中国铁路BIM统一标准体系框架研究应用.docx

中国铁路BIM标准体系框架研究

　 依据铁路工程建设信息化总体方案布署，BIM是实现铁路工程建设信息化关键技术发展方向，为此，中国铁路总企业推进了BIM技术在铁路工程上应用研究。应用研究发觉，BIM技术对铁路工程建设有着巨大发展潜力和应用价值，同时也存在着很多难题和挑战。BIM起源于建筑领域，BIM标准及应用软件基础上全部是面向民用建筑领域，没有针对铁路标准，给BIM在铁路工程领域全方面应用带来不可逾越障碍。经前期调研发觉，即使美国、英国、日本、新加坡等国全部制订过对应BIM标准，中国住房和城镇建设部也于开启了中国BIM标准编制工作，但这些BIM标准所涵盖领域全部局限为民用建筑。鉴于铁路工程领域所涵盖专业领域要远大于建筑领域，而且BIM技术本身也在不停发展过程中，所以有必需在开展专业BIM应用研究试点同时，开展铁路BIM标准体系研究，以在大范围开展专业BIM应用时，统一指导、规范应用。中国铁路总企业于已经开启了《基于BIM技术铁路隧道施工图交付标准研究》等BIM相关课题研究工作，以后还会陆续开展更多铁路专业领域BIM技术应用研究；开启了BIM标准体系前期研究工作，提出了中国铁路BIM标准体系框架，将全方面开启中国铁路BIM标准体系研究工作。 
　　1 中国外BIM标准现实状况 
　　1.1 国际BIM标准 
　　1.1.1 美国国家BIM标准（NBIMS） 
　　美国建筑科学研究院（National Institute of Building Sciences）分别于和公布了美国国家BIM标准第一版（National Building Information Modeling Standard version1-Part1:Overview，Principles，and Methodologies）和美国国家BIM标准第二版（National BIM Standard-United States Version 2），意在经过引用现有标准和制订信息交换标准为建筑工程施工工业整个生命周期信息化提供统一操作凭据。 
　　美国国家BIM标准第一版（NBIMS-US V1P1）并没有提出具体BIM标准体系，而是着眼于介绍BIM相关基础概念、建立BIM体系需求和提出BIM标准编写原理和方法论。它认为NBIMS目标是为每个设施建立标准机器可读信息模型，该信息模型包含此设施全部合适信息，能够被整个生命周期中所包含全部用户使用，从而达成一个改良计划、设计、施工、运行和维护过程。
 　　美国国家BIM标准第二版（NBIMS-US V2）依据第一版需求和方法论明确了BIM标准体系，大致包含引用标准、数据交换标准和BIM实施实用文件。其中引用标准和数据交换标准目标读者为软件开发者和销售者，BIM实施实用文件目标读者为AEC工业实施者。引用标准即已被国际认证或在世界范围内投入使用标准，包含工业基础类（IFC）、可扩展标识语言（XML）、建筑信息分类体系Omni Class、国际数据字典框架库（IFDLibrary）；数据交换标准基于IDM和MVD指定了数据管理、信息控制担保、信息可靠性标准，并为具体应用场景定义了不一样交换标准，包含施工运行建筑信息交换标准（COBie）、空间分析（SPV）、建筑能耗分析（BEA）、数量和成本估算（QTO）；BIM实施实用文件为AEC工业使用者提供BIM项目实施指导，包含BIM能力和成熟度判别模型（CMM），BIM项目实施计划指南和内容模板，机电系统（MEP）建筑安装模型空间协调和交付，计划、实施和管理信息移交向导。NBIMS-US V2体系框架见图1。

