基于BIM技術的鐵路站場設計應用與研究

孫軍先 楊文成

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

鐵路行業是我國經濟實力的重要體現，“中國高鐵”已成為我國走向世界的新名片。傳統鐵路建設方法以CAD軟件設計為基礎，整個勘察設計過程中缺乏系統性，各專業及各部門之間缺乏協同性，設計接口易出紕漏，設計成果缺乏直觀性和準確性，往往造成效率低、返工多、成本高等問題。

BIM技術在諸多發達國家土木建筑領域的應用已日臻完善，形成了較完整的BIM技術體系。國內曾一度受限于軟硬件技術及成本等因素，對BIM技術未有足夠重視，應用范圍小，發展遲緩。近年來，我國經濟技術高速發展，工程建設水平不斷提高， BIM技術在國內土木建筑領域得到快速普及[1-2]，越來越多的建設單位嘗試采用BIM技術對項目進行規劃、設計，從而提高建設和運營管理的效益[3]，在哈大客專、蘭新高鐵等工程皆取得了諸多成功經驗[4]。鐵路站場設計工作專業繁多，分工較細，影響因素復雜，精度要求高，協作性強，對傳統CAD設計方法改進的需求愈發迫切?；谖覈哞F項目智能化、數字化的要求，以及中國鐵路總公司對BIM技術試驗和探索的要求[5]，結合鐵路站場BIM設計工作實際經驗，對BIM技術在鐵路站場設計中的應用進行論述和總結。

1 制訂鐵路站場BIM設計相關標準

鐵路站場BIM設計工作開展之初，最重要的是制定一套較完整的標準體系，即需要規定BIM模型包含的內容信息。完整的BIM模型不僅含有幾何信息，還包含眾多非幾何屬性，以及各種非幾何屬性或幾何屬性間的邏輯關系[6]。目前，國內外研究的BIM技術應用標準，與鐵路站場相關的主要有五大類[7](見表1)。

1.1 鐵路站場BIM信息內容分析與編碼

目前，國內鐵路領域的BIM標準大多在修訂中，近年來開展的鐵路站場BIM工作多以中國鐵路BIM聯盟于2014年底發布的鐵路工程信息模型分類和編碼標準[7]為基礎。

鐵路站場BIM信息內容有不同的表達方式，在設計階段，經常按照形式特征、功能特征、工作類型特征來進行BIM模型的信息內容分析編碼。形式特征編碼主要針對一些抽象性概念，如中間站編碼為52-05 10 00，編組站編碼為52-05 30 00；功能特征編碼主要針對具體的工程構件，如站場中的警沖標編碼為53-06 06 10，站臺編碼為53-09 45 00；工作類型編碼更多地體現在工程量統計或規定工法，如挖方編碼為54-07 10 00，鋪軌編碼為54-16 10 00。目前，不同標準的鐵路并沒有進行區別編碼，建議增加一位編碼以區分不同標準的鐵路(可以增加在編碼首位，例如350 km/h的高速鐵路編碼為01，則通過編碼01 53-06 06 10就可以直接反映出鐵路等級信息)。

表1 主要BIM技術應用標準

1.2 鐵路站場BIM模型信息的應用

站場BIM設計中，模型的常用信息多以功能特征來進行定義。通常站場的模型信息主要分三部分：站場路基工程、站場軌道工程及站場設備工程。

(1)路基工程：涉及站場和地質路基專業，主要用橫斷面的形式控制各處變化，包括路基基本土石方、兩側邊坡防護、特殊路基支擋、管溝及其他各種附屬工程(如圖1)。

圖1 站場路基工程模型示例

(2)軌道工程：主要指鋪軌、鋪岔、道床。軌道種類、道岔種類繁多且構成零件復雜，模型建立初期工作量龐大，但后期可復制性強(如圖2)。

圖2 站場軌道模型示例

(3)站場設備：包含內容較多，如站場道路(見圖3)、各類構筑物(見圖4)、客貨設備等。不同附屬設備包含的工程量差異巨大，涉及專業也非常復雜。

圖3 站場道路模型示例

圖4 站場圍墻模型示例

2 鐵路站場BIM軟件平臺比較

目前鐵路站場設計軟件主要為Autodesk(歐特克)、Bentley(奔特利)和Dassault(達索)[8，9]，如表2。

鑒于鐵路站場設計的模型體量巨大及目前硬件水平限制，經試驗比較，Bentley平臺更適于鐵路站場設計工作。

3 基于Bentley平臺的鐵路站場設計方案

鐵路站場設計工作流程中，主要涉及到5個軟件： ProjectWise是協同管理平臺，屬于設計工作的基礎，貫穿于整個設計流程，涉及設計人員以及相關的非設計人員；MicroStation、Powercivil、RailTrack三個軟件一起完成模型建立、屬性賦予、工程量統計等工作，是鐵路站場設計的核心；LumenRT可以將基礎模型實現逼真、細膩的實景模擬。

