日本の鉄道分野では、デジタルなインフラ整備への大きな転換の一環として、BIM/CIMの導入が進んでいます。2023年度以降、国土交通省は直轄の公共土木工事においてBIM/CIMの原則適用を義務付けており、プロジェクト情報の作成・管理のあり方に対する要求水準は一段と高まっています。しかし、鉄道プロジェクトにおいては、BIM要件を満たすことは出発点にすぎません。3Dモデルを、実際の施工を支える信頼できる情報へとどのように変えていけるのでしょうか。本記事では、鉄道BIMモデリングから施工対応データに至るまでの過程と、その道のりで必要となるサービスについて解説します。
日本の鉄道インフラ：規模、老朽化する資産、複雑なプロジェクト条件
日本は、新幹線、在来線、都市鉄道、駅舎、橋梁、高架橋、トンネル、土工など、さまざまな時代に整備された鉄道施設を含む、世界有数の広大かつ高利用率の鉄道ネットワークを有しています。そのため、日本における鉄道インフラの整備は、新たな線路の建設だけにとどまりません。多くのプロジェクトは、既存ネットワークの延伸・改良や、既に稼働中のインフラへの新規構造物の統合を伴います。
例えば、鉄道建設・運輸施設整備支援機構（JRTT）は、新幹線と都市鉄道の両方のプロジェクトを継続的に手掛けています。神奈川東部方面線プロジェクトは、2.7kmの相鉄・JR直通線と10kmの相鉄・東急直通線から構成され、新たなインフラを既存の鉄道ネットワークと接続するものです。これは、日本の鉄道プロジェクトに特徴的な傾向を反映しています。すなわち、新規インフラは、既に確立され高度に相互接続された鉄道環境の中に収まる必要があることが多いのです。
老朽化する鉄道資産が更新の必要性を高めている
日本の鉄道インフラのかなりの部分は、すでに数十年にわたり供用されています。国土交通省によると、鉄道橋梁の平均築年数は約60年、鉄道トンネルの平均築年数は約70年です。多くの構造物が、すでに想定供用期間に達している、あるいはそれを超えています。
鉄道トンネルは、この課題の規模を如実に示しています。国土交通省は、鉄筋コンクリート造トンネルの標準耐用年数60年に対し、トンネルの平均築年数は約64年であると報告しています。鉄道トンネルの約53%がこの期間を超えており、その割合は20年以内に約80%に達すると見込まれています。
その結果、鉄道インフラに関する工事は、新設工事にとどまらないものが増えています。更新・取替、構造補強、改修、駅改良、軌道改良、耐震補強、長期的な維持管理といった業務の重要性が高まっています。
この変化は、プロジェクトチームにとって実務上の課題を生み出します。既存インフラでの作業には現況に関する信頼できる情報が必要である一方、新たな設計は既に存在するものと整合を図らなければなりません。既存図面だけでは十分な情報が得られないことがあり、特に、供用期間中に複数回の改修が行われてきたインフラについてはなおさらです。
列車の運行を維持しながら鉄道を建設・改良する
日本における鉄道工事を特徴づける課題の一つは、稼働を続けるインフラの周辺で工事を実施する必要があることです。
例えば、東日本旅客鉄道株式会社（JR東日本）による上野東京ラインのプロジェクトでは、運行を継続する鉄道線路の上に建設される区間を含め、非常に制約の多い都市環境の中で高架橋を建設する工事が行われました。
新宿駅の再開発は、さらに大規模な事例です。このプロジェクトは、日本有数の乗降客数を誇る鉄道拠点の一つにおいて、日々の鉄道運行を維持しながら進められています。JR東日本の推計によると、新宿駅を利用する乗客は1日あたり約300万人に上ります。
こうしたプロジェクトには、限られた作業スペース、既存の線路や構造物、稼働中の設備、旅客動線、限定された施工可能時間帯、仮設と本設の取り合いなど、通常の建設工事にはあまり見られない制約が伴います。
このような条件下では、設計は技術的に正しいだけでは不十分です。稼働中の鉄道環境の中で施工可能であることも求められ、比較的小さな空間上・調整上の問題であっても、施工計画や鉄道運行に影響を及ぼすことがあります。