现在，美国国家BIM标准第三版（NBIMS-US V3）正在编制当中，计划秋季公布。
1.1.2 英国BIM标准
 　　英国于公布了《建筑工程施工工业（英国）CAD标准》（AEC（UK）CAD）来改善设计信息交付、管理和交换过程，伴随设计需求和科技发展，此标准逐步扩大涵盖了设计数据和信息交换其它方面。该项目委员会于重组，吸纳了在BIM软件和实施方面拥有丰富经验技术企业和咨询企业作为新组员，意在满足英国AEC行业对于在设计环境中实施统一、实用、可行BIM标准日益高涨需求。11月和前后公布了《建筑工程施工工业（英国）建筑信息模型规程》（AEC（UK）BIM标准）第一版和第二版，和NBIMS不一样之处于于，英国BIM标准只着眼于设计环境下信息交互应用，基础未包含BIM软件技术和工业实施。
 　　1.1.3 日本BIM标准
 　　日本建筑学会（JIA）于7月公布了日本BIM指南，从BIM团体建设、BIM数据处理、BIM设计步骤、应用BIM进行预算、模拟等方面为日本设计院和施工企业应用BIM提供了指导。日本软件业较为发达，在建筑信息技术方面也拥有较多国产软件，日本BIM相关软件厂商认识到，BIM是需要多个软件来相互配合，而数据集成是基础前提，所以多家日本BIM软件商在IAI日本分会支持下，成立了日本国产BIM软件处理方案联盟。
 　　1.1.4 新加坡BIM指南
 　　新加坡建设局（BCA）于5月和8月分别公布了《新加坡BIM指南》1.0版和2.0版。《新加坡BIM指南》是一本参考性指南，概括了各项目组员在采取建筑信息模型（BIM）项目中不一样阶段负担角色和职责。该指南是制订《BIM实施计划》参考指南。《新加坡BIM指南》包含BIM说明书和BIM模型及协作步骤。
 　　1.1.5 韩国BIM标准
 　　在韩国，多家政府机构制订了BIM应用标准。韩国公共采购服务中心（Public Procurement Service，PPS）于4月公布了《设施管理BIM应用指南》和BIM应用路线图。韩国国土交通海洋部也于1月公布了《建筑领域BIM应用指南》。该指南为开发商、建筑师和工程师在申请四大行政部门、16个城市和6个公共机构项目时，提供采取BIM技术时必需注意方法及要素指导。
 　　1.2 中国BIM标准
 　　中国BIM标准研究起步较晚。11月清华大学对外公布《中国BIM标准框架体系研究汇报》，1月住房和城镇建设部将五本BIM标准列为国家标准制订项目。 
　　1.2.1 中国建筑信息模型标准框架（CBIMS）
 　　11月清华大学对外公布《中国BIM标准框架体系研究汇报》，12月由清华大学BIM课题组主编《中国建筑模型标准框架研究》（CBIMS）第一版正式发行。
 CBIMS体系结构和NBIMS类似，针对目标用户群将标准分为两类：一是面向BIM软件开发提出CBIMS技术标准，二是面向建筑工程施工从业者提出CBIMS实施标准（见图2）。

　1.2.2 中国国家BIM标准
 　　1月住房和城镇建设部印发建标 [ ] 5号文件，将五本BIM标准列为国家标准制订项目。五本标准分为三个层次（见图3）：第一层为最高标准：建筑工程信息模型应用统一标准；第二层为基础数据标准：建筑工程设计信息模型分类和编码标准，建筑工程信息模型存放标准；第三层为实施标准：建筑工程设计信息模型交付标准，制造业工程设计信息模型交付标准。

