中國鐵路BIM標準體系框架研究

年4月19日中國鐵路BIM標準體系框架研究文檔僅供參考中國鐵路BIM標準體系框架研究根據(jù)鐵路工程建設信息化總體方案的部署，BIM是實現(xiàn)鐵路工程建設信息化的主要技術發(fā)展方向，為此，中國鐵路總公司推動了BIM技術在鐵路工程上的應用研究。應用研究發(fā)現(xiàn)，BIM技術對鐵路工程建設有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值，同時也存在著許多難題和挑戰(zhàn)。BIM起源于建筑領域，BIM標準及應用軟件基本上都是面向民用建筑領域，沒有針對鐵路的標準，給BIM在鐵路工程領域的全面應用帶來不可逾越的障礙。經(jīng)前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然美國、英國、日本、新加坡等國都制定過相應的BIM標準，中國住房和城鄉(xiāng)建設部也于啟動了中國BIM標準的編制工作，但這些BIM標準所涵蓋的領域都局限為民用建筑。鑒于鐵路工程領域所涵蓋的專業(yè)領域要遠大于建筑領域，而且BIM技術本身也在不斷發(fā)展過程中，因此有必要在開展專業(yè)BIM應用研究試點的同時，開展鐵路BIM標準體系的研究，以在大范圍開展專業(yè)BIM應用時，統(tǒng)一指導、規(guī)范應用。中國鐵路總公司于已經(jīng)啟動了《基于BIM技術的鐵路隧道施工圖交付標準研究》等BIM相關課題的研究工作，之后還會陸續(xù)開展更多鐵路專業(yè)領域BIM技術應用研究；啟動了BIM標準體系的前期研究工作，提出了中國鐵路BIM標準的體系框架，將全面啟動中國鐵路BIM標準體系的研究工作。

1國內(nèi)外BIM標準現(xiàn)狀

1.1國際BIM標準

1.1.1美國國家BIM標準（NBIMS）

美國建筑科學研究院（NationalInstituteofBuildingSciences）分別于和發(fā)布了美國國家BIM標準第一版（NationalBuildingInformationModelingStandardversion1-Part1:Overview，Principles，andMethodologies）和美國國家BIM標準第二版（NationalBIMStandard-UnitedStatesVersion2），旨在經(jīng)過引用現(xiàn)有標準和制定信息交換標準為建筑工程施工工業(yè)整個生命周期的信息化提供統(tǒng)一操作憑據(jù)。

美國國家BIM標準第一版（NBIMS-USV1P1）并沒有提出具體的BIM標準體系，而是著眼于介紹BIM相關基礎概念、建立BIM體系的需求和提出BIM標準編寫的原理和方法論。它認為NBIMS的目標是為每個設施建立標準的機器可讀的信息模型，該信息模型包含此設施的所有適當信息，能夠被整個生命周期中所涉及的所有用戶使用，從而達成一個改良的計劃、設計、施工、運營和維護的過程。

美國國家BIM標準第二版（NBIMS-USV2）依據(jù)第一版的需求和方法論明確了BIM標準體系，大致包括引用標準、數(shù)據(jù)交換標準和BIM實施實用文件。其中引用標準和數(shù)據(jù)交換標準的目標讀者為軟件開發(fā)者與銷售者，BIM實施實用文件的目標讀者為AEC工業(yè)實施者。引用標準即已被國際認證或在世界范圍內(nèi)投入使用的標準，包括工業(yè)基礎類（IFC）、可擴展標記語言（XML）、建筑信息分類體系OmniClass、國際數(shù)據(jù)字典框架庫（IFDLibrary）；數(shù)據(jù)交換標準基于IDM和MVD指定了數(shù)據(jù)管理、信息控制擔保、信息可靠性的標準，并為具體的應用場景定義了不同的交換標準，包括施工運營建筑信息交換標準（COBie）、空間分析（SPV）、建筑能耗分析（BEA）、數(shù)量與成本估算（QTO）；BIM實施實用文件為AEC工業(yè)的使用者提供BIM項目實施指導，包括BIM能力與成熟度判別模型（CMM），BIM項目執(zhí)行計劃指南和內(nèi)容模板，機電系統(tǒng)（MEP）建筑安裝模型的空間協(xié)調(diào)與交付，計劃、執(zhí)行和管理信息移交向?qū)?。NBIMS-USV2體系框架見圖1。當前，美國國家BIM標準第三版（NBIMS-USV3）正在編制當中，計劃秋季發(fā)布。1.1.2英國BIM標準