一つのプロジェクトに含まれる複数の構造物、システム、取り合い
鉄道プロジェクトが単一の構造物や単一の分野のみを対象とすることはほとんどありません。例えば駅の再開発では、構造部材、建築要素、MEPシステム、鉄道設備、軌道、プラットフォーム、既存施設の間の調整が必要になることがあります。
橋梁、高架橋、トンネル、軌道インフラを伴うプロジェクトについても同様です。新設構造物は、既存資産だけでなく、異なる技術要件・空間要件を持つシステムとも調整される必要があることが少なくありません。
取り合いの数が増えるにつれ、プロジェクトチームは図面、モデル、仕様書、その他のプロジェクト情報全体の整合性を維持する必要があります。施工開始後になって初めて干渉が判明すると、再設計、手戻り、工程の遅延、あるいは現場での追加調整につながる可能性があります。
このため、多分野にわたる調整と、既存・計画条件の正確な表現は、鉄道インフラプロジェクトにおいて特に重要となります。
数十年にわたり管理されなければならないインフラ
鉄道インフラは長期的な運用を前提として設計されており、そのため、プロジェクト情報は施工完了後も長期間にわたり有用であり続けます。
典型的な資産は、次のような流れをたどることがあります。
設計 → 施工 → 運用 → 点検 → 補修 → 更新 → 再建設
このライフサイクル全体を通じて、当初の2D図面、改訂図面、点検記録、測量データ、点群データ、施工記録、維持管理情報など、異なる出所や異なる世代の資産に由来する情報が蓄積されていきます。
鉄道データから施工へ：BIMはどのように活用されるか
鉄道インフラにおけるBIMは、軌道、駅、構造物の三次元表現を作成することにとどまりません。その価値は、異なる出所の情報を集約し、複数の分野を調整し、設計から施工に至るまでプロジェクトデータを活用可能な形にすることから生まれます。
既存および計画中の鉄道インフラを3D化する
鉄道プロジェクトは、しばしば異なる出所の情報から始まります。プロジェクトチームは、既存構造物の2D図面、過去のプロジェクトのCADファイル、現地の測量データ、最近実施したスキャンによる点群データなどを保有していることがあります。こうした情報を効果的に調整するには、まず一貫したデジタル環境に統合する必要があります。
BIMモデリングは、こうした異なる入力情報を、既存および計画中のインフラの3D表現へと変換します。新設の駅、橋梁、トンネル、その他の鉄道構造物については、設計図面からBIMモデルを作成することができます。更新・再建設プロジェクトについては、点群データと測量データを用いて既存状況のモデルを作成することができます。
これにより、プロジェクトチームは、既に何が存在し、何が新たに追加され、両者がどのように整合する必要があるのかを、はるかに明確に把握することができます。
BIMによる鉄道要素の調整
鉄道プロジェクトには、寸法や位置が軌道線形に直接依存する要素が数多く含まれます。プラットフォーム、高架橋、橋梁、トンネル、排水システム、通路、鉄道設備は、いずれも鉄道の定められた形状およびクリアランス要件の中に収まらなければなりません。BIMを用いることで、こうした関係性を個別の図面ごとにチェックするのではなく、まとめて表現することができます。
実務的な活用例の一つが、鉄道要素間の取り合いチェックです。例えば、BIMモデルを用いて、プラットフォームの端部が軌道に対して正しい位置にあるか、構造部材が所要の建築限界の外側にあるか、設備や保守用の通路が利用可能なスペース内に収まるかを検証することができます。こうしたチェックにより、問題が施工段階に至る前に、より明確な形で特定することができます。
BIMは、複数の鉄道要素に影響を及ぼす設計変更の管理にも役立ちます。軌道の高さや線形の変更は、プラットフォーム、橋梁、擁壁、あるいは排水設備に対応する調整を必要とする場合があります。関連する要素が同一のモデル内で表現されていれば、設計者は複数の図面を個別に更新・比較するのではなく、より体系的に変更の影響をレビューすることができます。