1.2.3 北京市地方标准《民用建筑信息模型（BIM）设计基础标准》
 　　该标准是北京民用建筑设计中BIM应用通用标准和基础标准。关键内容包含：总则、术语、基础要求、资源要求、BIM模型深度要求、交付要求。
 　　1.3 中国外BIM标准分析
 　　现在国外BIM标准关键分成了两个层级：一类是以国家或行业级标准为目标，以美国NBIMS为代表性，从软件技术和工业实施两方面对BIM实现提出标准和指导；一类是基于某个BIM平台软件，以实现项目BIM实施过程规范和统一为目标，以英国和新加坡制订基于特定软件实施指南为代表。现有中国BIM标准基础可分为三类。
 　　第一类：CBIMS标准框架，关键是从信息化角度，从理论层面叙述BIM标准体系框架和方法论。该标准框架理论和方法和NBIMS标准类似。CBIMS标准框架能够作为中国国家和行业BIM标准编制理论基础。
 　　第二类：中国国家BIM标准系列。为住房和城镇建设部主持编写建筑领域国家BIM标准，研究思绪参考借鉴国际BIM标准同时兼顾中国建筑规范要求和建设管理步骤要求。
 　　第三类：地方BIM标准。关键是对地域内建筑BIM应用统一要求。比如北京市《民用建筑信息模型（BIM）设计基础标准》。
 　　2 中国外现有BIM标准对铁路行业适应性分析
 　　2.1 现有中国外BIM标准未涵盖铁路行业
 　　中国外BIM标准研究基础上全部在建筑行业，包含关键专业领域有：建筑、结构、暖通、电气、设备、建筑施工管理、物业管理。
 　　现有中国外BIM标准不能涵盖铁路行业独有专业领域，包含：地理信息、工程地质、线路、轨道、路基、桥梁、隧道、站场、信号、机务车辆、电气化等。在编制铁路BIM标按时，全部铁路行业独有专业领域信息模型全部需要补充定义。
 　　2.2 铁路BIM标准应该是完整标准体系
 　　因为中国铁路BIM标准必需支持软件开发和工程应用，所以中国铁路BIM标准体系应视为一个完整标准体系，包含技术标准和实施标准。技术标准包含数据存放标准、信息语义标准、信息传输标准。实施标准关键用于指导和规范铁路行业计划、设计、施工、建设管理、运行企业实施BIM标准。中国铁路BIM技术标准和实施标准专业范围远远超出了现有建筑领域BIM标准范围，所以只有制订一套完整标准体系，才能在铁路工程中实现BIM应用标准化。
　2.3 铁路BIM标准体系制订难度和工作量巨大
 　　因为建筑领域BIM标准中引用基础标准（IFC、IFD、Omni Class等）不能涵盖铁路专业领域，所以铁路BIM标准体系中必需对这些基础标准进行定义、扩充，定义方法能够借鉴现行国际标准。但该项工作难度和工作量是巨大。IFC、IFD、Omni Class等基础标准每一个全部是一个专业研究领域，需要专业人员去研究应用、扩展等技术问题。
 　　建筑工程是工点工程，铁路工程是线路工程，和建筑业相比，铁路行业含有本身特殊性，关键表现在：和地形结合紧密，区域范围广，所以要求铁路BIM标准还要涵盖GIS领域，BIM和GIS结合是一项技术难题。
 　　2.4 BIM软件对标准支持至关关键
 　　BIM专业设计软件发展和对标准支持很关键。首先BIM专业设计软件多集中在建筑和设备相关专业，铁路工程中很多专业还没有BIM软件；其次，有实力占市场主导地位软件厂商对开放标准支持不主动，对铁路专业设计软件开发支持力度也较弱。没有软件支持，BIM标准极难落地应用。
 　　2.5 中国铁路BIM标准必需适合中国铁路建设需要 
　　BIM标准隐含着工程建设法律法规、政府监管、建设管理模式、市场等一系列约束和需求，BIM标准背后是一个国家对工程项目标管理体系，中国铁路BIM标准必需符合中国国情，把国外管理体系照搬到中国是不切实际、不可想象，也无法取得成功。必需依据中国铁路情况来研究开发中国铁路BIM标准，只有符合中国铁路BIM标准才能规范、约束BIM技术在铁路工程建设中应用，满足中国铁路工程建设需求。
 　　3 中国铁路BIM标准体系框架 
　　3.1 中国铁路BIM标准序列 
　　中国铁路行业领域BIM标准序列应分为三个层次： 
　　第一层，中国铁路BIM标准。作为一个行业标准，应该满足和遵守国家BIM标准相关要求和要求。同时铁路BIM标准体系内部分对其它行业领域含有强制要求、指导或借鉴意义要求能够上升为国家标准。 
　　第二层，企业BIM标准。铁路设计、施工、建设管理、运行企业，在BIM国家标准、行业标准、地方标准约束指导下，为实施本单位BIM项目制订工作手册或作业指导书。 
　　第三层，企业项目团体针对具体建设项目制订，含有高度项目相关性项目BIM工作标准。
  中国铁路BIM标准序列和中国国家BIM标准、地方BIM标准和相关行业领域间关系见图4。
3.2 中国铁路BIM标准体系框架
 中国铁路BIM标准体系包含技术标准和实施标准两大部分（见图5）。

技术标准分为数据存放标准、信息语义标准、信息传输标准，其关键目标是为了实现铁路建设项目全生命周期内不一样参与方和异构信息系统间互操作性，用于指导和规范铁路BIM软件开发，关键面向IT工具。 
　　实施标准关键是从资源、行为、交付物三方面指导和规范铁路行业计划、设计、施工、建设管理、运行管理实施BIM标准。
 　　3.2.1 技术标准
  技术标准关键目标是为了实现铁路建设项目全生命周期内不一样参与方和异构信息系统间互操作性，并为BIM实施标准制订提供技术依据。关键用于指导和规范铁路BIM软件开发。依据CBIMS和NBIMS方法论，中国铁路BIM标准体系技术标准可分为数据存放标准、信息语义标准、信息传输标准（见图6）。

