BIM技術在軌道工程設計中的應用探討

■ 艾山丁

BIM技術在軌道工程設計中的應用探討

■ 艾山丁

分析軌道工程BIM設計成果特點，結合京沈客專BIM試點軌道工程中的應用，研究軌道工程BIM設計方法；建立零件庫、模板庫、骨架線，進行零件裝配、模板實例化，對基于BIM模型的工程數量計算方法、有限元分析方法、二維圖紙生成方法進行初步研究；結合軌道工程設計特點，得出BIM設計技術在軌道工程中的適應性分析結論，為BIM技術在軌道工程設計中的應用奠定基礎。

BIM；軌道工程；京沈客專；適應性分析

近年來，BIM技術以其可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、造價精確性及造價可控性等特點［1-2］，在工程生產效率，進度、質量、成本控制，資產運維等領域起到了重要作用。由于鐵路行業工程的復雜性、參與專業的多樣性、專業接口與信息交換的高頻性及工程建設管理的精細化［3］等特點，BIM技術在鐵路行業的探索、推廣、應用將為鐵路行業帶來一次技術革命。

1 軌道工程BIM設計成果特點

軌道工程作為鐵路工程項目中的一項站前工程，具有設計內容精細、繁瑣、專業接口多、設計精度要求高等特點。

1.1 信息豐富化

當前軌道工程設計主要采用CAD計算機輔助設計，設計成果往往為文件說明與二維通用設計圖紙。首先，二維設計圖紙并不能充分表達三維實體結構；其次，二維通用設計圖紙并不能表達某個具體工點的設計情況，而要輔以相應設計表格，進行查詢換算；此外，二維設計圖紙較難反映與相關專業設計接口信息。因此，利用目前軌道工程采用的設計形式并不能直觀、精確地表達設計成果，而軌道設計過程中大量信息也不能得以存儲，無法將豐富的信息傳遞至制造、施工及運營單位。

若利用BIM技術進行設計，將設計文件、BIM模型作為設計成果，并輔以關鍵工點的二維圖紙，則一定程度上可提高設計精度、深化設計成果。以BIM模型為載體，將豐富的設計信息存儲至模型上，則可提高信息傳遞利用率，為后續工作所用。

1.2 可優化性

設計過程中運用BIM模型，經過模型的簡化處理、網格劃分、邊界定義等，可利用常用有限元軟件進行結構初步分析，對設計成果進行優化，從而達到優化結構參數、降低工程造價的目的。

1.3 協調性

軌道工程傳統設計一般在工程線位，橋、隧、路基形式及其缺口較為穩定的情況下，才具備開展設計工作條件。但凡上述任何一個專業進行微小改動，軌道設計方案都需要隨之調整。

利用BIM技術進行設計，可保證上序來源的唯一性與同步性。當交付成果為具有可視化、協調性的BIM模型時，可對專業接口處設計成果進行重點檢查，及時發現問題，調整設計方案，降低差、錯、漏、碰出現概率，為保證施工工期、減少返工、提高施工質量打下基礎。

2 BIM技術應用案例

鐵路行業BIM設計探索主要集中于橋梁、隧道工程等［4-8］，結合京沈客專BIM試點軌道工程進行分析。

2.1 工程概況

京沈客專BIM試點位于DK373+975—DK380+417.82處。含車站1座，長1 400 m（站內橋梁231.75 m）；區間橋4座，總長2 502.87 m；區間隧道1座，長380 m；區間路基4段，總長2 159.95 m；線路全長6 442.82 m。雙線線間距按5.0 m設計。軌道工程區間采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，岔區采用軌枕埋入式無砟軌道結構。

2.2 軌道結構設計

2.2.1 零件庫建立

建模過程中，對于規格種類相對較少的構件（如軌道板等），采用局部坐標系下獨立建模，并批量裝配的方式進行BIM模型建立。針對這一類構件納入零件庫進行管理。

BIM試點建立的零件主要包括：軌道板、自密實混凝土層、隔離層、路基上18號單開岔區無砟道床、路基上18號單渡線岔區無砟道床及橋上18號單渡線岔區無砟道床等（見圖1）。

圖1 零件庫模型

2.2.2 模板庫建立

建模過程中，對于規格種類復雜多樣、構件幾何和非幾何信息隨線路狀況變化而變化的構件（如底座、底座伸縮縫泡沫塑料板、聚氨酯等），采用全局坐標系下建立骨架線，然后重復調用模板，批量生成構件的方式進行建模。針對建模時用到的模板納入模板庫進行管理。

