基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法研究

徐　博

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安　710043)

自BIM技術誕生以來，最先在建筑工程行業掀起了一股BIM熱潮，其間，涌現出眾多的優秀BIM輔助設計軟件。專業化軟件的產生在一定程度上推動了BIM技術的發展，同時，BIM技術的應用也在逐步改變傳統的設計、施工及建設管理理念，使之趨于信息化、精細化和標準化發展[1]。與建筑業相比，鐵路工程BIM起步較晚，且具有專業多、線路長、體量大、地形地質結構復雜的特點。鐵路工程BIM技術應在借鑒建筑行業BIM的基礎上結合自身特點進行研究[2]。鐵路設計院作為BIM全壽命周期的源頭，對BIM技術的推動起著至關重要的作用。選擇什么樣的BIM平臺，采用什么樣的技術路線來優化設計方案，提高設計效率就顯得尤為重要[3-5]。在鐵路BIM技術研究初期，基本以翻模為主，設計人員根據已有二維設計成果創建BIM模型，反向檢驗設計成果，而不能將設計中的“差錯漏碰”防范于未然，反而給設計院帶來了額外的負擔，使BIM技術的推廣在“源頭”上出現了問題。因此，有必要研究基于BIM技術的正向設計方法。

1　BIM設計平臺比選

目前，歐特克(Autodesk)、本特利(Bentley)和達索(Dassault)三家公司的軟件產品占據了大部分BIM軟件市場份額。針對基礎設施建設行業，每個平臺均提供了BIM解決方案[6]，但從正向設計角度衡量，各軟件平臺又展現出不同的優劣性，表1將各平臺對鐵路設計適應情況進行了對比。

從表1的對各大軟件平臺的對比情況可以看出，本特利平臺對于鐵路工程設計具有明顯的優勢，比較符合鐵路工程設計的特點，故選取本特利平臺進行鐵路BIM正向設計研究。

表1　三大軟件平臺對鐵路工程適應性對比

2　本特利平臺下鐵路BIM正向設計方案

2.1　BIM正向設計流程

BIM正向設計是指利用BIM技術，以地形、地質為基本設計資料，按照設計流程依次進行線路設計、站前工程設計和站后工程設計。設計過程與傳統二維設計過程類似，但需要有序的組織協同設計工作流和BIM數據流。工作流中規定了工作內容的先后順序，BIM數據流中定義了BIM設計成果的傳遞方向[7-9]。以站前隧道專業為例，從與其相關的上游專業開始，對鐵路工程BIM正向設計過程進行梳理(圖1)。其他專業設計過程類似，可對照開展工作。

圖1　基于BIM技術的鐵路正向設計流程

2.2　設計流程管理

一個鐵路工程項目的設計通常需要二十多個專業共同參與完成[10]。設計過程中伴隨著各種方案調整，資料互提，節點控制。要有序開展如此復雜的設計工作必須實施嚴格的流程管理。在BIM設計時，各專業基于同一可視三維空間開展工作，一個專業的設計需要同時參照多個專業的模型，具有文件類型多，參考關系復雜，版本更新頻繁的特點。此外，專業間的協同設計還需滿足跨區域數據同步的需求。目前，國內各鐵路設計院基本上都有自主研發的流程管理軟件，但主要適用于二維設計，不能對BIM協同設計中的數據流做到有效的追蹤和管理。

Bentley ProjectWise(以下簡稱PW)基于ModelServer和Internet技術開發，可在設計過程中進行BIM資料互提，文件版本管理，參考關系記錄，確保數據源一致，使設計人員突破空間限制，跨區域進行協同設計。

首先由管理員(項目負責人)在服務器端(PW Administrator)創建項目和專業配置，設定工作流程、項目組成員、統一的坐標系統和符號等，再根據不同的設計角色設定權限，如圖2所示。

圖2　PW服務器端設置

設計人員通過客戶端(PW Explorer)獲取本專業所需的項目資源，進行專業間互提資料。所有設計人員依靠統一的項目數據源開展設計工作。當工作狀態發生改變時，以信息的方式通知相關設計人員進入下一個工作節點，直至設計完成。

2.3　創建地形、地質模型

地形建模一般由測繪專業完成。首先，根據線位大致走向采用衛星遙感和航空攝影手段獲取高分辨率的地理信息，然后加工成數字高程模型(DEM)，正射影像(DOM)，最后在PowerCivil中利用DEM和DOM文件生成地形模型。

