前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的鐵路自主BIM技術研究與應用，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：自2013年以來,在中國國家鐵路集團有限公司的大力推動和鐵路BIM聯盟的具體指導下,我國鐵路BIM技術快速發展,標準體系建設、軟件平臺研發、重點項目應用等方面均取得了重大突破。但是,目前鐵路BIM基礎軟件平臺依賴國外,存在數據標準落地困難、用戶需求得不到快速響應等問題,同時面臨著數據安全和“卡脖子”的風險。首先,從鐵路BIM研究現狀和存在的主要問題入手,依托中國鐵路設計集團有限公司國家級科研平臺,開展鐵路自主bim技術探索,提出了國產BIM平臺技術能力評價標準;然后,從平臺基礎能力、二次開發功能和鐵路應用場景3個方面深度測試了BIMBase平臺,認為其在數據管理、幾何計算、圖形渲染等方面具備發展為鐵路自主BIM基礎平臺的潛力;最后,對鐵路自主BIM技術進行了總結與展望。下一步,將基于BIMBase平臺研發鐵路自主BIM軟件,并不斷迭代升級,盡快實現高水平科技自立自強。
關鍵詞：鐵路工程；BIM；評價標準；BIMBase；基礎平臺
近年來,國家持續加大對鐵路行業尤其是對高速鐵路的投資力度,鐵路快速發展且未來仍具有非常強勁的發展潛力。截至2021年年底,全國鐵路營業里程已突破15萬km,其中高鐵超過4萬km[1],鐵路建設取得歷史性成就,對中國經濟社會的發展乃至國際合作起到了決定性的支撐作用。根據《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》,到2025年,高速鐵路網以“八縱八橫”為主骨架,以區域連接線銜接,以城際鐵路為補充,對50萬人口以上城市覆蓋率達到95%以上,普速鐵路瓶頸路段基本消除。
鐵路工程建設是一項龐大的系統工程,具有標準高、周期長、參與方眾多(業主、設計單位、施工單位、監理)等特點[2],由于各個組織機構和建設階段之間存在信息溝通不及時、數據流轉不暢,造成建設過程中出現設計變更,進而導致返工和工程造價變化的事例屢見不鮮,傳統的管理模式、管理觀念、管理手段已經不能滿足大規模鐵路建設的需求。
建筑智慧國際聯盟(buildingSMARTInternational,bSI)將BIM定義為建筑信息模型化(BuildingInformationModeling)、建筑信息模型(BuildingInformationModel)、建筑信息管理(BuildingInformationManagement)3個不同但相互聯系的功能。2013年6月20日,針對鐵路行業新一輪信息化建設,原中國鐵路總公司擬定方針路線(鐵總辦函〔2013〕309號):以鐵路工程設計、建設、運營全壽命周期管理為目標,以標準化管理為抓手,以BIM為主要技術框架,建立統一開放的工程信息化平臺和應用。
2021年12月23日,國家鐵路局發布的《“十四五”鐵路科技創新規劃》提出工程建設方面的重點任務:(1)深入推廣鐵路信息模型技術,實現全生命周期信息模型創建交付的標準化和數字化,推行一體化集成設計;(2)建成基于BIM技術的鐵路工程多專業協同的信息化設計施工管理平臺被列入重點工程。
1鐵路BIM研究現狀
1.1發展歷程
BIM理念最早由美國佐治亞理工學院(GeorgiaInstituteofTechnology)數字化建造實驗室主任ChuckEastman教授提出。2007年,BIM技術進入中國設計領域,典型工程項目包括上海世博會國家電網館、天津中鋼大廈、深圳機場擴建等。2011年5月10日,住房城鄉建設部發布的《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》明確指出:加快推廣BIM技術在勘察設計、施工和工程項目管理中的應用,改進傳統的生產與管理模式,提升企業的生產效率和管理水平。