　（1）数据存放标准。关键研究BIM模型数据存放格式、语义扩展方法、数据访问方法、一致性测试规范等内容。
  一个可行方案是采取对建筑领域通用IFC（工业基础类）标准进行扩展方法实现铁路BIM数据存放标准。借用IFC中资源层和关键层定义对信息模型几何信息和非几何信息逻辑及物理组织方法，作为铁路信息模型数据格式；使用IFC现有外部参考关联机制，将铁路BIM信息语义关联到IFC模型。该方案需要对语义扩展规则和方法进行统一定义。优点是不用对IFC领域进行大量扩展，不会对现有BIM软件带来过多兼容性问题。扩展铁路专业领域后IFC框架见图7。

（2）信息语义标准。包含分类编码体系和数据字典两部分。
 　　分类编码体系能够参考ISO 1-2《施工工程信息组织 第2部分：信息分类框架》，结合中国铁路行业情况建立。将是一个采取面分类法，面向铁路工程全生命周期分类体系。该分类编码体系设计应考虑和铁路建设管理模式、现有铁路定额体系、中国国家BIM标准等协调性。
 　　数据字典可参考ISO 1-3《施工工程信息组织 第3部分：面向对象信息框架》建立，对行业中概念语义，如完整名称、定义、备注等进行规范，数据字典中每一个概念全部对应一个全球统一标识符（GUID）。
 　　（3）信息传输标准。关键研究信息传输和交换过程，信息模型交付标准、信息安全和信息模型知识产权等问题。 
信息传输。分析和定义铁路建设项目全生命周期内信息流动过程、规则和场景。信息传输通常发生在两个维度：全生命周期内计划、设计、施工、运维各阶段之间；业主（业务主管部门）、设计方、施工方、运行方各参与方之间，或参与方内部各专业之间（见图8）。

信息模型交付标准。结合中国铁路建设管理要求，定义预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图、完工验收等关键结果节点信息模型几何信息和非几何信息精度要求。
 　　信息安全。铁路作为国家基础设施，铁路BIM信息模型在信息交换过程中不可避免要包含基础地理信息、基础地质信息等部分关系国家安全敏感信息，怎样在确保信息安全前提下，最大程度地发挥铁路BIM信息模型效益是一项要研究内容。
 　　信息模型知识产权。BIM应用离不开BIM软件，要想高效使用BIM软件，就离不开BIM模型库（族库）。BIM模型库丰富程度在很大程度上决定了BIM应用推广程度。BIM模型库（族库）建立需要连续不停积累和大量人力投入，所以BIM信息模型应该含有知识产权。BIM信息模型知识产权界定和使用规则需要研究。
 　　3.2.2 实施标准
 　　实施标准是技术标准使用规范，企业可依据实施标准对本身工作程序、管理模式、资源搭建、环境配置和结果交付物进行规范化。实施标准中通常包含：资源标准、行为标准、交付标准。
 　　资源标准：资源指各阶段工作中实施BIM应用所需要条件和环境。资源标准是指资源组织和定义相关规范。如软件要求、硬件要求、网络要求、构件库要求等。
 　　行为标准：行为是指实施BIM应用工作中相关人员活动和过程。行为标准是指规范行为要求和规章制度，如建模、制图、协同规范。
 交付标准：交付物是指实施管理BIM应用产生结果。交付标准是指定义、组织和管理交付物规范要求。
4 展望
 　　4.1 铁路BIM标准未来可上升为国家和国际标准
 　　从现有调研结果看，中国外现有BIM标准均为建筑领域，中国铁路BIM标准是首次提出。待铁路BIM标准体系达成一定成熟度后，能够考虑推荐到国家标准层面，并结合中国高速铁路走出去战略，深入推荐为国际标准。
 　　4.2 重视BIM软件开发
 　　BIM三维、海量数据、信息共享等特征决定了没有相关BIM软件就没措施开展BIM应用。BIM应用多样性又决定了不可能有能够完成全部BIM任务大一统BIM软件，BIM软件一定是多种完成特定BIM任务系列软件集合。铁路BIM专业软件功效性和成熟度是BIM技术成功应用决定性原因之一，而现在中国外针对铁路专业领域开发BIM软件极少，很多铁路特有专业完全没有BIM软件可用。没有软件，铁路BIM标准就无法落地，铁路BIM软件和BIM标准体系应从战略层面同时思索和推进。