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铁路综合交通枢纽工程信息化及BIM应用现状与展望

发布于：2024-08-21 11:10:08

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我国铁路“十四五”发展规划对于全面推进铁路高质量发展提出了明确要求，特别是在现代铁路综合交通枢纽工程建设方面设定了一系列新的目标和任务。BIM技术作为铁路工程信息化的主要发展方向，能够有力推动铁路综合交通枢纽工程建设，实现高质量发展。归纳铁路综合交通枢纽在建设过程中的关键BIM应用需求，详细阐述当前我国高速铁路综合交通枢纽在智能设计、智能施工、智能管理、智能运维4个方面开展的BIM应用，验证信息化及BIM技术能够有力推动铁路综合交通枢纽工程在全生命周期实现精细化、协同化、智能化发展，并对我国高速铁路综合交通枢纽工程信息化及BIM技术的发展前景进行展望。

引言

自2019年9月《交通强国建设纲要》正式印发，到2020年中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）《智能高速铁路体系架构1.0》发布，再到 2021 年底《数字交通“十四五”发展规划》出台，铁路作为国家战略性、先导性、关键性重大基础设施，正在向信息化、数字化、智能化发展。为进一步践行国铁集团“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”客站建设新理念，深入贯彻落实《数字交通“十四五”发展规划》，在铁路建设过程中引入信息化及BIM技术赋能交通运输发展，加快形成现代化铁路综合交通枢纽体系。

调查研究发现，近10年我国共新增955座高铁站，高铁运营总里程超过4万km，稳居世界第一。将新增高铁站房按照建筑面积进行统计整理，高铁站房面积超过40万平米共有3个，超过20万平米共有7个。铁路行业飞速发展，信息化及BIM技术的优势在我国铁路综合交通枢纽工程（简称枢纽工程）建设中得到充分体现。以京津冀区域为例，“轨道上的京津冀”成效日益凸显，雄安站、清河站、北京丰台站、张家口南站、八达岭长城站等新建铁路站房在建设过程中都广泛融合了BIM技术，基本实现了基于BIM技术在枢纽工程全生命周期的数字化管理。

大型枢纽工程具有建设复杂程度高、管理难度大、专业协调复杂等特点，基于信息化及BIM技术能更好地满足高水平枢纽工程的建设需求。目前，信息化及 BIM 技术已经在铁路建造方面取得阶段性成果，未来还需要进一步深化智能铁路建设全生命周期BIM 应用。研究总结我国枢纽工程信息化及BIM技术的应用成果及现状，并对其未来发展趋势和方向进行展望。

一铁路综合交通枢纽BIM应用需求

1.1立体化设计需求

枢纽工程往往充分利用地上地下空间进行立体化设计。对于深埋地下立体空间，其内部结构布局复杂，二维环境难以表达立体空间的构造关系。利用BIM技术建立三维模型，融合三维立体场景，直观表达地下空间构造设计以及各专业之间的关系，实现多专业地上地下空间的可视化协同设计，为站房实施建设以及调度指挥提供依据。

1. 2复杂工艺建造需求

枢纽工程建造涉及多种复杂工艺，施工精度要求高，传统的施工方式难以保证施工精度。利用BIM 技术在设计期进行图纸审查以及优化，预先根据复杂工艺节点进行BIM建模，优化节点工艺设计，简化施工方案。基于三维 BIM 模型开展复杂施工工艺、施工步骤可视化模拟，指导施工人员掌握施工要点，满足复杂工艺的建造要求。

1. 3建设管理需求

枢纽工程参建单位众多，管理难度大。结合信息化及 BIM 技术建立统一的 BIM 管理应用标准，实现枢纽工程建设一体化管理。将建设过程中的多源数据集成于统一的 BIM 管理平台，基于 BIM 平台对建设过程实施可视化动态管理，解决参建方信息不对等、异地作业造成的沟通困难等问题，实现各参建方协同管理。

1. 4智能运维需求

枢纽工程涵盖多种不同专业，建设过程数据链条长，运维管理难度大。基于 BIM 技术实现智能运维管理，由人工运维向智能化运维迈进，破除传统运维中的数据孤岛现象。在运维阶段，以BIM模型为载体，充分挖掘、继承、处理设计与施工阶段数据，运维模型挂接设备、资产等运维信息，实现全生命周期数据集成，提升运维管理智能化水平。