英國于發(fā)布了《建筑工程施工工業(yè)（英國）CAD標準》（AEC（UK）CAD）來改進設計信息交付、管理和交換過程，隨著設計需求和科技的發(fā)展，此標準逐漸擴大涵蓋了設計數(shù)據(jù)和信息交換的其它方面。該項目委員會于重組，吸納了在BIM軟件和實施方面擁有豐富經(jīng)驗的技術公司和咨詢公司作為新成員，旨在滿足英國AEC行業(yè)對于在設計環(huán)境中實施統(tǒng)一、實用、可行的BIM標準的日益高漲的需求。11月和先后發(fā)布了《建筑工程施工工業(yè)（英國）建筑信息模型規(guī)程》（AEC（UK）BIM標準）第一版和第二版，與NBIMS的不同之處在于，英國的BIM標準只著眼于設計環(huán)境下的信息交互應用，基本未涉及BIM軟件技術和工業(yè)實施。

1.1.3日本BIM標準

日本建筑學會（JIA）于7月發(fā)布了日本BIM指南，從BIM團隊建設、BIM數(shù)據(jù)處理、BIM設計流程、應用BIM進行預算、模擬等方面為日本的設計院和施工企業(yè)應用BIM提供了指導。日本軟件業(yè)較為發(fā)達，在建筑信息技術方面也擁有較多的國產(chǎn)軟件，日本BIM相關軟件廠商認識到，BIM是需要多個軟件來互相配合，而數(shù)據(jù)集成是基本前提，因此多家日本BIM軟件商在IAI日本分會的支持下，成立了日本國產(chǎn)BIM軟件解決方案聯(lián)盟。

1.1.4新加坡BIM指南

新加坡建設局（BCA）于5月和8月分別發(fā)布了《新加坡BIM指南》1.0版和2.0版。《新加坡BIM指南》是一本參考性指南，概括了各項目成員在采用建筑信息模型（BIM）的項目中不同階段承擔的角色和職責。該指南是制定《BIM執(zhí)行計劃》的參考指南。《新加坡BIM指南》包含BIM說明書和BIM模型及協(xié)作流程。

1.1.5韓國BIM標準

在韓國，多家政府機構制定了BIM應用標準。韓國公共采購服務中心（PublicProcurementService，PPS）于4月發(fā)布了《設施管理BIM應用指南》和BIM應用路線圖。韓國國土交通海洋部也于1月發(fā)布了《建筑領域BIM應用指南》。該指南為開發(fā)商、建筑師和工程師在申請四大行政部門、16個都市以及6個公共機構的項目時，提供采用BIM技術時必須注意的方法及要素的指導。

1.2國內(nèi)的BIM標準

中國BIM標準研究起步較晚。11月清華大學對外公布《中國BIM標準框架體系研究報告》，1月住房和城鄉(xiāng)建設部將五本BIM標準列為國家標準制定項目。

1.2.1中國建筑信息模型標準框架（CBIMS）

11月清華大學對外公布《中國BIM標準框架體系研究報告》，12月由清華大學BIM課題組主編的《中國建筑模型標準框架研究》（CBIMS）第一版正式發(fā)行。

CBIMS的體系結(jié)構與NBIMS類似，針對目標用戶群將標準分為兩類：一是面向BIM軟件開發(fā)提出的CBIMS技術標準，二是面向建筑工程施工從業(yè)者提出的CBIMS實施標準（見圖2）。1.2.2中國國家BIM標準

1月住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)建標[]5號文件，將五本BIM標準列為國家標準制定項目。五本標準分為三個層次（見圖3）：第一層為最高標準：建筑工程信息模型應用統(tǒng)一標準；第二層為基礎數(shù)據(jù)標準：建筑工程設計信息模型分類和編碼標準，建筑工程信息模型存儲標準；第三層為執(zhí)行標準：建筑工程設計信息模型交付標準，制造業(yè)工程設計信息模型交付標準。1.2.3北京市地方標準《民用建筑信息模型（BIM）設計基礎標準》

該標準是北京民用建筑設計中BIM應用的通用原則和基礎標準。主要內(nèi)容包括：總則、術語、基本規(guī)定、資源要求、BIM模型深度要求、交付要求。

1.3國內(nèi)外BIM標準的分析

當前國外BIM標準主要分成了兩個層級：一類是以國家或行業(yè)級標準為目標，以美國的NBIMS為代表性，從軟件技術和工業(yè)實施兩方面對BIM的實現(xiàn)提出標準和指導；一類是基于某個BIM平臺軟件，以實現(xiàn)項目BIM實施過程的規(guī)范和統(tǒng)一為目標，以英國和新加坡制定的基于特定軟件的實施指南為代表?，F(xiàn)有國內(nèi)BIM標準基本可分為三類。

第一類：CBIMS標準框架，主要是從信息化的角度，從理論層面論述BIM標準體系的框架和方法論。該標準框架的理論和方法與NBIMS標準類似。CBIMS標準框架能夠作為中國國家和行業(yè)BIM標準編制的理論基礎。