表2 軟件平臺對鐵路站場設計適應性對比

3.1 協同設計管理平臺

ProjectWise可以為所有指定人員配置指定時間、設備及滿足網絡配置環境的操作平臺，項目的全生命周期都可以通過ProjectWise進行跟蹤控制。ProjectWise可以與Bentley的應用軟件進行高效集成。Bentley應用軟件在打開后會優先調用ProjectWise接口。

3.2 鐵路站場BIM模型設計流程

設計一個完整的鐵路車站，會涉及幾十個不同專業，根據工作流程，各專業有“站前”、“站后”之分，站場專業通常歸于站前專業。但實際車站設計工作中，站場專業基本與所有專業都存在交集。站場專業在某一設計階段的BIM模型建立大致可分為4個階段。

(1)幾何模型繪制

首先根據線路正線模型，以軌頂高程為控制因素，采用Powercivil繪制站線線位的平縱面模型，其中，道岔的設計需要用到RailTrack軟件。在航遙專業及地質專業提供的地形、地質模型基礎上，用Powercivil建立車站的路基模型(見圖5)。

圖5 斷面模板示例

根據不同設計階段，橫向坡度、排水設備等標準不同，其表層、底層、本體等基本模型組件可以通過建立相對標準模板庫的方式提高土木模型的制作效率。在路基和地形的基礎上，各種附屬設備的幾何模型用MicroStation逐步添加(見圖6)。

圖6 車站路基及附屬模型示例

(2)屬性信息賦予

目前，Bentley軟件平臺下的V8系列軟件對屬性添加功能支持較差，需要完成幾何模型繪制后，在MicroStation CONNECT版中進行非幾何屬性(如圖7)的添加工作。

圖7 屬性信息賦予示例

(3)多專業模型協同拼裝

在各專業模型建立后，需要進行模型拼裝、碰撞檢查，其過程需要多次修改、反復完善，相較于傳統設計方法，對各專業設計的精度要求更高。通過拼裝檢查，可以最大程度地提高設計的可行性、合理性，從而對工程項目的成本進行有效控制。

(4)工程數量統計

目前，Bentley軟件平臺的工程數量計算和統計功能應用在鐵路工程領域相對較薄弱，僅可利用PowerCivil生成路基工程數量，利用ProStructure生成鋼結構數量，其余仍以手工查看計算的方式為主，效率低下。需要各專業根據自身需求進行二次開發或結合其他軟件才能達到理想效果。

3.3 模型后期處理

車站基礎模型搭建完成后，通過LumenRT對基礎模型文件進行實景渲染，可以添加乘客、綠化、汽車等諸多模型，并可以加入時間、季節、光影等不同自然環境特效，最終形成如圖8的逼真效果。

圖8 LumenRT軌道交通模型動畫示例

4 鐵路BIM技術未來展望

近十年來我國鐵路行業高速發展，但勘察設計手段卻基本沒有改變，真正運用三維手段嘗試解決鐵路設計的成熟案例并不多見，而完全運用BIM技術進行設計的鐵路項目還未得到實際認可。BIM軟件基礎框架目前已經較成熟，但鐵路工程由于涉及專業多、周期長、影響因素復雜，需要對各種軟件進行深入的二次開發，才能真正適用于我國鐵路BIM設計工作。BIM技術在鐵路站場設計中亟待從兩方面進行推廣：

①以MicroStation CONNECTION版和即將全新發布的OpenRail為基礎平臺，開發適用于本專業特點的插件和構件庫[11]，滿足如道岔計算、路基特殊處理、排水計算等鐵路設計要求。

②加強點云勘測技術，點云技術配合BIM軟件才能真正使勘察設計三維化、BIM化，實現勘察設計方法的真正革新。

[1] 張建平.BIM技術的研究與應用[J].施工技術，2011(2)

[2] 李云貴，邱奎寧，王永義.我國BIM技術研究與應用[J].鐵路技術創新，2014(2):36-41

[3] 張建平，張洋，張新.基于IFC的BIM三維幾何建模及模型轉換[J].土木建筑工程信息技術，2009(1):40-46

[4] 湯志輝.基于BIM的鐵路站前工程信息分類編碼研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2016

[5] 余澤西.為全力打造“精品工程、智能京張”做貢獻[J].鐵道學報，2017，39(9):3

[6] 胡忠會.基于CATIA V5的三維標準件庫和非幾何屬性庫的開發及應用[J].航空標準化與質量，2003(6):13-15

[7] 李華良，等.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

[8] 何關培.BIM和BIM相關軟件[J].土木建筑工程信息技術，2010(4):110-117

[9] 何波.BIM軟件與BIM應用環境和方法研究[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(5):1-10

[10] 施平望.基于IFC標準的構件庫研究[D].上海：上海交通大學，2014

[11] 高智，仲思東，宋麗華.基于激光雷達數據的三維模型重建[J].儀器儀表學報，2004，25(S2):495-499

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