作為國鐵集團BIM試點項目之一，牡佳鐵路開展了針對鐵路工程全線、全專業、全生命周期的BIM技術應用。在標準編制和驗證方面，藉助達索系統軟體已有的以「標準包-類型-屬性擴展集-屬性」為代表的信息結構,進行鐵路BIM標準的部署，並在本項目中完成了相關標準的編制和驗證工作；在全生命周期BIM協同應用方面，基於分布式伺服器方案搭建精細化模型應用管理平臺，使用達索系統ENOVIA模塊開展本BIM項目的人員、權限、任務、流程、交付管理，並通過基於「骨架-模板」方法的專業間引用、規範化的模型組織結構、基於ENOVIA平臺的上下序流程管理，實現了專業間協同設計；在BIM設計方面，以橋梁工程為例，為了提高效率，使用達索系統/CAA架構開發了構件批量建模程序，使用TEKLA/API開發了構件鋼筋建模程序；在施工應用方面，通過構建BIM虛擬場景並進行工序工藝虛擬仿真，能更加及時地發現方案存在的問題，從而提高溝通效率和安全管理質量。通過牡佳鐵路BIM項目的應用實踐，最終探索出一條從標準驗證、服務部署、協同設計到施工管理的全生命周期技術路線，並提供了系統性的BIM應用案例。
關鍵詞
BIM；達索系統；標準；平臺；協同。
為了驗證BIM在鐵路工程應用的技術路徑，探索BIM在勘察設計、建設管理和運營維護階段的全生命周期應用價值[1]，國鐵集團工程管理中心於2014年底指定了包括京瀋客專在內的17個BIM試點項目[2]。這些試點項目的成功開展，對鐵路行業的影響不只是技術層面，同時為參建單位培育了大批BIM研發和管理技術人才，並對更大範圍的BIM應用提供了技術、管理和人才支撐。
在此背景下，2017年，國鐵集團工程管理中心在牡佳鐵路布置了全線全專業BIM技術和信息化應用相關工作。該項目借鑑了已有BIM項目的成功經驗，在規範編制、程序開發、項目管理、施工應用等方面都取得了豐富的成績。
牡佳鐵路全長374.744km全線包含多處拱橋、大跨度連續梁、T構、道岔梁等複雜結構，按照國鐵集團推進鐵路建設信息化管理、全面提升鐵路「設計-施工-運維」管理水平的總體要求，在牡佳鐵路BIM項目中全面遵守鐵路BIM聯盟標準，創建了全線、全專業精細化BIM設計模型，實現了基於精細化模型的多參與方數據共享與協同工作，同時，通過BIM設計模型向施工階段的交付，在施工階段實現了BIM技術在深化設計、施工模擬、作業指導、預製加工等方面的應用。
本項目採用達索系統軟體作為主平臺並輔助一定的二次開發，達索系統軟體的CATIA模塊用於三維BIM建模，ENOVIA模塊用於項目協同管理。同時，使用TEKLA軟體作為在鋼筋BIM詳細設計工具。
在牡佳鐵路BIM項目開展過程中，同步進行了鐵路工程BIM標準的編制及驗證工作，作為本項目BIM應用主平臺，達索系統軟體使用如下圖所示的信息結構和術語來描述數據標準[4]：
圖1 達索系統3D體驗平臺數據標準架構
該數據標準架構由如下一些關鍵概念組成：
標準包（Package），是由一套對象類型和屬性定義組成的數據標準，例如數據存儲標準IFC即可視作一個標準包，一個BIM項目可同時應用多個標準包。
對象類型（Type）：表示一個具體的產品類別，一個標準包中通常包括多個對象類型，不同的對象類型之間還存在著兩種不同的相互關係：繼承關係，由父類型派生出子類型，例如從「橋」派生出「斜拉橋」和「連續梁橋」，這種關係中，父類型的屬性通常都會被子類型自動繼承。聚合關係，一種類型的對象是由其它類型裝配而成，例如「橋」是由「橋梁」、「橋墩」和「橋臺」裝配而成，這種關係中，裝配體和構件之間的屬性就未必相同。
屬性（Attribute）：對象的一種量值，例如長度、材質、重量等。
屬性擴展集（Extension）：為了便於應用，可以把一組相關屬性打包進行管理。例如，把設計階段用到的屬性打包成「設計信息」擴展集，而施工階段用到的屬性打包成「施工信息」擴展集，這樣就可以根據不同的應用場景快速在對象類型上加載所需要的屬性。用戶還可以根據如下具體情況自定義擴展集的行為特徵，例如：某個對象類型允許加載哪些擴展集？在創建對象時預設加載哪個擴展集？創建之後可以加載/去除哪些擴展集？根據不同的條件自動加載/去除擴展集。