二全生命周期信息化及BIM应用

将信息化及 BIM 技术应用于枢纽工程建设全生命周期，实现智能化设计、施工、管理、运维（见图1）。利用BIM技术集成性、可视化、协同性等优势以及信息化技术手段，解决枢纽工程在建设中的重难点问题，提高枢纽工程建设质量和效率。

2. 1智能设计

利用信息化及BIM技术实现枢纽工程智能设计，加强BIM工程师与各专业设计师协同作业；通过开展碰撞检测解决“错漏碰缺”问题，优化设计方案；对重点方案实施深化设计，基于BIM三维模型开展施工方案模拟，提升BIM技术在设计阶段的应用水平。

2.1.1协同设计

基于 BIM 模型实现专业间的协同设计，各专业设计人员在统一设计环境下开展图纸会审、可视化分析等设计作业，实现资源共享以及数据的集中管理。北京丰台站基于BIM模型进行图纸会审，出具图纸问题清单并汇总，各专业设计人员针对模型进行动态调整。清河站建立基于BIM的图纸会审系统，及时发现图纸中构件错位信息，避免了施工返工。

2.1.2碰撞检测

利用设计BIM模型开展各专业碰撞检测与管线的优化调整，检测铁路各专业内部设计漏洞。兰州西站预先协调管线空间位置，实现土建与机电专业 BIM 模型的链接，解决专业间的管线碰撞问题。清河站建立BIM三维模型对地下1层密集的风道管线进行碰撞检测，优化管线排布、提升管线净高。丰台站依托BIM模型实现了复杂区域机电管线的避让优化以及配套优化设计图纸的出具。

2.1.3深化设计

（1）钢结构深化设计。枢纽工程中钢结构尺寸多样、体量大、安装复杂，基于 BIM 建立钢结构专业模型，实施关键节点优化、施工模拟等钢结构深化设计管理。雄安站利用BIM软件Revit等完善钢结构内部构件，解决了节点多变问题。张家口南站基于BIM 技术在钢结构BIM建模—施工验算—场地堆放优化—节点深化设计—工程算量各阶段实现了钢结构精细化建设管理。

（2）混凝土结构深化设计。混凝土结构深化包含所需的模板、钢筋及脚手架深化工作。长沙西站基于BIM技术，模拟模板空间排布情况，动态调整参数信息，满足异型混凝土结构下的模板搭建精确定位需求。雄安站通过集成配筋及布筋方式信息，明确钢筋与管线、预埋件之间的位置关系，进行钢筋优化布置；依托虚拟漫游技术验算脚手架的设计 BIM模型，验证其布置的合理性。

（3）装饰装修深化设计。建立装饰装修深化BIM模型，实现设计效果立体展示，辅助完成站房外幕墙以及站房室内装修。清河站建立幕墙专业模型，对幕墙材料用量进行合理把控。北京星火站基于装饰装修模型对各分区材料工程量进行自动统计，利用BIM+VR技术对各材质装饰后效果进行可视化表达。杭州南站实现了对装饰装修模型高质量渲染，通过可视化全景漫游比选装修效果。

2.1.4施工模拟

在BIM三维模型中集成不同设计方案与周边环境的信息数据进行施工模拟，获得最优施工方案。张家口南站依托VR技术进行施工方案模拟，实时调整方案参数，形成多种可行性比选方案。丰台站作为双层车厂站房施工复杂程度高，针对有线钢栈桥建立BIM模型并进行动画模拟，审查方案设计精细度，提高施工方案编制水平。

2. 2智能施工

智能施工是枢纽工程智能建造的关键环节，以BIM技术为支撑，结合测量放样技术、三维扫描技术、3D打印技术、无人机技术、装配式技术等打造智能化施工应用模式，实现信息化BIM技术在施工现场高效率、信息化、智能化应用。

2.2.1BIM+测量放样技术

建立BIM模型中三维坐标数据与放样机器人的链接关系，驱动其快速完成测量放样工作。雄安站在BIM模型中设置现场控制点坐标以及建筑物结构点坐标，分别作为BIM模型复合对比依据，创建放样控制点，将数据导入智能放样机器人辅助进行现场智能定位放样。

