BIM技術(shù)在魯南鐵路軌道設(shè)計中的應(yīng)用

馬 彎

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）是在開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下，對設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命周期信息的可計算或運(yùn)算的形式表現(xiàn)，與建筑信息模型相關(guān)的所有信息組織在一個連續(xù)的應(yīng)用程序中，并允許進(jìn)行獲取、修改等操作[1]。BIM核心在于提取并組織從項(xiàng)目提出、規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營乃至拆除的全生命周期的信息，以模型為載體，通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)同設(shè)計、三維展示、過程模擬和施工管理等功能。

鐵路設(shè)計是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)性工程，需線路、橋梁、隧道、軌道和站場等30多個專業(yè)之間協(xié)調(diào)合作，傳統(tǒng)設(shè)計方式旨在完成專業(yè)內(nèi)單一任務(wù)，易造成專業(yè)間信息溝通不及時、設(shè)計意圖不明確，形成信息孤島。BIM技術(shù)包含的全生命周期信息有望解決以上問題，鐵路行業(yè)已加速BIM理論與應(yīng)用研究速度。

自2013年12月17日，中國鐵路BIM聯(lián)盟成立以來，多次召開鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)研討會，組織研究并發(fā)布了《鐵路工程實(shí)體EBS分解指南》[2]、《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[3]、《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》[4]等多個BIM標(biāo)準(zhǔn)。同時，為推動BIM技術(shù)在鐵路工程設(shè)計中的應(yīng)用，鐵路總公司先后開展了一系列試點(diǎn)項(xiàng)目，如新鼓山隧道BIM技術(shù)的應(yīng)用研究[5]、武（漢）襄（陽）十（堰）鐵路全專業(yè)BIM試點(diǎn)研究[6]、滬通鐵路太倉港站綜合路基BIM設(shè)計[7]等。本文以魯南鐵路為試點(diǎn)，確定軌道工程BIM設(shè)計思路[8-9]，探索在Bentley平臺上的應(yīng)用流程，為進(jìn)一步研發(fā)軌道BIM設(shè)計系統(tǒng)提供參考。

1 工程概況

魯南鐵路試點(diǎn)長29.5 km，其中，含橋梁4座，車站2個。正線地段采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，主要由60 kg/m鋼軌、WJ-8B扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土及限位結(jié)構(gòu)、底座等組成；岔區(qū)采用軌枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)，其組成為道岔鋼軌、扣件系統(tǒng)、岔枕、鋼筋混凝土道床板和支承層等；到發(fā)線采用有砟軌道，主要由60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、Ⅲa型有擋肩混凝土軌枕、道床等組成。

2 平臺選擇及設(shè)計流程

2.1 平臺選擇

考慮到Bentley平臺軟件的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，均為.dgn格式，不存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的障礙，可基于ProjectWise進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計，實(shí)現(xiàn)制造、設(shè)計、施工、運(yùn)營全生命周期協(xié)同，防止屬性信息的丟失，且Bentley平臺運(yùn)行效率高，適用大體量工程信息模型的建立。因此，采用Bentley平臺完成魯南鐵路軌道BIM設(shè)計。

Bentley平臺中，軟件包括Microstation V8i（MS）、PowerCivil（PC）、OpenRoads Designer、OpenRail Designer、LumenRT、ProStructures、i-model、ProjectWise（PW）、Bentley Navigator等。MS為基礎(chǔ)建模軟件，不具備專業(yè)模塊功能，其余軟件基于MS，以滿足不同專業(yè)、不同階段及不同功能需求的專業(yè)型軟件。曲阜南站軌道設(shè)計主要使用的軟件，如圖1所示。

圖1 Bentley平臺

2.2 設(shè)計流程

軌道專業(yè)的設(shè)計流程，如圖2所示。（1）依據(jù)線路、橋梁、路基等專業(yè)提供的資料，建立設(shè)計源文件，為設(shè)計骨架；（2）建立軌道構(gòu)件庫，主要包括道床橫斷面庫、鋼軌型號斷面庫以及軌枕、扣件等特征信息不隨里程變化的軌道構(gòu)件庫；（3）根據(jù)設(shè)計源文件，利用所建立的軌道標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行軌道設(shè)計，形成軌道BIM；（4）以軌道BIM為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)軌道的三維展示、碰撞檢測等功能。