圖2 在達索系統軟體中部署的鐵路工程IFC對象類型
如上圖所示，通過上述機制，預先在達索系統軟體通過自定義的方式部署了中國鐵路BIM數據存儲標準包，即CR-IFC標準，以及鐵路工程BIM分類和編碼標準，及CR-IFD標準[5]。一旦用戶創建了某個類型的對象，系統就會自動按標準為之配置屬性。同時，如下圖所示，使用達索系統EKL腳本語言，將模型中的設計參數與構件屬性關聯，從而在BIM設計過程中，構件屬性值自動根據參數計算出來。最終在牡佳鐵路BIM項目中成功實現了鐵路BIM標準的編制和驗證。
圖3 通過EKL腳本語言定義從參數到屬性的映射關係
牡佳鐵路BIM項目，是一個全線、全專業、全員參與的系統性BIM應用工程，採用「建設單位主導，各參與方協同工作」的實施組織方式，各參與方都組建了自己的BIM實施團隊。在這樣一種組織背景下，本著「施工模型宜在設計模型基礎上創建」的原則、同時為了滿足牡佳鐵路BIM應用各參與方精細化模型數據共享和協同工作的需要，本項目採用「基於網際網路信息共享技術架構、分布式部署伺服器」的方案，搭建了牡佳鐵路精細化模型應用管理平臺。
圖4 牡佳鐵路BIM應用管理平臺部署架構
本應用管理平臺架構如上圖所示，在建設單位哈牡公司部署主伺服器，三維管理平臺、軟體資料庫等部署在主伺服器上，各參建標段各自部署1臺文件伺服器，用於存儲圖形文件。各標段客戶機在從事BIM建模、應用等工作時訪問各自的文件伺服器；各標段文件伺服器每天定時向公司主伺服器同步相關BIM模型數據；各標段在三維管理平臺上從事相關工作時直接訪問主伺服器。
ENOVIA作為達索系統平臺下的分支模塊，在牡佳BIM項目中，與作為虛擬設計核心引擎的CATIA模塊一起實現了鐵路工程全生命周期解決方案。
由於本項目涉及到站前、站後多個專業，專業間存在上下序工作流程銜接、專業內存在工作任務分配的問題，同時，人員權限也需要合理配置，以規範對中間成果的管理，除此之外，尚需一種嚴密的審核與交付機制以確保最終產品的質量，而所有這些潛在風險都可以通過ENOVIA規避。ENOVIA採用樹型逐級分解的任務管理模式，各節點的負責人都有創建子任務和分配子任務的權利。根據WBS標準分解本BIM項目的工作任務，以專業、標段作為頂層分解原則，下層具體任務節點包括骨架、模板、建模、專業間發布、審核等，並為每項工作任務分配了具體的責任人。基於ENOVIA的工作任務分解界面如下圖所示。
圖5 ENOVIA 平臺各專業工作任務分解
ENOVIA平臺使得牡佳鐵路BIM項目的總體進度得到了有效控制，完整記錄了項目開展全過程的工作、交付、版本和審批流程，各參與人員能第一時間發現並整改項目開展過程中的問題，避免了常規管理方式中經常出現的工作反覆現象。
牡佳BIM項目通過三個主要步驟實現了專業間協同設計：基於「骨架-模板」方法的專業間骨架引用；規範化的模型組織結構；在ENOVIA平臺進行上下序工作流程管理。
「骨架-模板」是在達索系統平臺開展BIM設計時常用的方法。這種方法將BIM模型的某些關鍵元素作為建模基準，這些關鍵元素就被稱為骨架，此方法既省去了傳統機械設計中的裝配操作，實現結構單元的定位，又通過基於骨架的結構單元實例化，在指定關鍵元素的同時確定單元邊界，提高了鐵路工程結構BIM建模的效率，同時實現了BIM模型對骨架自適應。
鑑於「骨架-模板」的優勢，以往的鐵路工程BIM項目專業內建模實踐中廣泛採用了這種方法，牡佳鐵路BIM項目將此方法擴展應用到了專業間協同設計領域。通過上序專業發布骨架元素、下序專業參考引用的方式，結合達索系統軟體內含的自動響應機制，當上序發布的骨架發生調整後，下序專業自動更新，從而實現了專業間BIM協同設計。
由於鐵路工程具有點多線長，數據量龐大的特點，如果對如此龐大的模型缺乏有效的組織管理，在通過骨架驅動和模型引用實現協同設計的過程中容易造成引用關係上的死循環，除此之外，規範化的模型組織結構也是提高BIM設計效率和保障模型順暢交付的基礎，因此，有必要對海量鐵路工程BIM數據在平臺中進行層次分明的組織，從而實現BIM價值的最大化。出於上述需求，牡佳鐵路BIM項目在IFC、IDM和IFD這三種標準研究成果的基礎上，開展了鐵路BIM工程結構分解標準的編制和驗證工作。