2.2.2BIM+三维扫描技术

BIM结合三维激光扫描技术能实现对空间的全方位激光扫描，并实时建模，用于施工现场的土方开挖、环境采集等。雄安站利用三维激光扫描仪实现现场数据复测，对比分析测绘实际数据与BIM模型数据，确保数据的一致性。北京丰台站采用重点空间三维激光扫描技术，快、精、准地采集实景数据，结合BIM软件协助完成精细化建模。

2.2.3BIM+3D打印技术

BIM与3D打印技术在三维建模基础上能够实现二者技术的深度融合。通过数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，将设计的BIM模型按照比例打印成实体。北京丰台站将模型缩放打印进行交底展示，协同技术、施工人员预先掌握施工工艺要点。清河站建立等比例缩放建筑模型，3D打印建筑模型并与工程实体对比，验证材料、机械等摆放位置的合理性。

2.2.4BIM+无人机技术

深度融合无人机全景航拍与BIM技术，实现施工安全、质量、进度等智能化管理。通过自动巡检施工现场，全方位采集施工数据，辅助现场进行进度控制、质量监控、应急救援、安全隐患排查等应用。雄安站应用无人机实景建模技术，宏观把控站房施工进度，共享基于实景数据建立的BIM模型，实现对施工现场的全局监控和评估。常益长铁路引入无人机技术，突破人工巡检的局限性，及时掌握线路建设信息。

2.2.5BIM+装配式技术

开展基于BIM的预制装配技术应用，保障施工质量和安全，降低施工成本，提高施工效率，助力实现绿色施工。北京丰台站建立LOD400管线深化模型，打通模型与自动加工设备的数据接口，实现管线的工厂预制化加工。张家口南站基于BIM模型导出预制加工图纸，进行工厂化加工，结合二维码技术识别组件安装位置，实现现场装配施工。

2. 3智能管理

结合枢纽工程建设管理的创新需求，运用信息化及 BIM 技术集成施工过程中的数据信息，在进度、质量、安全、投资、环保等多方面实现智能化管理应用。

2.3.1进度管理

通过结构化电子施工日志驱动施工BIM模型进行进度三维模拟，合理安排施工工序和资源配置；设置现场进度“红线”预警，保障施工效率。广州白云站采用4D-BIM网格化进度管理，按照站房—分部分项—架子队—网格单元分层级划分，实现基于BIM的进度掌控。北京星火站集成BIM模型-时间进度人机料数据，实现以构件为最小单元的节点进度管理。

2.3.2质量管理

借助BIM技术和信息化手段进行信息自动采集—上传—监测—处理，实现质量全过程监控和问题溯源。杭州南站结合质量验收标准对原材料实施生产全过程数据自动采集与上传，确保质量从源头符合标准。清河站研制了检验批与质量的溯源系统，集成施工资料，以二维码形式建立与BIM模型的唯一交互关系，实现全过程高效质量管理。

2.3.3安全管理

对安全问题节点进行多终端链接的实时安全监测，实现源头和过程全面安全管控。北京丰台站建立针对大型机械的监测模型进行视频监控，实时反馈机械运行状态。清河站基于BIM＋IoT技术，针对塔吊进行运行监测和防碰撞管理，布置监控摄像头并关联BIM 模型，实现现场动态监控和安全预警。

2.3.4投资管理

枢纽工程涵盖专业众多，项目规模大，投资管理复杂。以BIM模型为基础，集成多专业工程量、质量与造价信息，实现基于BIM的投资协同管理。兰州西站实现了基于施工流水段的工程模型无损分割，将BIM模型中构件关联的人材机进行费用统计计算。广州白云站依托BIM模型结合施工进度进行造价估算，有效关联4DBIM模型与工程造价信息，实现投资的合理把控。

2.3.5环保管理

建立环境监控BIM平台，集成空气、噪声、水质等环境数据，依托在线监测仪表进行现场环境监测。杭州西站依靠信息化管理助力绿色施工，通过动态调整材料使用计划，节省了材料堆放用地，提高土地利用率。八达岭地下车站实时监测隧道中的粉尘、有毒气体等，保障环境质量以及施工人员安全。

