铁路自主BIM技术研究与应用进展

自2013年以来，在中国国家铁路集团有限公司的大力推动和铁路BIM联盟的具体指导下，我国铁路BIM技术快速发展，标准体系建设、软件平台研发、重点项目应用等方面均取得了重大突破。但是，目前铁路BIM基础软件平台依赖国外，存在数据标准落地困难，用户需求得不到快速响应等问题，同时面临着数据安全和“卡脖子”的风险。首先，从铁路BIM研究现状和存在的主要问题入手，依托中国铁路设计集团有限公司国家级科研平台，开展铁路自主BIM技术探索，提出了国产BIM平台技术能力评价标准；从平台基础能力、二次开发功能和铁路应用场景3个方面深度测试了BIMBase平台，认为其在数据管理、几何计算、图形渲染等方面具备发展为铁路自主BIM基础平台的潜力；最后，对全文进行了总结与展望。下一步，将基于BIMBase平台研发铁路自主BIM软件，并不断迭代升级，尽快实现高水平科技自立自强。

铁路BIM研究现状

发展历程

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。

标准体系

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。

 
        软件平台

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

 
        项目应用

在铁路建设领域，从技术基础理论突破到工程化落地是实现BIM应用的重点和难点。在《中国铁路BIM标准体系框架》和BIM相关软件的支撑下，中国铁设、中铁一院、中铁二院、中铁四院（中铁第四勘察设计院集团有限公司）、中铁设计（中铁工程设计咨询集团有限公司）等多家单位开展了若干成功的探索性与应用性项目，如全线、全专业、全生命周期的精品工程——京张高速铁路，单点工程项目——盐通铁路南通动车所等，见表2。

表2 BIM典型项目应用

铁路BIM存在的主要问题

标准体系不完善，限制铁路BIM发展

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

在BIM工程化应用方面，依托京张高铁、CZ铁路等工程建设，国内各铁路设计单位基于国外商业软件，进行功能扩展与二次开发，实现了不同精度和效率的数字化设计，但受技术开放性限制，普遍存在对行业标准支持弱、专业功能不完善、效率低的问题。分析目前铁路BIM研发与应用现状可知，尚存在以下几个方面问题有待解决。

（1）国产图形引擎发展依赖国外技术目前，国际上用于几何计算、图形显示和交互设计的图形引擎主要有三款：分别为西门子Parasolid（闭源、商业），达索ACIS（闭源、商业）和OCCT（开源、免费）。Parasolid和ACIS已发展成为两个最大的阵营，这也是主流BIM软件所使用的三维几何平台内核，两种建模器均建于1985年左右，并在1990年被CAD公司广泛采用；OCCT由于性能只能达到前两者的1/10，不具竞争力才开放源码；国内也有软件公司底层采用ACIS或OCCT，实现了部分应用功能，但还未能大规模推广，可持续性有待确认。

（2）铁路工程协同设计技术发展仍不成熟国际上针对大型工程设计的协同管理平台主要有法国达索公司基于数据的ENOVIA和美国奔特力公司基于文件的ProjectWise，均为商业软件，数据接口未知，只提供API二次开发接口；开源软件EngineerCMS支持文档协作和工作流程，提供标准的JSON数据接口，可以基于源代码二次开发，但面向的是小型设计团体；广联达和构力科技均自主研发了协同管理平台，并完成与各自图形平台的深度融合，但目前主要适用于建筑设计领域，尚未在铁路行业大范围推广。

人才缺口制约应用发展

随着BIM技术在铁路建设领域的不断推广，整个行业对于BIM项目管理、BIM软件研发、BIM设计建模等专业技术人才的需求也随之增长。然而，国内建筑企业BIM人才储备不足，有铁路专业背景的技术人员缺口较大，且现有人员目前多以建模和软件操作为主，企业级BIM规划设计、行业标准编制、专业软件研发等人才更为稀缺。