圖6 橋梁BIM工程結構分解標準
鐵路站前站後工程的BIM模型組織原則不同，站前工程模型按設計單元組織，其中橋梁專業BIM工程結構分解標準如上圖所示，站後工程模型按照系統進行組織，在滿足系統完整性前提下設計工點儘可能細分。站前工程設計單元以線下單體工程分，即以路、橋、隧、站進行劃分，軌道工程最小結構單元（板單元）可以跨越單元邊界。站後工程以最小系統單元進行劃分，如某站室外給水、汙水分別為一設計單元。按此原則，標段1的總裝結構樹如下圖所示：
圖7 牡佳鐵路標段1總裝配結構樹
通過梳理傳統二維設計上、下序資料，本項目對BIM環境下的專業間上下序工作流程、資料內容和接口形式進行了研究。各專業通過ENOVIA協同設計管理平臺，向上序專業提出要求，根據這些要求，各專業在進行BIM設計時，以點、線、面、實體、坐標系等形式，按照BIM工程結構分解標準，在規定的節點位置為下序專業預留相應骨架。下序專業同樣根據BIM工程結構分解標準，到上序專業模型結構中按需索引骨架元素，開展本專業BIM設計。如橋梁專業按照接觸網專業要求為其預留坐標系，作為接觸網立柱的定位骨架，如下圖所示。
圖8 橋梁專業為接觸網專業預留的立柱定位骨架作為牡佳鐵路BIM項目的主平臺，達索系統軟體最初是機械、航空領域的專業設計工具，與它們相比，鐵路工程具有構件數量更多、幾何造型更簡單的特點。以往的其他鐵路BIM項目在開展工作時大多借鑑機械、航空行業的手段，使用「骨架-模板」方法，通過達索系統action功能批量實例化橋梁構件，這種方法在某種程度上雖然實現了批量建模，但是存在建模效率低、內存負荷嚴重的缺陷。
針對上述問題，在牡佳鐵路BIM項目中開發了一系列的橋涵工程建模工具，覆蓋了連續梁、框架涵、橋墩、基礎等多種常用構件，這些工具嵌入到達索系統軟體內部，使用達索系統/組件應用架構(component appljcation architecture，CAA)二次開發語言實現，用戶交互界面友好、建模效率高、內存消耗低，確保了牡佳鐵路BIM項目的成功實施。
從開發方法來看，這些建模工具分為特徵封裝方法、模型參考實例化方法兩種。
特徵(feature)是達索系統軟體向用戶開放的基本可操作元素，通過輸入坐標值生成的點和通過輸入首尾端點生成的直線都是特徵。本方法就是將構件封裝為特徵，封裝後，這些構件以設計過程中的參數和骨架為輸入，建模過程對使用者不可見，從而在滿足骨架驅動和幾何構造的前提下大幅度降低了內存佔用，連續梁、框架涵、基礎這三種構件建模工具的開發即採用此種方法[6]，如下圖所示。
圖9 連續梁BIM建模工具操作界面
模型參考和模型實例是達索系統軟體的兩個重要概念，在達索系統中，模型按照樹形結構組織，結構樹的每個節點代表一個模型實例(Instance)，模型參考(Reference)是模型實例的來源。一個模型參考對應多個模型實例，各模型實例可在不影響模型參考的前提下修改其幾何空間位置。在資料庫中，只有模型參考佔用內存空間，真正佔用建模時間的也是模型參考的生成過程。
本方法就是利用實例和參考的上述特點，首先使用達索系統軟體自帶的Component Family模塊在伺服器中創建模型參考。再使用CAA開發出批量建模程序，本程序的運行是一個循環的過程，在每一個循環體當中，從伺服器索引出所需的模型參考並生成模型實例、修改實例的幾何空間位置至與定位骨架重合，從而快速完成全橋構件實例化。
橋墩建模工具的開發即採用此種方法[7]，批量創建的橋墩BIM模型如下圖所示。由於橋梁設計是一個反覆修改優化的過程，同一種型號橋墩被重複利用的情況非常普遍，採用本建模工具，使用者在準備階段為每一種型號的橋墩生成一個模型參考，在設計開展過程中僅生成模型實例，多次循環不會產生內存垃圾，有利於資料庫的維護和建模效率的提高。
圖10 連續梁BIM建模工具操作界面
與混凝土主體結構相比，鋼筋模型的內存佔用巨大，而目前的硬體環境還不支持創建與全線混凝土結構規模相匹配的鋼筋模型，因此，牡佳鐵路BIM項目僅針對施工及運維階段的重點應用需求，開展部分關鍵橋梁構件的鋼筋BIM設計。
