业主主导模式下bim技术在高速铁路建设项目中的实现与应用

中铁四局集团有限公司

业主主导模式下bim技术在高速铁路建设项目中的实现与应用

(哈牡铁路客专公司 中铁四局集团 中国铁路设计集团)

当今，信息技术已经成为产业进步和企业发展最强大的推动力和最重要的技术手段之一。为落实铁路总公司推进铁路建设信息化管理，推广应用BIM技术，全面提高铁路设计、施工及运维管理水平的要求，为牡佳铁路精品线建设创造条件，哈牡铁路客运专线有限责任公司在牡佳铁路客运专线全线、全专业开展BIM技术应用工作，成为第一家以建设单位为中心的BIM技术在铁路建设领域全生命周期应用的试点项目。

一、项目实施情况回顾

1、项目简介

新建牡丹江至佳木斯铁路客运专线由牡丹江站东侧引出，沿线经过牡丹江市、林口县、鸡西市、七台河市、桦南县、双鸭山市、佳木斯市5个地级市2个县级行政区。设计运行时速250km/h。线路全长371.644km，新建线路长度367.212km。其中：路基工程总长159.978km，占线路全长的43.57%;桥梁141座143.502km，占线路全长的39.08%;隧道共34座，长度63.732km，占线路全长的17.36%。

2、项目目标与范围

牡佳铁路的信息化及BIM应用，是在“数字郑万、智能京张”的经验基础上，以铁路BIM联盟标准为指导，以质量、安全管理为核心，以系统性应用BIM技术为支撑，以标准化建设为抓手，以专业服务采购与科研攻关为保障，探索数字化铁路、精品工程建设的新途径。据此提出旨在全面提升公司铁路建设管理水平，建成牡佳铁路精品工程的“精品工程数字牡佳”总体目标。

项目实施范围主要包括：(1)BIM技术在高速铁路设计优化中的应用研究;(2)BIM技术在高速铁路施工管理中的应用研究;(3)基于BIM+GIS技术的铁路工程建设-施工管理平台的研究。

3、项目实施意义

(1)系统性的BIM技术应用支撑精品工程创建的探索

牡佳铁路BIM应用是全线全专业的BIM应用，涉及设计、施工、建管、交付、运维多个阶段，包含业主、设计、施工、监理多个参与方。本项目实施BIM应用是在参照多条铁路BIM技术应用的基础上，系统性应用BIM技术的大胆探索，同时也为铁路工程建设单位组织实施系统性BIM应用、支撑精品工程创建提供可借鉴经验。

(2)对铁路BIM联盟相关标准的验证与完善

通过开展牡佳铁路全线、全专业BIM设计及应用、施工BIM技术实施、基于BIM技术的三维交付验收等工作，可以全面验证、完善铁路BIM联盟已经发布的相关标准，同时为基于BIM交付标准的编制提供依据。

(3)对“基于BIM+GIS的建设-施工管理平台”的探索

在现有铁路工程管理平台的基础上，结合建设单位的管理业务和施工过程管理需要，探索搭建“基于BIM建设-施工管理”平台，满足建设、施工、监理单位对铁路工程建设的信息化管理需求，为工程建设的精细化管理提供手段。实现工程施工建设期的实施控制信息与BIM模型的实时挂接。实验探索实现BIM模型的竣工交付、运维交付的方式和方法，为提升建设、施工、监理单位铁路建设管理水平提供实践经验。

二、重难点技术问题及解决方案

1、组织机构建设与制度保障

存在问题：高速铁路工程建设项目实施涉及多个参与方，主要包括建管、设计、施工、监理等多家单位，BIM应用协调、统筹管理难度大。如果不能形成统筹管理，各参与方单打独斗，将难以体现BIM应用价值，实现项目实施目标。

解决方案：

(1)组织机构建设

牡佳铁路BIM技术应用采取“建设单位主导、专业技术服务单位支撑、各相关方参与”的实施组织模式，以充分发挥BIM技术的最大效益和价值。

第一，在哈牡公司设立信息化管理办公室，负责牡佳铁路信息化与BIM应用管理工作。

第二，牡佳铁路工程招标之前，哈牡公司征得铁路总公司同意，将中标单位要“全面开展信息化管理和BIM应用”以及“施工、监理单位应配备信息化工程师的人数”等条款写入招标文件及合同专用条款中。

第三，哈牡公司通过招标确定了中国铁路设计集团为BIM设计应用服务提供单位;中铁四局集团为BIM技术应用咨询服务单位，与哈牡公司信息化管理办公室联合组成牡佳铁路建设BIM总协调方，负责牡佳铁路BIM及信息化技术应用的总体策划、资源协调、推进实施等工作;中国铁道科学研究院为“基于BIM+GIS的铁路建设施工管理平台”提供单位。