2. 4智能运维

结合工程运维要求建立符合运维管理的BIM模型，继承设计、施工阶段的数据信息，开展设备、辅助资产、空间管理、应急管理等智能运维，有效提高运维效率。

2.4.1设备运维

基于BIM模型查看设备在虚拟环境中的空间位置，结合二维码识别、全景照片等技术同步设备的运行、维修记录信息到BIM模型，实时查看设备的数据信息并及时进行设备维护，确保设备运营安全。

2.4.2辅助资产运维

基于BIM实现资产的动态管理，根据构件资产的变更及时更新模型数据，形成资产管理运维模型。广州白云站对构件进行唯一性编码，基于运维模型建立构件与资产清单的映射关系。京张高铁开展基于清单管理的竣工资产交付，实现了BIM模型数据向运维管理系统的转移。

2.4.3空间管理

基于三维空间BIM模型，集成空间位置信息以及空间运营指标，掌握空间分配情况、人员流动、复杂管线位置等，有效管理建筑空间。广州白云站建立空间与构件的拓扑关系，关联构件各阶段空间数据，实现以构件为最小单元的空间分析。

2.4.4应急管理

在三维BIM场景中模拟真实灾害环境，快速识别并定位突发事件的位置信息，结合物联网等技术，实现预防—响应—处理—恢复的系统化应急处理机制。八达岭地下车站建立三维可视化防灾监控及仿真演练平台，实施应急灾害管理，提升八达岭车站防灾、救灾、减灾能力。兰州西站基于BIM模型开发火灾报警系统，集成检测、报警数据，及时应对火灾突发情况。

三结论与展望

3.1结论

信息化及BIM技术在铁路建设全生命周期的创新应用，提升了我国枢纽工程高质量建设和管理水平。提炼总结枢纽工程在智能设计、智能施工、智能管理、智能运维中信息化及BIM技术的典型应用，得出以下结论：

（1）依托BIM模型集成设计阶段有效信息，在协同设计、碰撞检测、深化设计、施工模拟各环节实现了枢纽工程专业间的数据与资源共享。破除了传统二维设计工作的弊端，基于三维场景保障设计成果的可视化、可模拟，实现了枢纽工程各专业设计信息交互、设计资源整合以及设计作业的协同。

（2）施工阶段以BIM技术为支撑，结合多元智能技术，依托现代化智能装备优化施工组织和工艺工法，形成智能化施工应用模式。在施工全过程实现进度、质量、安全、投资、环保等方面的高效协同管理，提高施工质量和效率，赋能枢纽工程数字化、智能化发展。

（3）基于设计和施工BIM模型不断更新丰富运维管理数据，实现了设计与施工建造数据向运维阶段的数字化移交，推动开展设备、资产、空间、应急等智能化运维管理，打通了设计、施工与运维阶段的数据壁垒。

3.2展望

结合枢纽工程建设的创新需求，未来还需要深化创新枢纽工程信息化及BIM应用，助力实现智能铁路2.0的发展目标。

（1）加强标准化与BIM信息化的融合。目前，铁路BIM技术标准体系已初步建立但尚未成熟，BIM技术在铁路行业的适用性仍需得到广泛应用验证。下一步要持续探索BIM应用新机制，不断完善枢纽工程中BIM 相关技术标准，深化BIM应用研究，完善面向智能铁路的BIM标准体系建设。

（2）创新铁路智能建造技术应用。深入把握智能建造的发展趋势，依托BIM、5G、云计算、人工智能等新一代信息技术赋能枢纽工程建设创新发展。基于“轴面协同、模数一体”理念，持续加强BIM技术与智能机械装备、绿色装配式、机器人等智能建造技术融合应用的深度和广度，不断丰富智能建造技术在枢纽工程建设阶段的创新应用场景。

（3）深化运维阶段BIM应用。目前枢纽工程BIM应用在运维阶段的相关研究较少，设计和施工阶段产生的信息价值无法在运维阶段得到充分体现。要进一步扩大BIM技术的覆盖范围，探索面向枢纽工程的一体化设备维护、智能化综合调度等创新应用，不断加强施工阶段向运维阶段的延伸应用，形成设计—施工—运维全生命周期一体化BIM综合应用体系。

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