鐵路工程站前設計信息交付標準（IDM）研究

張吉松 白園園 趙麗華

（大連交通大學 土木工程學院，大連 116028）

引言

鐵路工程設計一般包括站前專業設計和站后專業設計。站前專業一般包括測繪、地質、路基、線路、站場、軌道、橋梁和隧道等；站后專業一般包括四電、建筑、給排水、工經、機輛等[1]。國家鐵路BIM 聯盟發布了一系列BIM 標準，例如《鐵路工程信息模型數據存儲標準》等[2]，現有BIM 標準尚未定義設計階段各專業間信息交付流程和內容，尤其是IFC 標準未定義不同的項目階段中不同項目角色所需的交換的特定信息，導致鐵路工程設計階段專業間信息交付的標準化程度不高。

IDM（Information Delivery Manual，信息交付手冊）正是針對IFC 不能實現特定階段特定目的的信息交換定義而提出的解決方案。Building SMART 組織是IDM 標準的引領者Wix[3]撰寫了IDM 指南第一版，其中闡述了IDM 任務目標、組成部件和開發方法。Wix和Karlshoej[4]在此基礎上編寫了IDM 指南1.2 版本，后來此版本被ISO 組織認證為ISO 29481-1:2010[5]，即建筑信息模型—信息交付手冊—第一部分：方法與格式，為IDM 的研究提供了標準化范本?；贗DM 標準化范本，美國和北歐將IDM 拓展到勘察設計領域中建筑結構設計、能量分析、設備運維、基建工程等多個方面[6-13]。國內學者研究主要集中在IDM標準的架構、描述方法、建筑設計流程、能耗分析、信號與通信[14-27]等方面。

綜合國內外IDM 研究可以看出：IDM 更多用于建筑領域BIM 的數據交互研究中，而鐵路IDM 研究尚處于探索階段。本文采用IDM 方法從流程定義方面研究鐵路工程站前設計階段的設計流程，并以鐵路工程中的站前專業為研究對象，運用BPMN 方法繪制出鐵路工程設計階段站前專業的設計流程圖，對交換場景與交換需求進行描述并以表格形式呈現，對提高鐵路工程協同設計水平和加強設計專業間信息交付的標準化提供幫助。

1 研究方法

完整的IDM 技術架構有五個組成部件，分別為流程圖、交換需求、功能部件、商業規則和有效性測試[28]，如圖1 所示。其中，流程圖與交換需求是兩大核心部件。

圖1 IDM 技術架構圖

IDM 的開發主要由兩大部分構成，第一部分是與行業從業者相關的流程定義，具體包括：

（1）繪制并描述流程圖；

（2）說明交換場景，描述活動內容；

（3）描述交換需求。

在流程定義完成基礎上，進行第二部分軟件解決方案的開發，包括：開發MVD 和開發軟件。對第一部分流程定義中的流程圖繪制與描述進行介紹如下：

IDM 標準中的流程圖基于業務流程建模標注方法（Business Process Modeling Notation，以下簡稱BPMN）進行繪制。BPMN[3]是對象管理組織開發的一種用于流程圖繪制的流程建模通用的、標準的標記方法，主要由流對象（Flow Objects）、連接對象（Connecting Objects）、 泳池（Swimming Pool） 與泳道（Swim Lane）和人工附加/模塊（Artifacts）等四類建模元素及符號組成，具體包括泳池（由多條泳道組成）、泳道、開始事件、中間事件、結束事件、任務、順序流、消息流、網關、數據對象、數據存儲和組等流程圖元素。BPMN流程圖簡單示例如圖2 所示，該圖中表示“設計流程”的“泳池”是由“角色1”所在的“泳道”、“信息模型”所在的“泳道”和“角色2”所在的“泳道”共同組成的。

圖2 BPMN 流程圖示例

在多任務組成、多角色參與的BPMN 流程圖中，為了使項目各參與方的需求得到充分表達，需要利用特定格式的標準表格對其進行詳細的文字描述。標準描述表格有流程圖概述表格和流程描述表格兩類。為了規范化表達所制定的IDM 標準，需要提前定義出一套標準表格的描述模板并羅列出該標準定義所需包含的全部信息，使用者使用時只需進行規范化填寫即可。

2 鐵路工程站前設計IDM

2.1 流程圖繪制與簡要描述

本研究以鐵路工程站前設計各專業交互信息為研究對象，定義出鐵路工程站前設計階段的IDM 如圖3所示。其中不同的角色活動位于不同的泳道，信息模型作為單獨的角色類型擁有其專屬的泳道。參與人員包括業主、線路設計工程師、橋梁設計工程師、路基設計工程師、隧道設計工程師、軌道設計工程師、站場設計工程師和審查者。不同泳道內的任務根據實際情況進行配置：業主包括提出用于指導各專業設計的業主需求、對各專業的初步設計進行管理、對各專業的施工圖設計進行管理三個任務；各專業的設計工程師主要進行可研設計、可研設計審核、初步設計、初步設計審核、施工圖設計、施工圖設計審核等六項活動，過程中產生的信息、工程節點信息的交互在流程圖中展示。