2018年全国两会，全国政协委员、上海建工集团股份有限公司副总工程师王美华提案建议校企合作，加强高校土木类专业推广BIM教学力度，增加系统课程，培养技术运用和软件开发“二元型”人才。时至今日，BIM人才缺失的局面并没有得到有效改善，这已成为影响其发展的重要因素之一。

铁路BIM自主技术探索

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

经过多方面考察调研和方案比选，中国建筑科学研究院承担、北京构力科技有限公司具体研发的BIMBase平台，三维图形引擎基础能力和可扩展性较强，协同管理平台与图形平台深度融合，具有自主知识产权，可以作为铁路自主BIM软件的基础平台。2021年9月14日，中国建筑科学研究院与中国铁设签署了战略合作协议，轨道交通工程数字化平台研发是主要合作内容之一。

BIMBase平台测试

 
         测试方案        
     

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）服务器类型：虚拟机。处理器Intel(R) Xeon(R) E5-2680v4@2.7GHz(4 CPUs)；内存16GB；显卡无；硬盘SSD；网络带宽（内网）≥20MB；操作系统WindowsServer 2016标准版64位，数据库MySQL5.6；其他Microsoft Visual C++ 2013 Runtime、Web服务器（IIS）、PBIMServer_R1.0等。

（2）客户端类型：图形工作站。处理器Intel Core i9-9900@3.10GHz(16 CPUs)；内存16GB；显卡6GB NVIDIARTX 2060；硬盘 SSD500GB；操作系统Window 10专业工作站版64位；开发工具Visual Studio 2013旗舰版，其他BIMBase KIT 2021 R1.6、MSIAfterburner v4.64等。

 
         平台基础能力        
     

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

图形渲染是将三维模型的所有点数据处理转换为二维图像的过程，是BIM可视化应用的关键技术之一。对构力科技提供的建筑模型（实体数量10368，三角面片数量 46360023）进行帧率测试，当用户平移、旋转、缩放模型时，帧率稳定在28~32FPS之间，见图3。

图3 图形渲染效率

3 、计算机辅助设计

BIMBase平台提供了工程图模块，该模块对标AutoCAD软件，支持用户对工程图的编辑与交付。BIMBase_KIT_2021_R1.6版本工程图模块提供以下功能：①创建直线、多段线、圆、圆弧、矩形、单行文字、多行文字、标注（线性、对齐、角度、弧长）等基本二维对象；②对象移动、复制、旋转、镜像、修剪、延伸、倒角等操作；③对象捕捉，捕捉模式包括端点、插入点、几何中心等13种，能够满足基本设计需求；④“图层特性管理器”控制图层显隐、颜色，设置线型、线宽；⑤“标注样式管理器”管理标注对象，批量刷新标注。

4、数据兼容性

铁路建设领域存在多种BIM软件，如表1所示，除此之外，还有Tekla、ArchiCAD、Rhino、SketchUp、3DMax等，这些软件均有自己的存储和导出格式，且不对外开放；另一方面，各地方政府主管部门对BIM设计交付物数据格式有不同的要求，例如：深圳、上海城际铁路要求交付RVT格式，雄安新区要求交付XDB格式。由此可见，数据兼容性对于各部门、各专业间的数据有效流转具有重要意义。

BIMBase平台采用统一的开放数据交换标准（IFC、FBX 等），提供P3D设计模型标准数据格式pmodel轻量化数据交换格式和BFA参数化组件格式，同时支持与CATIA V5、Revit、ArchiCAD、Navisworks等格式的数据互通，见图4。

图4 数据兼容性

二次开发功能

1、架构

单一软件不能满足所有工程需求，从规划、设计到施工和运维，每个阶段都有不同的应用需求，也对应着不同的工具软件，而BIM的核心价值是信息整合和共享。因此，对于BIM软件而言，除了易用性和适应性之外，二次开发功能也是关键因素之一。BIMBase平台不仅具有基本的建模、出图等功能，还提供了多层次API接口，架构见图5。