經過研究，本項目選擇TEKLA作為鋼筋建模程序，同時，為了提高BIM建模效率，在牡佳鐵路BIM項目中，使用C#語言，調用TEKLA鋼筋建模API，分別針對簡支梁、連續梁、橋墩、框構等橋梁構件開發了專用建模工具[8]，這些工具讀入參數文件後，可以批量生成符合鐵路工程標準的鋼筋混凝土構件BIM模型。其中，使用簡支梁建模工具生成的鋼筋混凝土BIM模型如下圖所示。
圖11 簡支梁鋼筋混凝土結構BIM模型
施工建造是一個處於複雜環境的動態過程。傳統模式下，對施工過程可能產生的碰撞與幹涉，往往需要依靠工程師豐富的經驗來進行判斷。藉助BIM技術可構建虛擬場景並進行施工現場地形地貌、施工安全風險信息查詢以及施工過程中的工序工藝虛擬仿真，與傳統方法相比，能更加及時地發現存在的問題，提高溝通效率，顯著提高施工組織和安全管理質量。
在牡佳鐵路施工中，利用BIM技術的可視化與可模擬性等特點，針對複雜的重、難點工程，提前預測施工中可能會遇到的幹涉與碰撞問題，輔助決策。
牡丹江特大橋T構梁位於牡丹江火車站咽喉區。其門式墩上跨既有鐵路線，兩側一側為河堤，一側為既有火車行車線。在如此複雜的施工環境下，機械設備的選型、進場路線和站位規劃，以及施工過程中設備與周圍構築物的幹涉都會關係到方案能否順利實施。因此，對本工點開展了基於BIM技術的虛擬仿真。
先通過無人機傾斜攝影採集了T構梁附近的點雲數據，使用實景建模技術創建環境模型，並將設計交付的BIM模型和環境模型同時載入到Autodesk Navisworks軟體疊加。施工工程師在Navisworks模型上測量與施工相關既有構築物的間距，擬定合理的施工方案(一個或多個)。最後依照施工工程師擬定的施工方案，在Navisworks軟體中進行施工過程仿真，如下圖所示，驗證方案是否存在幹涉與碰撞，確定最優解決方案。
圖12 複雜環境下基於BIM技術的門式墩施工仿真分析
牡佳鐵路BIM項目在標準編制、協同應用、建模工具開發、施工應用等方面開展了全生命周期BIM相關工作，取得如下幾項成果。
（1）利用達索系統軟體自身具備的「標準包-類型-擴展屬性集-屬性」多層次數據標準架構和EKL腳本語言，在本項目成功開展了鐵路BIM標準的編制和驗證工作。
（2）為了滿足牡佳鐵路BIM應用各參與方精細化模型數據共享和協同工作的需要，本項目採用分布式部署伺服器的方案，搭建了精細化模型應用管理平臺。依據WBS原則，對工作進行任務分解，使用Enovia開展包括人員、權限、任務、流程、交付的多專業參與下的全生命周期管理。通過以下三個主要步驟：基於「骨架-模板」方法的專業間骨架引用、規範化的模型組織結構、在Enovia平臺進行上下序工作流程管理，使得牡佳BIM項目最終實現了專業間協同設計。
（3）使用達索系統CAA架構，開發了覆蓋連續梁、框架涵、橋墩、基礎等多種常用構件的橋涵工程系列建模工具，確保了牡佳鐵路BIM項目的成功實施。基於TEKLA軟體使用C#語言開發的鋼筋混凝土構件BIM建模工具，提高了鋼筋混凝土結構BIM設計的效率。
（4）位於牡丹江火車站咽喉區的門式墩上跨既有鐵路線，本項目藉助BIM技術構建虛擬場景並進行施工過程虛擬仿真，顯著提高了施工組織和安全管理質量。
齊成龍（1986-），男，國家一級註冊結構工程師，中國鐵路設計集團有限公司高級工程師。同濟大學工學學士、工學碩士，臺灣逢甲大學財務金融研究所交換生，於各類期刊、會議發表中、英文學術論文30餘篇。擁有極其豐富的鐵路工程勘察設計及BIM技術研發應用經驗。
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達索系統大土木工程BIM技術推進聯盟
達索系統聯合長江勘測規劃設計研究院、黃河水利委員會黃河勘測規劃設計有限公司、中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司、貴陽勘測設計研究院有限公司及西北勘測設計研究院有限公司共同發起成立了「達索系統大土木工程BIM技術推進聯盟」。聯盟在知識經驗上，共享先進技術達成各自生產力的共同成長；在管理上，推進先進技術對管理方式進行創新。