與建筑行業相比,鐵路BIM應用起步較晚。2013年12月17日,中國鐵路BIM聯盟在北京成立[3],無疑是這場技術革命的重要里程碑!回顧鐵路BIM技術的發展歷程,可將其大致劃分為啟動期、集中推動期、分頭探索期3個階段。
(1)啟動期:2013年,原中國鐵路總公司確定將BIM作為鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向[4],成立了中國鐵路BIM聯盟(以下簡稱“聯盟”),啟動了BIM標準體系的前期研究工作,提出了《中國鐵路BIM標準體系框架》[5]。
(2)集中推動期:2014—2018年,這一階段聯盟加入了buildingSMART[6],組織行業共同制定發布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》等BIM系列標準[7];2014年分別啟動了寶蘭客專石鼓山隧道和渝黔鐵路新白沙沱大橋的BIM試點工作,2015年持續安排了16個鐵路BIM試點項目,其中包括京張高鐵新八達嶺隧道、深茂鐵路潭江特大橋、哈佳鐵路路基(4.96km)等。
(3)分頭探索期:2019—2021年,這一階段聯盟承擔了國際鐵路BIM標準制定任務,目前IFC4.3處于征求意見稿狀態,預計2022年7月成為bSI正式標準;鐵路各設計院根據自身發展需要,開展了多個鐵路項目全段落的BIM設計及應用探索。例如:中國鐵路設計集團有限公司(以下簡稱“中國鐵設”)承擔的廣湛高鐵,中鐵第一勘察設計院集團有限公司(以下簡稱“中鐵一院”)承擔的西十高鐵[8-9],中鐵二院工程集團有限責任公司(以下簡稱“中鐵二院”)承擔的某高原鐵路等。
1.2標準體系
為保證鐵路BIM信息模型能夠在工程全生命周期內有效共享和傳遞,聯盟加強鐵路BIM標準的研究和編制。在聯盟的組織下,中國鐵設楊緒坤等[5]于2014年1月完成并發布了《中國鐵路BIM標準體系框架》,2014—2019年,在此框架的指導下,聯盟組織各理事單位陸續編制并發布了15項鐵路BIM標準[10],見圖1。
2020年10月,《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》等16項BIM標準在“全國團體標準信息平臺”正式發布,成為合法團體標準。2017年,國家鐵路局啟動了行業BIM標準TB/T10183—2021《鐵路工程信息模型統一標準》的編制工作,該標準于2021年3月發布,2021年6月實施。
1.3軟件平臺
軟件是驅動BIM技術發展的重要因素。當前鐵路行業以歐特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、達索(Dassault)等為代表的軟件產品占據市場主導地位,北京構力科技有限公司(PKPM)、廣聯達軟件股份有限公司(Glodon)、魯班軟件等實力較強的國內軟件廠商也處于快速發展期,但與國外BIM商業軟件相比尚有較大差距,見表1。
2鐵路BIM存在的主要問題
2.1標準體系不完善,限制鐵路BIM發展
鐵路BIM標準的陸續出臺,極大地推動了相關應用的發展,盡管如此,標準體系仍不完善。首先,《中國鐵路BIM標準體系框架》技術標準部分(軟件開發者)日漸完善,實施標準部分(工業實施者)尚有欠缺,國際鐵路IFC標準處于單元測試階段,測試報告正在編制中,IFC4.3標準最終版還未正式發布;其次,技術標準需要設計軟件的驗證與支撐,僅依靠人工執行難以真正落地。以上因素直接或間接地影響了BIM技術在鐵路工程中的深化應用,制約了鐵路BIM的進一步發展。
2.2基礎軟件平臺依賴國外,成熟度不足
在BIM工程化應用方面,依托京張高鐵等工程建設,國內各鐵路設計單位基于國外商業軟件[14-16],進行功能擴展與二次開發,實現了不同精度和效率的數字化設計,但受技術開放性限制,普遍存在對行業標準支持弱、專業功能不完善、效率低等問題[17-19]。分析目前鐵路BIM研發與應用現狀可知,尚存在以下幾個方面問題有待解決。