複数の分野が関わり、設計変更が繰り返されるプロジェクトにおいて、BIMの価値は単に鉄道の3D表現を持つことにあるのではありません。BIMは、幾何学的な関係性をレビューし、取り合いをチェックし、関連する鉄道構成要素にわたって変更を追跡できる、共通の作業環境を提供するのです。
BIMを用いて実際の施工方法を計画する
鉄道プロジェクトでは、図面上で成立する設計であっても、現場での施工が難しい場合があります。施工チームは、特に新設構造物が既存の鉄道インフラに隣接して建設される場合、利用可能な作業スペース、機材・資材の搬入経路、仮設設備、施工境界、作業順序を考慮しなければなりません。
BIMモデルは、本設設計にとどまらず、主要な施工条件や仮設計画を表現するために発展させることができます。チームはこのモデルを用いて、搬入経路、作業構台、仮設構造物、掘削エリア、そして施工作業と既存の鉄道施設との関係をレビューすることができます。これにより、現場で実施する前に、さまざまな施工アプローチを検討することが可能になります。
モデルは施工工程表と連携させることで、4D BIMのワークフローを構築することもできます。工程表を単なる作業のリストとして見るのではなく、プロジェクトチームは各段階で鉄道のどの部分が施工中、撤去中、あるいは一時的に変更されているのかを把握することができます。これは特に、段階的な施工、制限された作業エリア、複数の施工段階を伴うプロジェクトにおいて有用です。
プロジェクトの要件に応じて、モデル要素を数量・コスト情報と連携させ、5D BIMや数量拾いを支えることもできます。これにより、BIMモデルは、完成した鉄道の3D表現であるだけでなく、材料の積算、数量の追跡、設計・施工変更の影響評価のための実務的な情報源となります。
BIMモデルを施工対応情報へと変える
BIMモデルは、正確なジオメトリだけでなく、プロジェクトの次の段階に必要な情報を含むことで、より価値の高いものとなります。鉄道インフラの場合、これには部材仕様、材料情報、数量、設置詳細、点検要件、施工記録などが含まれることがあります。
施工中は、こうした構造化された情報が、ショップドローイングの作成、数量の検証、設置計画、竣工図書の整備を支えることができます。設計変更が発生した場合にも、モデルは、独立した図面や表計算ファイルに頼るのではなく、関連情報を更新するための一貫した参照情報を提供することができます。
施工完了後は、同じモデルを資産管理・維持管理の出発点として活用することができます。竣工情報、点検記録、補修履歴、その他の関連データを鉄道の構成要素と関連付けることで、所有者は供用期間全体を通じて、より完全なインフラの記録を維持することができます。
したがって目的は、単に詳細な3Dモデルを納品することではありません。設計段階が完了した後も、鉄道資産を継続的に支えることができる、施工対応かつ活用可能なプロジェクトデータを作成することにあります。
BIM要件から実務的な納品まで
鉄道プロジェクトの要件を、活用可能なBIM成果物へと変えるには、単に3Dモデルを作成する以上のことが求められます。モデルは、プロジェクトの設計意図、現況、施工要件、情報基準を反映しつつ、調整、数量抽出、施工計画、将来の活用にとって実務的なものである必要があります。
ここで重要になるのが、適切なBIM作成ワークフローです。プロジェクトによっては、チームは2D図面、既存のCADデータ、測量情報、点群データ、あるいはこれらを組み合わせた情報をもとに作業を進める必要があります。また、分野間の調整、詳細なモデリング、4D/5D連携、後工程での活用を見据えたモデル情報の構造化が必要となる場合もあります。
Harmony ATは、鉄道・インフラプロジェクト向けにBIMサービスを提供しており、モデル作成から施工対応データに至るプロセスを支援します。当社のサービスは、プロジェクトの範囲や必要な詳細度に応じて調整することができ、プロジェクトチームが既存の設計・測量情報を、調整され、構造化され、活用可能なBIM成果物へと変える手助けをします。