圖3 鐵路工程站前設計階段的IDM

本研究的整個設計過程中各專業進行廣泛的交流與協作：測繪與地質專業為鐵路工程站前設計提供基礎數據與資料；作為鐵路牽頭與骨架專業，線路作為流程圖的上游專業，橋梁、路基、隧道、軌道和站場等其余專業為下游專業；在可研設計階段，線路專業依據業主提出的需求創建體量模型并與其余專業的可研方案進行協調以滿足各專業設計需求；在初步設計階段，線路專業率先形成其初步設計BIM 模型，其中包含一定的線路實體并傳遞給下游各專業用于指導各專業的初步設計，下游各專業依據線路初步設計BIM模型進行分析、計算以形成包含各自專業構件的初步設計BIM 模型并反饋到線路專業用于協調、敲定線路初步設計方案；在施工圖設計階段，線路專業進一步深化初步設計并形成施工圖BIM 模型，下游各專業再一次接收線路施工圖BIM 模型（信息精度比初步設計階段的高）并在各自初步設計基礎上完成各專業的施工圖BIM 模型。各專業的設計工作需要審查者對各個方案進行審核以確定其設計是否合理。最后，審查者整合鐵路工程站前設計各專業的施工圖BIM 模型形成一個綜合BIM 模型，當審核結果不理想時將其反饋到各專業進行施工圖設計前的工程節點并進行修改，反之就形成了綜合的BIM 設計模型。

2.2 交換場景

交換場景是一種從業主、設計師等BIM 用戶角度進行信息非技術性方式描述的方法，它可以完整描述流程圖中各個活動及所需進行的信息交換。針對本研究的流程圖，給出了該流程圖對應的交換場景，主要描述了信息流的發送方和接收方、信息傳遞的內容和目的等，部分交換場景如表1 所示。

表1 交換場景（部分）

從線路設計工程師的視角描述該設計過程的信息流。線路根據業主需求開展線路的設計工作，地形、地質人員（模型發送方）將地形、地質模型（交換內容）交給線路設計工程師（模型接收方），其目的是將地形、地質模型中的各種參數（語義信息）交給線路專業并為其可研設計提供基礎資料以進行該階段方案的設計；接著進行線路的初步設計得到早期的初步設計方案，線路設計工程師（模型發送方）將早期的初步設計方案交給橋梁/路基/隧道/軌道/站場設計工程師（模型接收方）用于指導其余站前專業的初步設計，所需要的語義信息就是線路模型中的各種參數；此外，在最終敲定線路初步設計方案時，橋梁/路基/隧道/軌道/站場設計工程師（模型發送方）將各自初步設計階段的BIM 模型交給線路設計工程師（模型接收方），其目的是將其余站前專業初步設計階段的設計需求及方案同線路進行溝通、協商以指導線路初步設計最終方案的敲定，語義信息為各專業模型中所包含的設備信息。

2.3 交換需求

數據對象是交換需求在流程圖中的體現，其最重要、最核心的部分就是數據需求的屬性需求表，即交換需求表。此表格描述了某個設備類型需要交換的屬性、屬性描述以及模型接收方對本屬性是需要（R）還是可選擇（O）等內容。線路設計工程師交換信息如表2 所示，其中展示了根據線路設計工程師交換場景（表1 中編號3）建立交換需求表。

表2 線路設計工程師交換場景的描述

表2 中橋梁、路基、隧道、軌道和站場等BIM模型編碼分別與圖3 的BRI_.1、SGR_.1、TUN_.1、TRA_.1、STA_.1 相對應。線路中心線是線路同其他專業進行信息交互的核心交換內容，它包含了線路的走向、長度、里程和位置等信息，是其他站前專業的重要參考資料。線路中心線模型定位了橋、隧、站和路等各段落，因此這些信息是橋隧站路的必需信息，在表格中標記為“R”，對“線路名稱”這一信息的交互，各下游專業對其是可以需要也可以不需要，即該信息是可選的，標記為“O”，由此，交換需求表格便建立起來了。

3 結論

本文在結合實際設計過程的基礎上，繪制了包含線路、橋梁、路基、隧道、軌道和站場六個專業的BPMN 流程圖。一方面是幫助各專業明確自身職責與任務，另一方面給出了各站前專業間進行信息交流和傳遞的工程節點，使得信息的流向更加地清晰，之后在所定義的設計流程圖基礎上從交換場景、交換需求詳細描述，并以線路設計工程師地視角給出了同其他專業間的信息交換需求表格。這在一定程度上為制定鐵路工程其他專業的IDM 提供了參考。另外，需要特別指出的是，IDM 是將實際工作流程與信息交互需求定義清晰并用于特定階段或特定目的。但檢驗IDM 能否真正落實IFC 標準，還需要開發MVD（模型視圖定義）并在協同設計平臺中對IDM 進行測試與驗證。