铁路自主BIM技术研究与应用进展

BIM理念最早由美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）数字化建造实验室主任Chuck Eastman教授提出。2007年，BIM技术进入中国设计领域，典型工程项目包括上海世博会国家电网馆、天津中钢大厦、深圳机场扩建。2011年5月10日，住房城乡建设部发布的《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》明确指出：加快推广BIM技术在勘察设计、施工和工程项目管理中的应用，改进传统的生产与管理模式，提升企业的生产效率和管理水平。与建筑行业相比，铁路BIM应用起步较晚。2013年12月17日，中国铁路BIM联盟在北京成立，无疑是这场技术革命的重要里程碑！回顾铁路BIM技术的发展历程，可将其大致划分为启动期、集中推动期、分头探索期3个阶段。

（1）启动期：2013年，这一年原中国铁路总公司确定将BIM作为铁路工程建设信息化的主要技术发展方向，成立了中国铁路BIM联盟（以下简称“联盟”），启动了BIM标准体系的前期研究工作，提出了《中国铁路BIM标准体系框架》。

（2）集中推动期：2014—2018 年，这一阶段联盟加入了buildingSMART，组织行业共同制定发布了《铁路工程信息模型分类和编码标准》等BIM系列标准；2014年分别启动了宝兰客专石鼓山隧道和渝黔铁路新白沙沱大桥的BIM试点工作，2015年持续安排了16个铁路BIM试点项目，其中包括京张铁路新八达岭隧道、深茂铁路潭江特大桥、哈佳铁路路基（4.96km）等。

（3）分头探索期：2019—2021年，这一阶段联盟承担了国际铁路BIM标准制定任务，目前IFC4.3处于征求意见稿状态，预计2022年7月成为bSI正式标准；铁路各设计院根据自身发展需要，开展了多个铁路项目全段落的BIM设计及应用探索。例如：中国铁路设计集团有限公司（以下简称“中国铁设”）承担的广湛高铁，中铁第一勘察设计院集团有限公司（以下简称“中铁一院”）承担的西十高铁，中铁二院工程集团有限责任公司（以下简称“中铁二院”）承担的CZ铁路等。

为保证铁路BIM信息模型能够在工程全生命周期内有效共享和传递，联盟加强铁路BIM标准的研究和编制。在联盟的组织下，中国铁设杨绪坤等于2014年1月完成并发布了《中国铁路 BIM 标准体系框架》，2014－2019年，在此框架的指导下，联盟组织各理事单位陆续编制并发布了15项铁路BIM标准，见图1。

     

图1  中国铁路BIM标准体系

2020年10月，《铁路工程信息模型分类和编码标准》等16项BIM标准在“全国团体标准信息平台”正式发布，成为合法团体标准。2017年，国家铁路局启动了行业BIM标准TB/T 10183—2021《铁路工程信息模型统一标准》的编制工作，该标准于2021年3月发布，2021年6月实施。

软件是驱动BIM技术发展的重要因素。当前铁路行业以欧特克（Autodesk）、奔特力（Bentley）、达索（Dassault）等为代表的软件产品占据市场主导地位，北京构力科技有限公司（PKPM）、广联达软件股份有限公司（Glodon）、鲁班软件等实力较强的国内软件厂商也处于快速发展期，但与国外BIM商业软件相比尚有较大差距，见表1。

     

表1  国内外主流BIM相关软件

     

表2  BIM典型项目应用

铁路BIM标准的陆续出台，极大地推动了相关应用的发展，尽管如此，标准体系仍不完善。首先，《中国铁路BIM标准体系框架》技术标准部分（软件开发者）日渐完善，实施标准部分（工业实施者）尚有欠缺，国际铁路IFC标准处于单元测试阶段，测试报告正在编制中，IFC4.3标准最终版还未正式发布；其次，技术标准需要设计软件的验证与支撑，仅依靠人工执行难以真正落地。以上因素直接或间接地影响了BIM技术在铁路工程中的深化应用，制约了铁路BIM的进一步发展。

