中国铁路BIM标准体系框架研究.docx

1、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，我国住房和城乡建设部也于 2012 年启动了我国 BIM 标准的编制工作，

2、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，并且 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 2012年已经启动了基于 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；2013 年启动了 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， 2014 年将全面启动中国铁路BIM 标准

3、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 2007 年和 2012年发布了美国国家 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 Stat

4、es Version 2），旨在通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，可以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

5、明确了 BIM 标准体系，大体包括引用标准、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

6、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。目前，美国国家 BIM 标准第三版（ NBIMS-US V3）正在编制当中，计划 2014 年秋季发布。1.1.2 英国 BIM 标准英国于 2000 年发布了 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

7、大涵盖了设计数据和信息交换的其他方面。该项目委员会于 2009 年重组，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。2009 年 11 月和 2012年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 2012 年 7 月发布了日本 BIM

8、 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 2012 年 5 月和 2013 年 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

9、，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 2010 年 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 2010 年 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

10、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 标准我国 BIM 标准研究起步较晚。2010 年 11 月清华大学对外公布中国 BIM 标准框架体系研究报告，2012 年 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 ）2010 年 11 月清华大学 对外公布中国 BIM 标准框架体系研究报告，2011 年 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

11、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2012 年 1 月住房和城乡建设部印发建标 2012 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

12、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 标准的分析目前国外 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

13、准框架的理论和方法与 NBIMS 标准类似。CBIMS 标准框架可以作为我国国家和行业 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

14、、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

15、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，定义的方法可以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

16、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

17、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 BI

18、M 标准的相关要求和规定。同时铁路 BIM 标准体系内一些对其他行 业领域具有强制要求、指导或借鉴意义的规定可以上升为国家标准。 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（

19、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

20、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

21、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。分类编码体系可以参照 ISO 12006-2施工工程信息的组织 第 2 部分：信息分类框架，结合我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 12006-3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）

22、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。结合我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

23、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、

24、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 B

25、IM 标准是首次提出。待铁路 BIM 标准体系达到一定成熟度后，可以考虑推荐到国家标准层面，并结合我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，而目前国内外 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。