BIM試點建立的模板主要包括：鋼軌模板、底座模板、底座伸縮縫模板等（見圖2）。

圖2 模板庫模型

2.2.3 軌道結構參數化設計

BIM試點以總骨架線為基礎，實現了軌道結構超高設計（見圖3）及CRTSⅢ型板布板設計。

圖3 軌道結構超高設計表達

參數化建模主要體現在骨架線和各構件之間相互關聯，以及利用模板自動批量化生成所需構件。

BIM試點初步實現骨架線和各構件之間相互關聯，利用已建成的模板，完成近90個工點模型的建立工作（見圖4）。

圖4 工點模型

2.3 工程數量計算

利用已建成的BIM模型進行工程數量計算探索。初步實現了鋼軌、軌道板、自密實混凝土層、底座工程數量計算［9-11］。

2.4 有限元模型

在設計過程中遇到特殊工況時，通常需要利用有限元軟件進行結構檢算。

在已建成的BIM模型中，選取個別計算單元，對影響網格劃分的模型細部尺寸進行簡化處理。然后進行網格劃分，邊界條件定義后，即可得到初步可用的有限元模型（見圖5、圖6）。

圖5 BIM模型

圖6 有限元模型

2.5 生成二維圖紙

利用已建成的區間軌道結構模型進行生成二維圖紙軌道結構布置圖的探索（見圖7）。

圖7 軌道結構二維布置圖

3 BIM技術在軌道工程中的適應性分析

可視化、協調性、優化性、可出圖性、設計精確性是BIM設計的的5大特

點。

（1）可視化特點：軌道工程對于路橋過渡段、CRTSⅢ型板地段、伸縮調節器地段、岔區地段等特殊工點的軌道結構設計，在BIM設計模式下可以得到更清晰、更直觀的表達。

（2）協調性特點：軌道專業與上下序各專業間的配合更加順暢。如在接收上序專業的缺口里程時，將橋、隧、路基等專業的缺口點直接作為上序來接收，省去從上序專業提供的電子或紙質文件中讀取缺口里程再轉換至本專業設計成果中的過程。

（3）優化性特點：軌道工程在接口較多的岔區地段、設備較復雜的鋼軌伸縮調節器地段完成BIM模型后，設計人員可以更直觀地看到設計成果。利用BIM技術可以為設計優化創造更大便利條件。

（4）可出圖性特點：軌道工程對于復雜的設計工點，可以利用BIM模型進行二維圖紙的輔助輸出，能夠更清楚更豐富地表達設計成果。

（5）設計精確性特點：軌道專業相對其他土建專業來講設計精度較高。如采用BIM設計技術后，模型中已經體現了施工坐標系下軌道板的位置、底座的位置等，與原有通用圖設計模式相比，設計內容更加豐富、設計成果更加精確。

［1］ 何關培.BIM總論［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［2］ 何關培，李剛.那個叫BIM的東西究竟是什么［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［3］ 劉延宏. EBS在鐵路工程建設管理中的應用探討［J］.中國鐵路，2015（7）：62-65.

［4］ 李麗，馬婷婷，袁竹.BIM技術在鐵路隧道設計中的應用［J］.鐵路技術創新，2014（5）：45-48.

［5］ 魏州泉.BIM技術在鐵路橋隧工程中的應用研究［J］.鐵路技術創新，2014（5）：9-13.

［6］ 劉彥明，李志彪.BIM技術在鐵路設計中的推廣應用［J］.鐵路技術創新，2015（3）：51-54.

［7］ 張雪才.BIM技術在鐵路設計行業的應用研究［J］.鐵路技術創新，2014（5）：14-18.

［8］ 楊詠漪，徐勇，陳列.滬昆客專北盤江特大橋BIM應用研究［J］.鐵路技術創新，2014（5）：54-58.

［9］ 朱丹.鐵路行業EBS分解研究［J］.鐵路技術創新，2015（3）：21-23.

［10］ 李華良，楊緒坤，沈東升.鐵路工程信息模型分類和編碼標準研究［J］.鐵路技術創新，2015（3）：17-20.

［11］ 朱純瑤，楊緒坤.建筑信息分類編碼體系對鐵路BIM的借鑒作用［J］.鐵路技術創新，2014（5）：35-38.

艾山丁：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，工程師，天津，300142

責任編輯 高紅義

U213.2；TP39

A

1672-061X（2016）03-0062-03