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中国铁路BIM标准体系框架研究

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2020年4月19日
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中国铁路BIM标准体系框架研究

　 根据铁路工程建设信息化总体方案的部署，BIM是实现铁路工程建设信息化的主要技术发展方向，为此，中国铁路总公司推动了BIM技术在铁路工程上的应用研究。应用研究发现，BIM技术对铁路工程建设有着巨大的发展潜力和应用价值，同时也存在着许多难题和挑战。BIM起源于建筑领域，BIM标准及应用软件基本上都是面向民用建筑领域，没有针对铁路的标准，给BIM在铁路工程领域的全面应用带来不可逾越的障碍。经前期调研发现，虽然美国、英国、日本、新加坡等国都制定过相应的BIM标准，中国住房和城乡建设部也于 启动了中国BIM标准的编制工作，但这些BIM标准所涵盖的领域都局限为民用建筑。鉴于铁路工程领域所涵盖的专业领域要远大于建筑领域，而且BIM技术本身也在不断发展过程中，因此有必要在开展专业BIM应用研究试点的同时，开展铁路BIM标准体系的研究，以在大范围开展专业BIM应用时，统一指导、规范应用。中国铁路总公司于 已经启动了《基于BIM技术的铁路隧道施工图交付标准研究》等BIM相关课题的研究工作，之后还会陆续开展更多铁路专业领域BIM技术应用研究； 启动了BIM标准体系的前期研究工作，提出了中国铁路BIM标准的体系框架， 将全面启动中国铁路BIM标准体系的研究工作。 
　　1 国内外BIM标准现状 
　　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 发布了美国国家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），旨在经过引用现有标准和制定信息交换标准为建筑工程施工工业整个生命周期的信息化提供统一操作凭据。 
　　美国国家BIM标准第一版（NBIMS-US V1P1）并没有提出具体的BIM标准体系，而是着眼于介绍BIM相关基础概念、建立BIM体系的需求和提出BIM标准编写的原理和方法论。它认为NBIMS的目标是为每个设施建立标准的机器可读的信息模型，该信息模型包含此设施的所有适当信息，能够被整个生命周期中所涉及的所有用户使用，从而达成一个改良的计划、设计、施工、运营和维护的过程。
 　　美国国家BIM标准第二版（NBIMS-US V2）依据第一版的需求和方法论明确了BIM标准体系，大致包括引用标准、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的目标读者为软件开发者与销售者，BIM实施实用文件的目标读者为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的标准，包括工业基础类（IFC）、可扩展标记语言（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、信息可靠性的标准，并为具体的应用场景定义了不同的交换标准，包括施工运营建筑信息交换标准（COBie）、空间分析（SPV）、建筑能耗分析（BEA）、数量与成本估算（QTO）；BIM实施实用文件为AEC工业的使用者提供BIM项目实施指导，包括BIM能力与成熟度判别模型（CMM），BIM项目执行计划指南和内容模板，机电系统（MEP）建筑安装模型的空间协调与交付，计划、执行和管理信息移交向导。NBIMS-US V2体系框架见图1。

当前，美国国家BIM标准第三版（NBIMS-US V3）正在编制当中，计划 秋季发布。
1.1.2 英国BIM标准
 　　英国于 发布了《建筑工程施工工业（英国）CAD标准》（AEC（UK）CAD）来改进设计信息交付、管理和交换过程，随着设计需求和科技的发展，此标准逐渐扩大涵盖了设计数据和信息交换的其它方面。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的技术公司和咨询公司作为新成员，旨在满足英国AEC行业对于在设计环境中实施统一、实用、可行的BIM标准的日益高涨的需求。 11月和 先后发布了《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，与NBIMS的不同之处在于，英国的BIM标准只着眼于设计环境下的信息交互应用，基本未涉及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月发布了日本BIM指南，从BIM团队建设、BIM数据处理、BIM设计流程、应用BIM进行预算、模拟等方面为日本的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的国产软件，日本BIM相关软件厂商认识到，BIM是需要多个软件来互相配合，而数据集成是基本前提，因此多家日本BIM软件商在IAI日本分会的支持下，成立了日本国产BIM软件解决方案联盟。
 　　1.1.4 新加坡BIM指南
 　　新加坡建设局（BCA）于 5月和 8月分别发布了《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，概括了各项目成员在采用建筑信息模型（BIM）的项目中不同阶段承担的角色和职责。该指南是制定《BIM执行计划》的参考指南。《新加坡BIM指南》包含BIM说明书和BIM模型及协作流程。
 　　1.1.5 韩国BIM标准
 　　在韩国，多家政府机构制定了BIM应用标准。韩国公共采购服务中心（Public Procurement Service，PPS）于 4月发布了《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月发布了《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个都市以及6个公共机构的项目时，提供采用BIM技术时必须注意的方法及要素的指导。
 　　1.2 国内的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标准框架体系研究报告》， 1月住房和城乡建设部将五本BIM标准列为国家标准制定项目。 
　　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标准框架体系研究报告》， 12月由清华大学BIM课题组主编的《中国建筑模型标准框架研究》（CBIMS）第一版正式发行。
 CBIMS的体系结构与NBIMS类似，针对目标用户群将标准分为两类：一是面向BIM软件开发提出的CBIMS技术标准，二是面向建筑工程施工从业者提出的CBIMS实施标准（见图2）。

