筑物三维模型统一，实现了城市景观的快速建模。

3.2.施工阶段的应用

随着国内对城市轨道交通BIM理念的不断深入，BIM技术在施工实践中也逐渐开始展现优势。轨道交通工程涉及多种专业的协同与整合，在施工过程中常面临特殊的地质与环境状况，加上工期紧、工区小、参与单位多，增加了施工管理的难度。当前，城市轨道交通的施工管理面临精细化发展的变革，大量信息数据需要及时处理分析，进而为管理提供决策支持，这将推动施工管理由传统的流程化管理模式向数字化管理模式转移。

基于国内对于施工阶段的BIM需求，其应用实践也逐步开始展开。在上海轨道交通13号线施工中，工程师蔡蔚组织团队对BIM软件进行二次开发，将3D模型与时间，资源相结合形成5D 管理，自动输出每个施工节点的工程量从而有效地管控成本；清华大学张建平团队则基于4D施工资源信息模型研究开发了4D施工资源管理系统，说明施工管理者即时掌握工程量的计划完工和实际完工情况，做到对施工成本的动态监控。

安全、质量和进度是城市轨道交通施工过程中关注的重点。刘丽娜等人将 4D-BIM 技术引入石家庄地铁1 号线建设中，实现施工过程的可视化动态管理，并提出基于4D-BIM 的轨道交通项目施工进度风险预警模型，说明施工方及时发现施工中可能存在的问题，以便提前制定预防措施优化施工方案，从而提高城市轨道交通项目管理水平和进度控制能力；对于安全和质量的控制，王荣权等人研究轨道交通施工过程中对基坑及对周边环境影响的监测监控问题，通过研究控制监测范围、对象、布点、控制值和监测精度指标等来有效降低施工风险；长沙地铁3号线利用BIM技术“透视＂施工过程，保证项目在道路下方施工的顺畅， 使车站与原有地下商业空间无缝对接，提高施工质量，节约成本；在轨道交通实际施工中常常需要采用一些重难点施工方案和特殊施工工艺，为保证施工效果，部分企业已经开始运用BIM三维模型进行仿真模拟，找出方案中的不足进行修改，并在施工过程中，给施工操作人员进行可视化交底，降低施工难度，做到施工前的交底有的放矢，确保施工质量与安全。

3.3.运维阶段的应用

在城市轨道交通生命期中，运维阶段占据了绝大部分。从成本分析的角度来看，设计和建造成本只占到了整个建筑生命期费用的20%至30%左右，而运营维护费用却占到了全生命周期费用的67％以上。此外，运营阶段更是直接面对民众，承担民众生命财产安全，以及评价城市轨道交通建设是否发挥预期功能的关键阶段。虽然国内轨道交通建设如火如荼，但是大规模建设过程中对于BIM技术在后期运维管理的应用相对较少。

城市轨道交通运维管理中涉及机电、通信、车辆安防等诸多专业，各个专业都有各自的管理系统研究，如华东院王荃针对综合安防系统的故障特点，提出了可供选择的容灾容错管理模式，以提高轨道交通运营调度管理水平；李可可等人针对传统轨道交通空调系统冷水机组制冷量过剩、冷冻和冷却水流量无法自动调节等问题，设计了一种新型节能控制系统，分析车站冷负荷变化规律，对系统进行集中监控，从而降低耗电量；中铁第四勘察设计院韩冶结合电能计量及能源管理系统的设计方案，阐述城市轨道交通中电能计量的一般设计方法和存在的问题，并在此基础上研究能源管理系统在城市轨道交通中的应用方案，从而降低运营成本，提高能源利用效率。以上应用研究虽都取得良好效益，但均未结合BIM 技术，若能结合BIM 技术充分利用 项目设计、施工中的大数据，集成各专业系统于一体化平台上必将给城市轨道交通运维管理带来巨大效益。上海交大赖华辉等人通过调研上海轨道交通运维管理的模型交付需求，结合轨道交通BIM模型的建模经验，研究分析BIM 模型的建模对象及其属性信息，提出轨道交通 BIM 模型的交付标准，以便利运维管理模型的应用； 冯延力通过研究国外Archibus等FM（设施管理）管理系统，提出基于BIM的设备设施运维管理系统；在实际工程中，武汉地铁和成都地5号线已在项目实施阶段中定义地铁运营维护管理系统需求，并设计空间管理、设备管理、安防管理和工单管理等功能模块，建立基于BIM的云端地铁运营维护管理系统，达到永续经营目的。

四、城市轨道交通全生命周期的应用

综上，国内在城市轨道交通工程建设中已逐步引入 BIM 技术，并广泛渗透入建设周期中的各个阶段。表1 为上文所提及的国内轨道交通应用现况：

表1：国内轨道交通各阶段应用现状

但是，BIM的应用应该是贯穿轨道交通全线和全生命期的，其庞大的信息数据才能得到合理地利用。而由于国内目前尚没有针对轨道交通统一的BIM应用标准，城市轨道交通的设计、施工和运维又往往由不同单位执行参与， 所以以上BIM应用均属于各阶段的分散应用，当然国内也有企业在尝试集成各阶段应用，建立城市轨道交通全生命期管理平台，西南交通大学BIM工程研究中心联合中铁隆公司组建科研组，推进BIM 技术在重大交通基础设施项目规划、设计、建设、施工、运营、检测维护管理全生命周期的应用，提出四个＂BIM+＂，结合地理信息技术（GIS）、增强现实（AR）、 虚拟现实（VR）、物联网科技（IoT）等最新技术，以平台化方式达到跨领域、跨地域、跨时间的高效整合，并导入云计算、大数据等动 态采集分析，以及人工智能（AI）技术在工程 管理中的预测与决策问题上深度应用。并且在四个＂BIM+＂的概念下，以城市轨道交通全生命周期的应用为实践方向，已经实现一体化平台，藉以解决轨道交通工程管理实务的信息共用与管理的目的。

五、总结

整体来说，在政策鼓励支持下国内的城市轨道交通与BIM技术发展迅速，国内政府与大部分企业都深知BIM 与轨道交通的结合应用是必然趋势，必须重视 BIM 技术应用点的突破、 统一完善轨道交通BIM 应用标准、加强BIM组织环境的建设、弥补系统化的缺陷，这将为国内基础设施建设甚至于“一带一路＂的政策执行提供强有力的支持。