第二類：中國國家BIM標準系列。為住房和城鄉(xiāng)建設部主持編寫的建筑領域國家BIM標準，研究思路參照借鑒國際BIM標準的同時兼顧國內(nèi)建筑規(guī)范規(guī)定和建設管理流程要求。

第三類：地方BIM標準。主要是對地域內(nèi)建筑BIM應用的統(tǒng)一規(guī)定。例如北京市《民用建筑信息模型（BIM）設計基礎標準》。

2國內(nèi)外現(xiàn)有BIM標準對鐵路行業(yè)的適應性分析

2.1現(xiàn)有國內(nèi)外BIM標準未涵蓋鐵路行業(yè)

國內(nèi)外BIM標準研究基本上都在建筑行業(yè)，包括的主要專業(yè)領域有：建筑、結(jié)構、暖通、電氣、設備、建筑施工管理、物業(yè)管理。

現(xiàn)有的國內(nèi)外BIM標準不能涵蓋鐵路行業(yè)獨有的專業(yè)領域，包括：地理信息、工程地質(zhì)、線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場、信號、機務車輛、電氣化等。在編制鐵路BIM標準時，所有鐵路行業(yè)獨有專業(yè)領域的信息模型都需要補充定義。

2.2鐵路BIM標準應該是完整的標準體系

由于中國鐵路BIM標準必須支持軟件開發(fā)和工程應用，因此中國鐵路BIM標準體系應視為一個完整的標準體系，包括技術標準和實施標準。技術標準包括數(shù)據(jù)存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準。實施標準主要用于指導和規(guī)范鐵路行業(yè)規(guī)劃、設計、施工、建設管理、運營企業(yè)實施BIM標準。中國鐵路BIM的技術標準和實施標準的專業(yè)范圍遠遠超出了現(xiàn)有建筑領域BIM標準的范疇，因此只有制定一套完整的標準體系，才能在鐵路工程中實現(xiàn)BIM應用的標準化。2.3鐵路BIM標準體系制定的難度和工作量巨大

由于建筑領域BIM標準中引用的基礎標準（IFC、IFD、OmniClass等）不能涵蓋鐵路專業(yè)領域，因此鐵路BIM標準體系中必須對這些基礎標準進行定義、擴充，定義的方法能夠借鑒現(xiàn)行的國際標準。但該項工作的難度和工作量是巨大的。IFC、IFD、OmniClass等基礎標準每一個都是一個專業(yè)的研究領域，需要專業(yè)人員去研究應用、擴展等技術問題。

建筑工程是工點工程，鐵路工程是線路工程，與建筑業(yè)相比，鐵路行業(yè)具有自身的特殊性，主要表現(xiàn)在：與地形結(jié)合緊密，區(qū)域范圍廣，因此要求鐵路BIM標準還要涵蓋GIS領域，BIM與GIS的結(jié)合是一項技術難題。

2.4BIM軟件對標準的支持至關重要

BIM專業(yè)設計軟件的發(fā)展以及對標準的支持非常重要。一方面BIM專業(yè)設計軟件多集中在建筑和設備相關的專業(yè)，鐵路工程中很多專業(yè)還沒有BIM軟件；另一方面，有實力占市場主導地位的軟件廠商對開放標準的支持不積極，對鐵路專業(yè)設計軟件的開發(fā)支持力度也較弱。沒有軟件的支持，BIM標準很難落地應用。

2.5中國鐵路BIM標準必須適合中國鐵路建設的需要

BIM標準隱含著工程建設的法律法規(guī)、政府監(jiān)管、建設管理模式、市場等一系列約束和需求，BIM標準的背后是一個國家對工程項目的管理體系，中國鐵路的BIM標準必須符合中國的國情，把國外的管理體系照搬到中國是不切實際、不可想象的，也無法取得成功。必須依照中國鐵路的情況來研究開發(fā)中國鐵路的BIM標準，只有符合中國鐵路的BIM標準才能規(guī)范、約束BIM技術在鐵路工程建設中應用，滿足中國鐵路工程建設的需求。

3中國鐵路BIM標準體系框架

3.1中國鐵路BIM標準序列

中國鐵路行業(yè)領域BIM標準序列應分為三個層次：

第一層，中國鐵路BIM標準。作為一種行業(yè)標準，應該滿足和遵守國家BIM標準的相關要求和規(guī)定。同時鐵路BIM標準體系內(nèi)一些對其它行業(yè)領域具有強制要求、指導或借鑒意義的規(guī)定能夠上升為國家標準。

第二層，企業(yè)BIM標準。鐵路設計、施工、建設管理、運營企業(yè)，在BIM國家標準、行業(yè)標準、地方標準的約束指導下，為實施本單位BIM項目制定的工作手冊或作業(yè)指導書。