地質建模一直以來是鐵路行業BIM的一大難題，主要有兩方面原因：第一，地質模型多為不規則的異形體，人工建模難度較大；第二，地質模型作為鐵路各專業設計的基礎資料，要覆蓋整個鐵路沿線及周邊。模型體量大，數據多，一般軟件難以承載。但隨著近幾年來鐵路BIM軟件的發展，基于BIM基礎平臺開發的三維地質建模軟件已經能夠基本滿足工程需要[11-12]。例如，基于Bentley MicroStation上開發的AglosGeo能夠利用地質鉆孔、剖面，地質構造特征等數據創建地質模型，有效簡化建模難度，提高建模效率。在本特利軟件中創建的地形、地質模型如圖3所示。

圖3　地形、地質模型

2.4　線路設計

在鐵路工程設計中，線路平縱是所有專業空間定位的基準，線路數據能否被下游專業直接利用是實現BIM正向設計的關鍵。PowerCivil提供的線路平縱設計工具可直接在地形、地質模型上進行線路設計。

首先在平面視圖中設計線路平面，軟件會沿線路剖切地形模型生成地形縱剖面，在此基礎上進行線路縱斷面設計，最后在三維視圖中會自動擬合出線路空間曲線，如圖4所示。

圖4　PowerCivil線路設計

2.5　工點設計

工點設計主要是指以線路設計成果為基礎，結合地形地質條件進行的站場、隧道、橋梁、路基等站前土建工程設計及站后四電工程設計。下面以站前隧道工點設計為例，研究工點的BIM正向設計方法。

2.5.1創建標準斷面模板庫

隧道BIM設計與路基、橋涵工程類似，均為特定形式斷面沿線路有序的組合與拉伸。首先創建工點所需的標準斷面庫[13]。在PowerCivil中設計好隧道襯砌橫斷面，利用本特利平臺第三方軟件CivilStationDesign將隧道襯砌斷面以構件為單位導入廊道模板庫。為便于后面洞身設計，可在斷面庫中將各構件組合為一個完整的隧道斷面，如圖5所示。

圖5　創建標準斷面庫

2.5.2隧道洞身設計

隧道洞身設計是根據隧道埋深和地形地質情況確定在不同工況下采用什么樣的襯砌斷面，最后沿線路裝配成隧道洞身模型。首先通過PW將地形、地質、線路文件參考到隧道模型空間，依據地形情況初步確定隧道進出口里程，經過PW互提資料流程得到相關專業確認。最后參照圍巖地質情況在PowerCivil中用廊道工具將預先定義好的隧道襯砌斷面沿線路裝配，完成隧道洞身設計。

2.5.3隧道洞口設計

隧道洞口設計主要包括洞門結構設計、邊坡開挖與防護設計、洞口排水設計。洞門結構可直接在Microstation中進行三維設計。洞口排水溝與隧道洞身建模特征類似，設計方法同洞身設計。而隧道洞口開挖坡面是由兩側邊坡和拱部仰坡組成，在三維設計中，當采用不同坡率分臺階開挖時，邊、仰坡曲面的過渡設計是難點。對于此類特殊場地建模，嘗試將其導入GeoPak Site進行坡面設計能夠得到較為理想的效果。

首先將洞口地形文件導出為Tin格式，導入GeoPak Site進行洞口邊仰坡的參數化設計，利用引導線使隧道邊坡和仰坡自然過渡。最后將設計好的邊、仰坡曲面導出為DTM文件，在PowerCivil中與原始地形合并，形成開挖后的地形模型。剩余設計均可在PowerCivil中完成。

2.5.4隧道結構設計

隧道結構設計主要包括隧道錨桿，鋼筋網片，鋼架，二次襯砌鋼筋等。可利用結構設計軟件ProStructures完成，該軟件支持中國本地化技術規程設置。在鋼筋設計過程中，可調用常用鋼筋類型或自定義鋼筋類型。在鋼結構設計過程時，當選擇鋼構件連接形式并設定相關參數后，可自動生成鋼結構連接件。設計完成的隧道錨桿、鋼筋、鋼架模型如圖6所示。

2.5.5工程數量統計

經過實際驗證，在本特利軟件具有一定的工程數量計算和統計功能，具體可歸納為以下兩類：一類是利用專用工具如ProStructure、PowerCivil生成的鋼結構模型和廊道模型，這類對象能夠直接被軟件統計工程數量(圖7)。第二類為手工創建的模型，如隧道洞門，擋墻等，這類構件數量只能通過手動查看屬性的方法獲取，不能被統一匯總。前者雖然實現了體積、數量、質量的統計，但是形式比較簡單，項目類型離散，尚不能滿足實際工程需求。針對以上兩種情況，需要根據專業特點進行二次開發，對工程數量進行分類匯總后方可使用。