最终形成了以哈牡公司为主导;中国铁路设计集团、中铁四局集团、中国铁道科学研究院为专业技术服务团队;牡佳各施工单位、牡佳各监理单位为实施主体的BIM技术应用实施团队。

(2)建立制度保障

为落实工程信息化及BIM应用相关工作要求，哈牡公司结合工作实际，以哈牡客专工程【2018】37号《牡佳铁路信息化建设管理办法(暂行)》文件的方式，明确了公司各部门、各指挥部及参建单位工程建设信息化管理的职责。同时，配合出台了十多个制度办法，有效的支撑了信息化和BIM应用工作的推进。

由BIM咨询单位起草，哈牡公司审核，发布了牡佳铁路《“精品工程 数字牡佳”信息化及BIM应用总体实施方案》。通过该方案明确了牡佳BIM技术应用的实施目标，组织机构，实施内容，科研计划，保障措施等内容，成为牡佳铁路BIM技术应用实施的纲领性文件。

牡佳BIM总体实施方案等文件

2、设计模型创建

存在问题：牡佳铁路工程涉及路基、桥梁、隧道、站场、轨道、大临工程、站房、四电工程等多个专业，且线路全长达370km，如何快速创建满足《铁路工程信息模型交付精度标准》的牡佳全线全专业BIM模型是项目实施的难点。

解决方案：

牡佳铁路设计BIM模型由中国铁设集团创建，建模软件主要采用达索公司3DEXPERIENCE平台Catia软件。为保证模型准确、快速的创建，中国铁设集团主要采取以下措施：

(1)依照中国铁路BIM联盟发布的《铁路工程实体结构分解指南》对各专业模型进行合理划分，以结构树形式清晰表达工程结构分解，保障各专业模型的协调;

(2)采用“骨架线”建模思路，先约定工程结构树，再确定线路总骨架线及站场总骨架线，在总骨架上创建专业骨架线，各专业在各自的专业骨架线上建立模型。通过这种方式，确保了各专业模型空间定位的准确性，实现了各专业模型的协调创建。

模型创建思路

(3)采用达索CAA模块开发了多个快速建模工具，实现了模型快速创建和快速轻量化;

桥梁创建工具

(4)全线各专业BIM建模主要采用达索公司Catia软件，少部分采用Bently系列软件及Autodesk公司Revit软件，但都在统一的达索平台上进行模型整合。

整合后的牡佳铁路BIM模型

3、设计模型传递

存在问题：牡佳BIM技术应用涉及多方单位(哈牡公司、中国铁设、施工标段)且覆盖多个不同地理区域，如何传递设计模型，同时保证设计模型在各施工标段的同步更新是项目实施的难点。

解决方案：

牡佳项目首次通过异地分布式的方式对达索BIM系统进行部署，3DEXPERIENCE应用服务器、数据库服务器和主FCS文件服务器均位于天津，其他每个标段现场各部署一个分布式FCS文件服务器。

主服务器与9台标段现场FCS文件服务器数据同步，11台许可证服务器系统进行协同部署与管理。中国铁设于天津主服务器上传BIM交付模型，各标段与天津主文件服务器同步数据，可以大大提升标段现场施工人员打开模型及进一步深化模型的操作速度。形成了“基于互联网信息共享技术架构、分布式部署”的模型交付与共享协同机制。

分布式部署服务器架构

4、施工BIM应用人员培养

存在问题：BIM技术作为新理念和新技术，在铁路建设行业普及还属于初级阶段，各施工单位BIM技术应用能力良莠不齐，如何保证施工阶段BIM应用效果是本项目实施的重点。

解决方案：

为确保牡佳各施工标段能够更好的落实《总体实施方案》，由哈牡公司组织，BIM咨询单位承办，多次开展BIM技术应用相关的培训工作。培训在人员上覆盖了各施工标段BIM应用人员，内容上涵盖了无人机飞行与实景建模，达索软件建模，BIM应用讲座，3D作业指导书制作等。帮助施工单位培养了一批BIM人才，同时保证了牡佳铁路施工阶段BIM应用效果。

牡佳BIM技术培训

5、信息传递

存在问题：如何将设计、施工信息向运维传递，是应用BIM技术实现工程全生命周期管理的重要课题。

解决方案：

通过将设计IFC模型导入搭建的“铁路工程3D建设-施工管理平台”，形成牡佳铁路电子施工沙盘。利用平台功能，将设计信息(施工蓝图)和施工信息(施工影像资料、检验批、施工日志、工程属性)与对应模型进行挂接，实现了设计、施工信息向运维传递的数字交付探索。