　1.2.2 中国国家BIM标准
 　　 1月住房和城乡建设部印发建标 [ ] 5号文件，将五本BIM标准列为国家标准制定项目。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储标准；第三层为执行标准：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应用的通用原则和基础标准。主要内容包括：总则、术语、基本规定、资源要求、BIM模型深度要求、交付要求。
 　　1.3 国内外BIM标准的分析
 　　当前国外BIM标准主要分成了两个层级：一类是以国家或行业级标准为目标，以美国的NBIMS为代表性，从软件技术和工业实施两方面对BIM的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实施过程的规范和统一为目标，以英国和新加坡制定的基于特定软件的实施指南为代表。现有国内BIM标准基本可分为三类。
 　　第一类：CBIMS标准框架，主要是从信息化的角度，从理论层面论述BIM标准体系的框架和方法论。该标准框架的理论和方法与NBIMS标准类似。CBIMS标准框架能够作为中国国家和行业BIM标准编制的理论基础。
 　　第二类：中国国家BIM标准系列。为住房和城乡建设部主持编写的建筑领域国家BIM标准，研究思路参照借鉴国际BIM标准的同时兼顾国内建筑规范规定和建设管理流程要求。
 　　第三类：地方BIM标准。主要是对地域内建筑BIM应用的统一规定。例如北京市《民用建筑信息模型（BIM）设计基础标准》。
 　　2 国内外现有BIM标准对铁路行业的适应性分析
 　　2.1 现有国内外BIM标准未涵盖铁路行业
 　　国内外BIM标准研究基本上都在建筑行业，包括的主要专业领域有：建筑、结构、暖通、电气、设备、建筑施工管理、物业管理。
 　　现有的国内外BIM标准不能涵盖铁路行业独有的专业领域，包括：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标准时，所有铁路行业独有专业领域的信息模型都需要补充定义。
 　　2.2 铁路BIM标准应该是完整的标准体系
 　　由于中国铁路BIM标准必须支持软件开发和工程应用，因此中国铁路BIM标准体系应视为一个完整的标准体系，包括技术标准和实施标准。技术标准包括数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准。实施标准主要用于指导和规范铁路行业规划、设计、施工、建设管理、运营企业实施BIM标准。中国铁路BIM的技术标准和实施标准的专业范围远远超出了现有建筑领域BIM标准的范畴，因此只有制定一套完整的标准体系，才能在铁路工程中实现BIM应用的标准化。
　2.3 铁路BIM标准体系制定的难度和工作量巨大
 　　由于建筑领域BIM标准中引用的基础标准（IFC、IFD、Omni Class等）不能涵盖铁路专业领域，因此铁路BIM标准体系中必须对这些基础标准进行定义、扩充，定义的方法能够借鉴现行的国际标准。但该项工作的难度和工作量是巨大的。IFC、IFD、Omni Class等基础标准每一个都是一个专业的研究领域，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，与建筑业相比，铁路行业具有自身的特殊性，主要表现在：与地形结合紧密，区域范围广，因此要求铁路BIM标准还要涵盖GIS领域，BIM与GIS的结合是一项技术难题。
 　　2.4 BIM软件对标准的支持至关重要
 　　BIM专业设计软件的发展以及对标准的支持非常重要。一方面BIM专业设计软件多集中在建筑和设备相关的专业，铁路工程中很多专业还没有BIM软件；另一方面，有实力占市场主导地位的软件厂商对开放标准的支持不积极，对铁路专业设计软件的开发支持力度也较弱。没有软件的支持，BIM标准很难落地应用。
 　　2.5 中国铁路BIM标准必须适合中国铁路建设的需要 
　　BIM标准隐含着工程建设的法律法规、政府监管、建设管理模式、市场等一系列约束和需求，BIM标准的背后是一个国家对工程项目的管理体系，中国铁路的BIM标准必须符合中国的国情，把国外的管理体系照搬到中国是不切实际、不可想象的，也无法取得成功。必须依照中国铁路的情况来研究开发中国铁路的BIM标准，只有符合中国铁路的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的需求。
 　　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。作为一种行业标准，应该满足和遵守国家BIM标准的相关要求和规定。同时铁路BIM标准体系内一些对其它行业领域具有强制要求、指导或借鉴意义的规定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、运营企业，在BIM国家标准、行业标准、地方标准的约束指导下，为实施本单位BIM项目制定的工作手册或作业指导书。 
　　第三层，企业项目团队针对具体的建设项目制定，具有高度项目相关性的项目BIM工作原则。
  中国铁路BIM标准序列与中国国家BIM标准、地方BIM标准和相关行业领域间的关系见图4。
3.2 中国铁路BIM标准体系框架
 中国铁路BIM标准体系包括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储标准、信息语义标准、信息传递标准，其主要目标是为了实现铁路建设项目全生命周期内不同参与方与异构信息系统间的互操作性，用于指导和规范铁路BIM软件开发，主要面向IT工具。 
　　实施标准主要是从资源、行为、交付物三方面指导和规范铁路行业规划、设计、施工、建设管理、运营管理实施BIM标准。
 　　3.2.1 技术标准
  技术标准的主要目标是为了实现铁路建设项目全生命周期内不同参与方与异构信息系统间的互操作性，并为BIM实施标准的制定提供技术依据。主要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标准体系的技术标准可分为数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准（见图6）。