圖7　鋼架、二次襯砌工程數量表

3　鐵路BIM標準實施

3.1　鐵路信息模型相關標準

要使BIM信息在整個工程壽命周期內有序的傳遞，在建模時就應考慮合理的單元劃分、明確的構件標識和規范的屬性格式[14]。為此，中國鐵路BIM聯盟聯合各理事單位共同編寫并發布了《鐵路實體結構分解指南1.0》(EBS)、《鐵路工程信息模型分類與編碼標準1.0》(IFD)和《鐵路工程信息模型數據存儲標準》(IFC)，在鐵路工程BIM設計時應遵照執行。

3.2　本特利平臺上的標準實施

根據鐵路BIM標準相關要求，在BIM設計時應根據具體設計階段和所要表達的信息粒度，確定BIM構件組成，采用不同精細程度的單元和屬性集組合表達設計意圖，并對構件進行編碼，以便于后期對BIM進行有效的維護和管理[15]。

BIM單元應在構建模板庫時將其區分，裝配后會各自成為獨立的構件。編碼根據零件在鐵路IFC中所屬的專業領域，空間結構單元、構件[16]，采用鐵路IFD分類碼進行組合，形成構件唯一的“身份標識”。最后將編碼和鐵路IFC中定義的屬性集一并作為屬性信息添加到模型中。但在本特利(V8i版本)軟件中，一般是不允許用戶直接添加自定義屬性信息的，只能通過間接方式實現模型與信息的綁定。

首先在Bentley Class Editor中按照鐵路IFC中擴展的類和邏輯關系創建類，并為其創建屬性集，如圖8所示。在建模時利用Civil Station Design將模型對象與對應的類進行綁定，這樣就實現了模型、類與屬性集的統一。圖9為隧道拱墻附帶的信息，其中包含了IFC屬性集和對應的IFD編碼。

圖8　隧道分類與通用屬性集

圖9　構件屬性信息查看

通過測試發現，目前三大軟件平臺均不支持將BIM模型導出為鐵路IFC文件，亦不支持鐵路IFC文件的導入。不同平臺下設計BIM文件最終以什么格式交付用于施工及運營維護是一個亟待研究的問題。

4　建議與展望

4.1　鐵路BIM正向設計建議

(1)鐵路BIM正向設計不宜脫離上下游專業獨立研究，專業間的數據交互是正向設計的關鍵。開展BIM正向設計時應盡量選用數據格式互通的軟件，以便于專業間模型和數據相互調用。

(2)基于本特利的鐵路BIM正向設計技術路線基本可行，但基礎平臺軟件對鐵路設計的專業化程度不足，一個專業的設計工作需要在多個軟件中完成，正向設計效率偏低。應注重對基礎平臺的二次開發，使其符合鐵路設計習慣，提高設計效率。

(3)在進行鐵路工程BIM設計時，只有遵循統一的技術標準才能使BIM信息在工程建設各階段有序的傳遞。目前鐵路工程BIM標準尚處于驗證和完善階段，僅靠設計院推動存在一定困難，需要業主、設計院、施工單位和軟件廠商多方共同努力方能推廣執行。

4.2　BIM設計未來展望

BIM作為未來鐵路信息化建設的發展方向，已經在業內得到了廣泛的應用和發展[17]，并取得了實質性進展。隨著鐵路BIM標準的不斷完善，將促使BIM技術在鐵路設計中更加廣泛的推廣和應用。BIM設計手段作為鐵路信息化建設的一部分，融合了當今先進的計算機資源、測繪技術、網絡和大數據技術[18-19]，其優越性必將給鐵路工程設計行業帶來一場巨大的變革。

5　結語

以本特利ProjectWise為協同管理平臺，測繪、地質、線路、隧道專業共同參與，對鐵路工程正向設計流程與設計方法進行了探索研究。通過隧道BIM正向設計，實現了直接利用地形、地質和線路BIM資料進行工點設計的途徑和方法，總結出在本特利平臺上進行鐵路工程BIM場地開挖、廊道設計、結構設計和BIM標準實施的方法。可推廣應用于鐵路其他專業開展BIM正向設計，為我院開展全專業BIM協同設計積累了寶貴的經驗，為鐵路BIM技術的可持續發展奠定了基礎。

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