工程影像资料在平台上与模型挂接

三、实施成果

1、建设管理成果

(1)在现有铁路工程管理平台V1.0的基础上，结合建设单位的管理业务和施工过程管理需要，由中国铁道科学研究院搭建“基于BIM+GIS技术的铁路工程建设-施工管理平台”。平台实现了可视化进度展示，设计、施工信息化与模型的挂接等功能，具有电子检验批、电子施工日志、拌合站管理、试验室管理等多个安全、质量、进度、成本、技术管理模块，为提升建设单位铁路建设管理水平、支撑精品工程创建提供实践经验。

平台电子沙盘进度展示功能

(2)根据铁路工程建设管理组织模式特点和信息化管理要素，以牡佳铁路建设信息化管理为依托，从BIM技术和信息化应用“招投标、组织机构、技术实施流程、各参与方职责”等多个方面，探索具体项目如何实施BIM技术、开展信息化管理工作。

2、设计优化成果

牡佳BIM设计是牡佳铁路“精品工程 数字牡佳”信息化及BIM应用总体方案的一项重要组成，为建设管理和施工深化应用提供基础数据模型，设计方为了高质量、高效率的在源头做好BIM应用的第一棒交接工作，以牡佳铁路为项目依托加大BIM设计研发投入，在以下6个方面实现了技术研究突破：

(1)首次实现在长大铁路项目上，完成全线全专业的铁路BIM协同设计，形成了370km包含铁路各专业的BIM设计模型，并成功导出具有设计信息的IFC模型。

牡佳铁路BIM设计模型

IFC文件导入第三方软件浏览几何及非几何信息

(2)支持铁路BIM技术标准落地，2018年10月16日，“牡丹江之佳木斯客运专线BIM设计”荣获2018年度bulidingSMART国际BIM大赛特别奖(Special Distinction)。奖项评价：很好的组织了用例，创新性的添加了铁路IFC线型，为完善IFC标准作出了贡献。

buliding SMART openBIM大赛奖项评价

(3)开展GIS场景下边坡防护方案比较、站前站后接口建模及碰撞检查、站后工程系统建模等BIM技术在设计中的应用。

边坡刷坡方案比选

站前专业碰撞检查

(4)研究开发多专业BIM设计工具、标准部署工具、标准检查工具等关键技术，实现创新性的BIM设计技术突破。

(5)四电专业按照LOD200的精度建立接口工程模型以体现空间占位关系，清晰的展现了接口的位置及要求，提供了接口工程碰撞检查报告，减少了设计错误。

四电接口工程位置可视化展示

四电专业碰撞检查

3、施工BIM应用成果

牡佳各标段针对重难点工程，结合实际的施工方案，开展基于BIM的施工深化设计应用。尤其是在施工工艺设计、优化钢筋布置和预埋件位置、二次结构设计、预留孔洞设计、节点设计、预埋件设计及附属结构设计等方面，形成可指导施工的深化设计成果。

(1)在工程算量方面，对复杂结构物的钢筋进行了模拟，找出了钢筋碰撞，优化钢筋绑扎顺序。例如牡佳8标在128m简支拱桥的对比中发现了设计钢筋数量比实际少35.1吨。

128m简支拱桥拱脚钢筋优化

(2)通过三维施工组织模拟，提前预估施工周期，配置工程资源，优化施工组织，增加了现场施工质量、成本控制手段。

以路基边坡防护为例，二维设计只给出了拱形骨架的布置原则，没有具体到某个工点的布置情况。通过软件参数化建模，快速布置整个工点的拱形骨架，可以确定施工现场每次拱形骨架浇筑的混凝土方量及整个工点所需的六棱快数量，为施工现场质量、成本控制提供了数据依据。同时，经过通过可视化的协调检查，有效降低了现场施工的随意性，提高了路基边坡防护系统的外观质量。

路基工点拱形骨架布置模拟

六棱块优化施工效益分析

(3)方案模拟方面，在施工图设计模型或深化设计模型的基础上附加建造过程、施工顺序等信息，施工工艺等信息，进行施工过程的可视化模拟，并充分利用建筑信息模型对方案进行分析和优化，提高方案审核的准确性，实现施工方案的可视化交底。

牡佳5标跨高速公路连续梁棚架方案模拟

牡佳1标车站咽喉区门式墩架梁方案模拟

(4)基于达索Composer软件，针对复杂工序、工艺，形成了一系列可交互式的3D作业指导书。

基于composer的可交互式3D作业指导书

(5)在无人机应用方面，创新思维。将BIM技术与GIS技术相结合，实现了基于3D电子施工沙盘的施工调查，可视化征拆管理，基于实景地形的大临规划，土方计算，方案比选等应用。

基于GIS模型的弃土场方量计算

方式	人员数量	外业处理时间	内业处理时间	总时间	安全性	准确性
传统测量	2人	2天	1天	3天	低	低
GIS测量	1人	30分钟	4小时	4.5小时	高	高

使用无人机与传统测量方式测量取弃土场方量工效对比