(1)國產圖形引擎發展依賴國外技術
目前,國際上用于幾何計算、圖形顯示和交互設計的圖形引擎主要有三款:分別為西門子Parasolid(閉源、商業),達索ACIS(閉源、商業)和OCCT(開源、免費)。Parasolid和ACIS已發展成為兩個最大的陣營,這也是主流BIM軟件所使用的三維幾何平臺內核,兩種建模器均建于1985年左右,并在1990年被CAD公司廣泛采用;OCCT由于性能只能達到前兩者的1/10,不具競爭力才開放源碼;國內也有軟件公司底層采用ACIS或OCCT,實現了部分應用功能,但還未能大規模推廣,可持續性有待確認。
(2)鐵路工程協同設計技術發展仍不成熟
國際上針對大型工程設計的協同管理平臺主要有法國達索公司基于數據的ENOVIA和美國奔特力公司基于文件的ProjectWise,均為商業軟件,數據接口未知,只提供API二次開發接口;開源軟件EngineerCMS支持文檔協作和工作流程,提供標準的JSON數據接口,可以基于源代碼二次開發,但面向的是小型設計團體;廣聯達和構力科技均自主研發了協同管理平臺,并完成與各自圖形平臺的深度融合,但目前主要適用于建筑設計領域,尚未在鐵路行業大范圍推廣。
2.3人才缺口制約應用發展
隨著BIM技術在鐵路建設領域的不斷推廣,整個行業對于BIM項目管理、BIM軟件研發、BIM設計建模等專業技術人才的需求也隨之增長。然而,國內建筑企業BIM人才儲備不足,有鐵路專業背景的技術人員缺口較大,且現有人員目前多以建模和軟件操作為主,企業級BIM規劃設計、行業標準編制、專業軟件研發等人才更為稀缺。
2018年全國兩會,全國政協委員、上海建工集團股份有限公司副總工程師王美華提案建議校企合作,加強高校土木類專業推廣BIM教學力度,增加系統課程,培養技術運用和軟件開發“二元型”人才。時至今日,BIM人才缺失的局面并沒有得到有效改善,這已成為影響其發展的重要因素之一。
3鐵路自主BIM技術探索
2019年9月19日,中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》提出,鼓勵交通行業各類創新主體建立創新聯盟,建立關鍵核心技術攻關機制。2020年8月13日,國鐵集團正式發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》,提出到2035年,鐵路科技創新體系健全完善,關鍵核心技術裝備自主可控、先進適用、安全高效,智能高鐵率先建成,智慧鐵路加快實現。2021年10月9日,《智能高速鐵路2.0科技攻關方案(征求意見稿)》已將研發鐵路工程自主智能三維集成設計系統列入攻關推進計劃。
近幾年,在國家重大科研專項引導下,國產化圖形平臺快速發展,具備了基本的數字化設計能力,設計數據協同管理技術也有了新的突破,為研發面向鐵路行業的自主BIM軟件提供了理論基礎和技術支撐[20]。在國家政策的鼓勵和支持下,中國鐵設整合資源、集中優勢、全力攻堅鐵路自主BIM關鍵技術[21],于2021年1—6月對圖形平臺和協同設計平臺展開了全面調研。調研對象包括中鐵一院、中鐵二院、中鐵四院、中鐵設計等,以有構力科技、廣聯達、中望等軟件廠商,見圖2。為有效評估軟件性能,以便于后期作出針對性優化改進,根據《中國鐵路BIM標準體系》和主流BIM軟件應用經驗,提出國產BIM平臺技術能力評價標準,見表3。
經過多方面考察調研和方案比選,中國建筑科學研究院承擔、北京構力科技有限公司具體研發的BIMBase平臺[22-23],三維圖形引擎基礎能力和可擴展性較強,協同管理平臺與圖形平臺深度融合,具有自主知識產權,可以作為鐵路自主BIM軟件的基礎平臺。2021年9月14日,中國建筑科學研究院與中國鐵設簽署了戰略合作協議,軌道交通工程數字化平臺研發是主要合作內容之一。