图5 BIMBase二次开发架构

2、软件开发工具包

BIMBase SDK是BIMBase平台对外的接口，目前支持C++、C#、Python三种编程语言的接口，可以满足建筑、电力、化工、铁路等行业二次开发的需求，见图6 。

（1）C++语言：面向高级开发者，平台能力全面开放，高效稳定且版本更新迭代较快。

（2）C#语言：面向高级开发者，应用.NET 技术开发专业插件，有利于Revit开发者转型。

（3）Python语言：面向最终用户，编写脚本实现功能扩展和参数化建模，开源灵活的开发模式，极大地降低了开发入门门槛。

图6 二次开发接口

铁路应用场景

1、地形

铁路工程BIM设计与地形结合紧密，地理信息不仅提供地形数据支撑，还可以作为综合展示与空间分析平台，为多专业数据模型集成、碰撞分析等作支撑。该部分主要测试BIMBase平台对GIS基础功能的支持能力，包括地形显示、开挖和大坐标支持等，以2km×2km范围的DEM和DOM作为测试数据。测试发现：基于BIMBase平台的二次开发可以实现以下地形相关功能，效果见图7。

图7 地形相关功能测试效果

（1）DEM /DOM 网格化数据导入。

（2）地形贴图。

（3）根据模型边界精确开洞，且开洞结果只用于显示，不影响地形计算。

（4）通过复制和平移测试数据，验证了 40km带状地形显示功能。

2、线位

对于铁路工程设计而言，基于铁路线位进行相关定位及计算是一切设计工作的基础。通过导入空间曲线（112km）坐标文件和百米标文件，测试BIMBase平台铁路线位的绘制和里程标注功能。测试发现：基于BIMBase平台提供的C++、C#、Python三种编程语言接口，均可实现测试功能，生成的图形基本一致，效果见图8。

图8 空间曲线及百米标绘制

3、桥梁

桥梁工程作为铁路建设的重要组成部分，高铁桥梁占比更高（京沪高铁80%、沪杭高铁92%），且具有构件类型多、结构设计复杂等特点。例如：京沪高铁丹昆特大桥（桥长约165km），甬舟铁路西堠门公铁两用大桥（主跨1488m）。该部分主要测试BIMBase平台对桩基、承台、墩身、标准梁等桥梁构件的参数化建模能力，以及根据给定坐标批量创建实例模型的能力。测试选取某项目长度为6148m的桥梁构件参数，按照32.7m间距生成桥墩定位坐标。

测试发现：基于BIMBase平台提供的Python语言二次开发接口，可实现测试功能，悬索桥、斜拉桥等特殊结构桥梁构件还需进一步研究，效果见图9。

图9 桥梁构件效果

4、隧道

隧道工程是铁路建设的重点与难点，投资巨大、施工难度极高，例如：某高原铁路共有隧道72座，隧道总长约838km，占比超过80%。该部分主要测试BIMBase平台对洞身、洞室等隧道构件的参数化建模能力，以及三维实体间的布尔运算能力。测试选取某项目长度为12.09km的隧道截面参数，通过线路设计软件生成隧道中心线坐标。

测试发现：基于BIMBase平台提供的Python语言二次开发接口，可实现测试功能，包括模拟隧道洞室的开挖，效果见图10。

图10 隧道构件效果

总结与展望

中国铁路BIM自2013年开始步入发展快车道，建立了铁路BIM标准体系，研发了铁路三维协同设计系统、铁路建设管理平台等。以智能京张、智能京雄铁路为代表，铁路BIM技术在勘察设计、建设管理、施工建造领域获得广泛应用。但是，在铁路BIM软件方面，目前国外基础软件平台处于市场主导地位，国内软件和应用企业更多是基于国外软件平台二次开发，普遍存在对行业标准支持弱、专业功能不完善、效率低的问题，关键核心技术严重受制于国外。为此，中国铁设在2021年对国内图形平台和协同设计平台展开了全面调研，通过测试和分析，认为BIMBase平台在数据管理、几何计算、图形渲染等方面具备发展为铁路自主 BIM 基础平台的潜力。

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。