基础软件平台依赖国外，成熟度不足

人才缺口制约应用发展

2019年9月19日，中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》提出， 鼓励交通行业各类创新主体建立创新联盟，建立关键核心技术攻关机制。2020年8月13日， 国铁集团正式发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，提出到2035年，铁路科技创新体系健全完善，关键核心技术装备自主可控、先进适用、安全高效，智能高铁率先建成，智慧铁路加快实现。2021年10月9日，《智能高速铁路2.0科技攻关方案(征求意见稿)》已将研发铁路工程自主智能三维集成设计系统列入攻关推进计划。

近几年，在国家重大科研专项引导下，国产化图形平台快速发展，具备了基本的数字化设计能力，设计数据协同管理技术也有了新的突破，为研发面向铁路行业的自主BIM软件，提供了理论基础和技术支撑。

在国家政策的鼓励和支持下，中国铁设整合资源、集中优势、全力攻坚铁路自主BIM关键技术，于2021年1－6月对图形平台和协同设计平台展开了全面调研。调研对象包括中铁一院、中铁二院、中铁四院、中铁设计等，构力科技、广联达、中望等软件厂商，见图2。为有效评估软件性能，以便于后期做出针对性的优化改进，根据《中国铁路BIM标准体系》和主流BIM软件应用经验，提出国产BIM平台技术能力评价标准，见表3。

     

图2  2021年铁路自主BIM调研历程

     

     

表3  技术能力评价标准

1、基本原则

根据铁路工程的特点和设计需求，中国铁设组织相关人员对BIMBase平台进行了功能测试和二次开发测试，主要包括三维几何建模、图形渲染、软件开发工具包（SDK）等；此外，还对平台的用户界面、规范性、安全性和易用性做了相应测试。所有测试的标准均建立在铁路建设标准规范和设计人员需求之上，目的在于验证BIMBase是否可以作为铁路自主BIM软件的基础平台。鉴于构力科技正在加紧产品研发迭代，持续推出升级版本，最新的软件性能指标请以PKPM官方发布为准。

2、软硬件环境

1、三维几何建模

三维几何建模是指利用某种数据结构和算法实现几何形体的计算机内部表达，即通过对点线面等几何元素的数学描述，经过平移、旋转、缩放等几何变换和并、交、差等布尔运算，产生实际的或想象的物体模型。

考虑铁路为长大线性工程的特点，需要对BIMBase平台进行随机压力测试，并记录创建几何形体的时间、平均时间、资源占用。软件开发人员提供测试API和配置文件，通过逐一修改配置文件，生成几何形体数量从1~100万逐渐增多。

2、图形渲染

     

图3  图形渲染效率

     

图4  数据兼容性

二次开发功能

     

图5  BIMBase二次开发架构

     

图6 二次开发接口

铁路应用场景

     

     

     

       

     

图7   地形相关功能测试效 果

     

图8  空间曲线及百米标绘制

     

图9  桥梁构件效果

     

图10 隧道 构件效果

自中国铁路BIM联盟成立以来，BIM技术已经在业内得到了广泛的应用和发展，并取得了实质性进展。但是，我们必须清醒地认识到，目前铁路行业BIM仍以辅助性应用为主，尚未成为基础性应用，铁路BIM技术的发展之路任重道远。

一是BIM软件国产化。在《中国铁路BIM标准体系框架》下，铁路各单位应建立有效的沟通合作机制，避免“各自为战、重复建设”。发挥新型科技创新举国体制优势，突破几何引擎、数据引擎、渲染引擎等BIM关键技术，构建自主技术创新生态，打造铁路自主BIM软件，形成平台研发、行业应用的良性互动。

二是推动BIM在铁路工程全生命周期应用。依托CZ铁路、雄商高铁等工程建设，深化BIM技术的工程化应用，促进BIM应用覆盖勘察设计、建设管理、施工建造全过程，进一步释放BIM的效益和价值。