　（1）数据存储标准。主要研究BIM模型数据存储格式、语义扩展方式、数据访问方法、一致性测试规范等内容。
  一种可行的方案是采用对建筑领域通用的IFC（工业基础类）标准进行扩展的方式实现铁路BIM数据存储标准。借用IFC中资源层和核心层定义的对信息模型几何信息和非几何信息的逻辑及物理组织方式，作为铁路信息模型数据格式；使用IFC现有的外部参照关联机制，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式进行统一的定义。优点是不用对IFC领域进行大量扩展，不会对现有BIM软件带来过多的兼容性问题。扩展铁路专业领域后的IFC框架见图7。

（2）信息语义标准。包括分类编码体系和数据字典两部分。
 　　分类编码体系能够参照ISO 1 -2《施工工程信息的组织 第2部分：信息分类框架》，结合中国铁路行业的情况建立。将是一个采用面分类法，面向铁路工程全生命周期的分类体系。该分类编码体系的设计应考虑与铁路建设管理模式、既有铁路定额体系、中国国家BIM标准等的协调性。
 　　数据字典可参照ISO 1 -3《施工工程信息的组织 第3部分：面向对象的信息框架》建立，对行业中的概念语义，如完整名称、定义、备注等进行规范，数据字典中的每一个概念都对应一个全球统一标识符（GUID）。
 　　（3）信息传递标准。主要研究信息的传递和交换过程，信息模型的交付标准、信息安全与信息模型的知识产权等问题。 
信息的传递。分析和定义铁路建设项目全生命周期内信息流动的过程、规则和场景。信息的传递一般发生在两个维度：全生命周期内规划、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、运营方各参与方之间，或参与方内部各专业之间（见图8）。

信息模型的交付标准。结合中国铁路建设管理规定，定义预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图、竣工验收等主要成果节点的信息模型几何信息和非几何信息的精度要求。
 　　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的过程中不可避免的要涉及基础地理信息、基础地质信息等一些关系国家安全的敏感信息，如何在保证信息安全的前提下，最大限度地发挥铁路BIM信息模型的效益是一项要研究的内容。
 　　信息模型的知识产权。BIM应用离不开BIM软件，要想高效的使用BIM软件，就离不开BIM模型库（族库）。BIM模型库的丰富程度在很大程度上决定了BIM应用的推广程度。BIM模型库（族库）的建立需要持续不断的积累和大量的人力投入，因此BIM信息模型应该具有知识产权。BIM信息模型知识产权的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的使用规范，企业可根据实施标准对自身的工作程序、管理模式、资源搭建、环境配置以及成果交付物进行规范化。实施标准中一般包括：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应用所需要的条件和环境。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的活动和过程。行为标准是指规范行为的要求和规章制度，如建模、制图、协同规范。
 交付标准：交付物是指实施管理BIM应用产生的成果。交付标准是指定义、组织和管理交付物的规范规定。
4 展望
 　　4.1 铁路BIM标准未来可上升为国家和国际标准
 　　从现有的调研结果看，国内外现有的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标准体系达到一定成熟度后，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，进一步推荐为国际标准。
 　　4.2 重视BIM软件开发
 　　BIM的三维、海量数据、信息共享等特性决定了没有相关BIM软件就没办法开展BIM应用。BIM应用的多样性又决定了不可能有能够完成所有BIM任务的大一统BIM软件，BIM软件一定是各种完成特定BIM任务的系列软件的集合。铁路BIM专业软件的功能性和成熟度是BIM技术成功应用的决定性因素之一，而当前国内外针对铁路专业领域开发的BIM软件很少，许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软件与BIM标准体系应从战略层面同步思考和推进。