第三層，企業(yè)項目團隊針對具體的建設項目制定，具有高度項目相關性的項目BIM工作原則。

中國鐵路BIM標準序列與中國國家BIM標準、地方BIM標準和相關行業(yè)領域間的關系見圖4。3.2中國鐵路BIM標準體系框架

中國鐵路BIM標準體系包括技術標準和實施標準兩大部分（見圖5）。技術標準分為數(shù)據(jù)存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準，其主要目標是為了實現(xiàn)鐵路建設項目全生命周期內(nèi)不同參與方與異構信息系統(tǒng)間的互操作性，用于指導和規(guī)范鐵路BIM軟件開發(fā)，主要面向IT工具。

實施標準主要是從資源、行為、交付物三方面指導和規(guī)范鐵路行業(yè)規(guī)劃、設計、施工、建設管理、運營管理實施BIM標準。

3.2.1技術標準

技術標準的主要目標是為了實現(xiàn)鐵路建設項目全生命周期內(nèi)不同參與方與異構信息系統(tǒng)間的互操作性，并為BIM實施標準的制定提供技術依據(jù)。主要用于指導和規(guī)范鐵路BIM軟件開發(fā)。依據(jù)CBIMS和NBIMS方法論，中國鐵路BIM標準體系的技術標準可分為數(shù)據(jù)存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準（見圖6）。（1）數(shù)據(jù)存儲標準。主要研究BIM模型數(shù)據(jù)存儲格式、語義擴展方式、數(shù)據(jù)訪問方法、一致性測試規(guī)范等內(nèi)容。

一種可行的方案是采用對建筑領域通用的IFC（工業(yè)基礎類）標準進行擴展的方式實現(xiàn)鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲標準。借用IFC中資源層和核心層定義的對信息模型幾何信息和非幾何信息的邏輯及物理組織方式，作為鐵路信息模型數(shù)據(jù)格式；使用IFC現(xiàn)有的外部參照關聯(lián)機制，將鐵路BIM信息語義關聯(lián)到IFC模型。該方案需要對語義擴展規(guī)則和方式進行統(tǒng)一的定義。優(yōu)點是不用對IFC領域進行大量擴展，不會對現(xiàn)有BIM軟件帶來過多的兼容性問題。擴展鐵路專業(yè)領域后的IFC框架見圖7。（2）信息語義標準。包括分類編碼體系和數(shù)據(jù)字典兩部分。

分類編碼體系能夠參照ISO1-2《施工工程信息的組織第2部分：信息分類框架》，結(jié)合中國鐵路行業(yè)的情況建立。將是一個采用面分類法，面向鐵路工程全生命周期的分類體系。該分類編碼體系的設計應考慮與鐵路建設管理模式、既有鐵路定額體系、中國國家BIM標準等的協(xié)調(diào)性。

數(shù)據(jù)字典可參照ISO1-3《施工工程信息的組織第3部分：面向?qū)ο蟮男畔⒖蚣堋方?，對行業(yè)中的概念語義，如完整名稱、定義、備注等進行規(guī)范，數(shù)據(jù)字典中的每一個概念都對應一個全球統(tǒng)一標識符（GUID）。

（3）信息傳遞標準。主要研究信息的傳遞和交換過程，信息模型的交付標準、信息安全與信息模型的知識產(chǎn)權等問題。

信息的傳遞。分析和定義鐵路建設項目全生命周期內(nèi)信息流動的過程、規(guī)則和場景。信息的傳遞一般發(fā)生在兩個維度：全生命周期內(nèi)規(guī)劃、設計、施工、運維各階段之間；業(yè)主（業(yè)務主管部門）、設計方、施工方、運營方各參與方之間，或參與方內(nèi)部各專業(yè)之間（見圖8）。信息模型的交付標準。結(jié)合中國鐵路建設管理規(guī)定，定義預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖、竣工驗收等主要成果節(jié)點的信息模型幾何信息和非幾何信息的精度要求。

信息安全。鐵路作為國家基礎設施，鐵路BIM信息模型在信息交換的過程中不可避免的要涉及基礎地理信息、基礎地質(zhì)信息等一些關系國家安全的敏感信息，如何在保證信息安全的前提下，最大限度地發(fā)揮鐵路BIM信息模型的效益是一項要研究的內(nèi)容。

信息模型的知識產(chǎn)權。BIM應用離不開BIM軟件，要想高效的使用BIM軟件，就離不開BIM模型庫（族庫）。BIM模型庫的豐富程度在很大程度上決定了BIM應用的推廣程度。BIM模型庫（族庫）的建立需要持續(xù)不斷的積累和大量的人力投入，因此BIM信息