1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
（1）铁路建设发展概况
在中国，铁路营业里程长，是人们交通出行的首选方式之一。截至 2019 年年底，铁路营运里程已达 13.9 万公里（其中高铁占 3.5 万公里），从表 1-1 中可以看出，铁路总发送旅客人数仅次于公路，已成为综合交通运输的骨干网络和旅客出行的首选方式之一。
除此之外，规划还明确提出，通过新建线路和对既有线路改造的方式，在2020 年实现“四纵四横”客运网络的建成贯通。在川渝地区、江汉平原地区以及长三角沿江地区建立交通网络，实现大能力快速运输。同时，在长三角、珠三角、环渤海京津冀地区，建立形成城际轨道交通的主要干架，对于城镇密集地区，力争建成公交化轨道交通。
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1.2 国内外研究现状
BIM、人工智能等新技术的出现，为实现铁路工程建设信息化提供了重要的技术支持。下面将从铁路工程造价管理、铁路 BIM 技术的应用以及应用 BIM 实现工程量清单计价三个方面来分析国内外研究成果。
1.2.1 铁路工程造价管理研究
铁路工程项目由于具有体量大、耗时长，工程呈线性分布等特点，受沿途所经地区的地质、水文条件、人文环境等影响较大，其造价管理工作相对复杂，投资控制所受风险较多，因此，对于铁路工程造价管理的研究也一直是业内学者较为关注的问题。对铁路工程造价管理方面的研究现状进行总结分析，有助于了解目前的造价管理发展现状，为本文的研究奠定基础。
（1）国外研究现状
英国的工程量清单计价方式起步较早，应用也较为成熟，是较为典型的应用工程量清单计价的国家之一。在英国，工程量清单在 QS (Quantity surveying)的制度环境下诞生和发展，工料测量师是主要的从业人员，其工作主要是在已经完成的设计图纸基础之上编制工程量表，计算工程量。工料测量师一般在接受业主委托后，开始编制工程量表，其中的核心工作是依照建筑工程量标准计算规则(SMM(standard Method of Measurement of Building works))计算工程量。
由于受经济体制及社会发展环境等因素的影响，国外对于铁路工程造价管理的研究大都集中于造价管理风险、影响造价的因素控制以及运维阶段的成本管理研究，对于造价方法本身或是造价标准等方面的研究较少。例如，BenyaminGhoreishi（2019）针对铁路最优线路选择问题，提出将隧道、桥梁的成本函数与线路选择模型相结合，通过添加惩罚函数等方式保证模型在确定最优线路时可以兼顾成本最小原则，进而优化造价[5]。Mats Andersson（2016）通过对瑞典铁路的货运量与客运量以及铁路更新维修情况的观测分析，通过回归模型，估算客运与货运量对于铁路更新成本的影响，及每增加一吨运量所产生的维修成本，为铁路的运维更新提供参考[15]。
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2 相关理论研究
2.1 铁路 BIM 标准
BIM 标准的实施，为 BIM 技术的广泛推广和应用提供了依据和支撑，使得项目各参与方能够在统一的标准规范下进行信息传递和共享，同时也为 BIM 技术的规范发展提供了有力保障。在铁路工程领域，BIM 标准的研究已取得了较大突破，以铁路BIM联盟为首，各相关机构在以IFC引领的标准体系框架下展开研究，目前已发布并实施了多项标准，为推动 BIM 技术在铁路工程中的应用做出了重要贡献。
2.1.1 BIM 标准的体系结构
铁路 BIM 标准体系框架以 IFC 为引领，包含技术标准和实施标准两部分，软件开发需参照技术标准，标准中对于信息存储、信息语义、信息传递等内容均作出了规定和指导。在工程实施过程中，实施主体需参照的主要标准为实施标准，该标准对 BIM 应用过程中的资源、行为、交付物等内容做出了规范和指导。
截至目前，铁路 BIM 联盟已发布两部技术标准，分别为信息语义标准和数据存储标准。《铁路工程信息模型分类和编码标准》（信息语义标准）已于 2014年 12 月发布实施，该标准与建筑和地理信息领域国家标准兼容，将信息模型分为建设资源、建设过程、建设成果、其他四大类，参照 ISO12006-2 推荐分类方式对各类信息模型进行进一步划分，该标准还对铁路 BIM 模型中各类模型的编码方式作出了规定。《铁路工程信息模型数据存储标准》（数据存储标准）于 2015年 12 月发布实施，该标准是对铁路工程在 IFC 标准基础之上的扩展，扩展内容主要集中在资源层、核心层和共享层三个层次。例如，在资源层(Resource Layer)中扩展线路中心线，在核心层(Core Layer)中扩展 IFC Alignment 类，用于表示铁路线路中心线，在共享层(Intero pLayer)中增加了铁路工程共享模式的定义。
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2.2 模块化理论
2.2.1“模块化”的实质
对于“模块”与“模块化”的概念界定，至今仍无统一的定论，目前较为主流的观点主要有以下几种：一种是卡利斯·鲍德温和吉姆·克拉克提出的“模块”定义，他们将“模块”定义为：“半自律性的子系统，通过和其他同样的子系统按照一定的规则相互联系而构成的更加复杂的系统或过程”。而“模块化”则是将复杂的系统进行拆分，使之形成不同的模块，在模块间设计标准化接口，使模块间可以有效地进行信息沟通，是一种动态分解与整合的过程。日本学者青木昌彦认为，“模块”是可组成系统的、具有某种确定独立功能的半自律性的子系统，可以通过标准化的界面结构与其他功能的半自律性子系统，按照一定的规则相互联系而构成更加复杂的系统。“模块化”则是由模块的分解与模块的组合两部分构成，其中模块的分解是将复杂系统分解为具有办自律性且可进行独立设计的子系统的过程，模块的组合是将各子系统按照一定的规则整合起来形成更复杂系统的过程。国内一些学者则认为，模块化是将复杂系统分解为各子系统的过程。国内学者李春田对模块化进行了研究总结，他认为，模块化具有应对高度复杂性、应对不确定性、应对环境变化三种主要特性。