4BIMBase平臺測試
4.1測試方案
4.1.1基本原則
根據鐵路工程的特點和設計需求,中國鐵設組織相關人員對BIMBase平臺進行了功能測試和二次開發測試,主要包括三維幾何建模、圖形渲染、軟件開發工具包(SDK)等;此外,還對平臺的用戶界面、規范性、安全性和易用性做了相應測試。所有測試的標準均建立在鐵路建設標準規范和設計人員需求之上,目的在于驗證BIMBase是否可以作為鐵路自主BIM軟件的基礎平臺。
鑒于構力科技正在加緊產品研發迭代,持續推出升級版本,最新的軟件性能指標以PKPM官方發布為準。
4.1.2軟硬件環境
(1)服務器
類型:虛擬機。處理器Intel(R)Xeon(R)E5-2680v4@2.7GHz(4CPUs);內存16GB;顯卡無;硬盤SSD;網絡帶寬(內網)≥20MB;操作系統WindowsServer2016標準版64位,數據庫MySQL5.6;其他MicrosoftVisualC++2013Runtime、Web服務器(IIS)、PBIMServer_R1.0等。
(2)客戶端
類型:圖形工作站。處理器IntelCorei9-9900@3.10GHz(16CPUs);內存16GB;顯卡6GBNVIDIARTX2060;硬盤SSD500GB;操作系統Window10專業工作站版64位;開發工具VisualStudio2013旗艦版,其他BIMBaseKIT2021R1.6、MSIAfterburnerv4.64等。
4.2平臺基礎能力
4.2.1三維幾何建模
三維幾何建模是指利用某種數據結構和算法實現幾何形體的計算機內部表達,即通過對點線面等幾何元素的數學描述,經過平移、旋轉、縮放等幾何變換和并、交、差等布爾運算,產生實際的或想象的物體模型。
考慮鐵路為長大線性工程的特點,需要對BIMBase平臺進行隨機壓力測試,并記錄創建幾何形體的時間、平均時間、資源占用。軟件開發人員提供測試API和配置文件,通過逐一修改配置文件,生成幾何形體數量從1～100萬逐漸增多,結果見表4。
4.2.2圖形渲染
圖形渲染是將三維模型的所有點數據處理轉換為二維圖像的過程,是BIM可視化應用的關鍵技術之一。對構力科技提供的建筑模型(實體數量10368,三角面片數量46360023)進行幀率測試,當用戶平移、旋轉、縮放模型時,幀率穩定在28～32fps之間,見圖3。
5總結與展望
中國鐵路BIM自2013年開始步入發展快車道,建立了鐵路BIM標準體系,研發了鐵路三維協同設計系統、鐵路建設管理平臺等。以智能京張高鐵、智能京雄城際鐵路為代表,鐵路BIM技術在勘察設計、建設管理、施工建造領域獲得廣泛應用。但是,在鐵路BIM軟件方面,目前國外基礎軟件平臺處于市場主導地位,國內軟件和應用企業更多是基于國外軟件平臺二次開發,普遍存在對行業標準支持弱、專業功能不完善、效率低的問題,關鍵核心技術嚴重受制于國外。為此,中國鐵設在2021年對國內圖形平臺和協同設計平臺展開了全面調研,通過測試和分析,認為BIMBase平臺在數據管理、幾何計算、圖形渲染等方面具備發展為鐵路自主BIM基礎平臺的潛力。
自中國鐵路BIM聯盟成立以來,BIM技術已經在業內得到了廣泛的應用和發展,并取得了實質性進展。但是,我們必須清醒地認識到,目前鐵路行業BIM仍以輔助性應用為主,尚未成為基礎性應用,鐵路BIM技術的發展之路任重道遠。
一是BIM軟件國產化。在《中國鐵路BIM標準體系框架》下,鐵路各單位應建立有效的溝通合作機制,避免“各自為戰、重復建設”。發揮新型科技創新舉國體制優勢,突破幾何引擎、數據引擎、渲染引擎等BIM關鍵技術,構建自主技術創新生態,打造鐵路自主BIM軟件,形成平臺研發、行業應用的良性互動。
二是推動BIM在鐵路工程全生命周期應用。依托雄商高鐵等工程建設,深化BIM技術的工程化應用,促進BIM應用覆蓋勘察設計、建設管理、施工建造全過程,進一步釋放BIM的效益和價值。
作者：孟鶴 楊緒坤 王長進