应对高度复杂性，即在模块化的过程中，应注重模块化对象的整体性，避免某些整体特性因分割而丢失或改变。某一整体事物往往由多个要素组成，并且各要素之间还会存在纷繁复杂的关系，并且其关系受外界因素影响较多，并非呈简单的线性关系，并且，越是复杂的事物，其整体性越明显，也就是说，高复杂性事物的组成要素之间的联系错综复杂，一旦将其切割开来，将失去这些错综复杂的连接关系，对事物的认识也就有失偏颇，因此不能将高复杂性的事物进行简单切割。而模块化理论之所以可以应对高度复杂性，原因在于在对事物进行模块化分解之前，首先要对事物的整体性进行研究，通过设计规则将与整体性相关的关系和联系进行保留，使每一模块都遵循设计规则，从而保留事物的整体性。
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3 BIM 应用于铁路工程造价管理中的问题及信息需求分析 .................29
3.1 铁路工程造价管理的现状及问题分析 .............................29
3.1.1 铁路工程造价管理的现状 ...................................29
3.1.2 铁路工程造价管理存在的问题 ...............................34
4 基于 BIM 的多层级铁路工程量清单构建研究 ..........................43
4.1 基于 BIM 的多层级铁路工程量清单 EBS/WBS 构建...................43
4.1.1 基于模块化理论建立多层级铁路工程量清单的总体思路 .........43
4.1.2 BIM 与铁路工程量清单差异性分析 ...........................44
5 基于 BIM 的铁路工程量清单计价方式研究 .............................75
5.1 铁路工程 BIM 建模及信息扩展 ...................................75
5.1.1 基于本体理论的造价信息模型 ...............................75
5.1.2 基于 IFC 标准的 BIM 构件化信息扩展 .........................77
5 基于 BIM 的铁路工程量清单计价方式研究
5.1 铁路工程 BIM 建模及信息扩展
5.1.1 基于本体理论的造价信息模型
本体为知识和知识之间关系的表达提供了正式的语义表示方法，以便于明确地构建概念以及概念间的分层组织，定义概念之间的关系，并使计算机可以识别应用。通过应用本体技术构建造价信息模型，梳理造价相关知识概念以及概念间的关系，可以为后期计算机的识别和应用提供基础，进而为实现造价的自动化管理奠定基础。
在本体理论中，E-R 图（也称实体-联系图，Entity Relationship Diagram），提供了表示实体类型、属性和联系的方法。E-R 图由实体、属性和联系三大要素构成，其中，实体是客观上可以相互区分的事物或概念，用矩形表示，属性即某一实体所具有的特性特征用椭圆形表示，联系即实体之间的关系，用菱形表示。E-R图被广泛应用于数据库设计领域（具体流程如图 5-1），例如在需求分析阶段用来描述信息需求或要存储在数据库中的信息的类型。同时，E-R 图后期还可以被转换为相应的本体语言，例如 XML、OWL 等，为计算机的识别和应用提供了基础。在实现基于 BIM 的铁路工程造价管理过程中，可以将工程量与清单单价均看作整体的数据库，而研究要实现的主要有两点：一是完善工程量和清单单价相关数据库的信息，二是建立清单单价与工程量之间的关联。在这种思路下，可以将基于 BIM 的铁路工程造价管理看做一个整体的数据库，在构建数据库之初，需要明确信息内容及需求，此部分已在第 3 章做出分析，接下来是构建概念结构，设计 E-R 模型，最后是将 E-R 模型转化为关系模型，为数据库的设计提供参考。
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6 结论与展望
6.1 结论
研究的主要研究结论如下:
（1）建立起基于 BIM 的铁路工程量清单分解结构。在对现行铁路工程量清单结构、BIM 模型结构、铁路 BIM 标准三者之间存在的差异进行分析的基础上，明确工程量清单改进方向。基于模块化理论，结合铁路 BIM 相关标准对现行工程量清单的分解结构进行了改进，构建了多层级工程量清单分解结构。
（2）对清单知识表达内容进行了分析。通过对工程量清单计价信息需求进行分析，设置了工程量清单信息内容，并结合不同造价阶段的信息需求，分别对各层级工程量清单的编码、项目特征表达、工作内容描述、计量单位和计算规则设计方式进行了分析。
（3）对基于 BIM 的铁路工程量清单计价方式进行了分析。基于本体理论，从构建信息化数据库的角度出发，分析了实现铁路工程自动计价的概念模型，并以此为基础，对工程量清单单价进行了重新构建，并基于描述逻辑推理理论，对清单单价与工程量的映射方式进行了分析。
（4）对基于 BIM 建模软件直接导出工程量清单进行了初步实践。基于第 4章信息扩展内容，分析了在 IFC 标准基础上为模型扩展计价相关信息的方法。并以个别属性为例，演示了在 Revit 软件中为构件扩展计价相关信息的方法，使之可以导出到工程量明细表，最后通过具体案例进行了基于 BIM 建模软件导出工程量清单的完整演示。
参考文献（略）