圖2 軌道BIM設(shè)計流程

3 軌道BIM設(shè)計

3.1 建立源文件

利用PowerCivil軟件平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計、里程標(biāo)注等功能實(shí)現(xiàn)線路設(shè)計，生成線路三維模型，如圖3所示。基于線路模型，根據(jù)線下基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行軌道設(shè)計，如橋梁、隧道設(shè)置里程等信息。

3.2 構(gòu)件庫

圖3 線路三維模型

采用PowerCivil軟件橫斷面模板的功能創(chuàng)建道床和鋼軌等斷面模型；利用MicroStation軟件創(chuàng)建扣件、軌枕、軌道板等構(gòu)件模型，如圖4所示，構(gòu)件模型的精度達(dá)到《鐵路BIM模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》中LOD350施工圖模型精度要求。其中，鋼軌與軌枕尺寸信息依據(jù)型號設(shè)置為固定值；道床橫斷面有砟軌道結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計過程中通過調(diào)整線間距、軌道結(jié)構(gòu)高度等值實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計。同時以特征定義的方式為鋼軌、軌枕、道床等構(gòu)件附加屬性信息，包含尺寸、材質(zhì)、里程、坐標(biāo)、元素模板、元素標(biāo)識、文件位置、模型描述、工程特征屬性等信息，根據(jù)需求設(shè)置模型與信息的參數(shù)化。

圖4 構(gòu)件模型

3.3 軌道設(shè)計

設(shè)置項(xiàng)目的特征定義與元素模板，添加軌枕、鋼軌、道床等不同構(gòu)件的層、線型、線寬、材質(zhì)等屬性信息；用于預(yù)定義各模型的屬性信息，規(guī)范具體工程項(xiàng)目中的操作。通過工程項(xiàng)目屬性的規(guī)范，將構(gòu)件模型與工程項(xiàng)目結(jié)合，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件模型的實(shí)例化。便于自動化實(shí)現(xiàn)因構(gòu)件模型、橫斷面模板修改引起的變更，即可實(shí)現(xiàn)工程模型的參數(shù)化，同時便于軟件對模型的識別及后期工程算量、碰撞檢測、施工過程模擬。

利用廊道模型功能，通過指定項(xiàng)目線路、起始里程、終止里程、橫斷面模板實(shí)現(xiàn)軌道設(shè)計，如圖5所示；對于軌枕、扣件等構(gòu)件模型，通過讀取線路信息模型，結(jié)合橋梁、隧道等數(shù)據(jù)，以及輸入不同段速度區(qū)間實(shí)現(xiàn)超高計算，進(jìn)行軌道設(shè)計，最終形成軌道模型，如圖6所示。

圖5 軌道設(shè)計

圖6 有砟軌道、雙塊式無砟軌道、Ⅲ型板式無砟軌道

3.4 應(yīng)用

（1）碰撞檢測

采用Navigator實(shí)現(xiàn)專業(yè)內(nèi)與專業(yè)間模型的碰撞檢測，及時避免道岔區(qū)轉(zhuǎn)轍機(jī)與軌道碰撞、橋隧結(jié)構(gòu)與軌道結(jié)構(gòu)的匹配性、軌道板布置的不合理等問題出現(xiàn)；除上述硬碰撞外，需對設(shè)計中的軟碰撞進(jìn)行檢測，如鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置、無縫線路是否滿足規(guī)范要求等。

（2）施工過程模擬與進(jìn)度管理

在BIM設(shè)計成果的基礎(chǔ)上，模擬計劃施工，分析施工計劃的合理性，與施工方聯(lián)合展開更為全面的施工組織深化模擬。便于明確各專業(yè)施工中遇到的問題，以及進(jìn)行施工前的培訓(xùn)演示等。在施工過程中，記錄實(shí)際施工進(jìn)度，智能對比分析進(jìn)度偏差，實(shí)時預(yù)警進(jìn)度偏差等。

4 軌道BIM設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)想

基于BIM技術(shù)在魯南鐵路的應(yīng)用，提出鐵路軌道BIM設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)想，如圖7所示。系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下[8-9]：

圖7 軌道BIM設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)想

（1）制定軌道BIM的工作環(huán)境，用于存儲界面、構(gòu)件庫、圖形標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等信息。

（2）統(tǒng)一創(chuàng)建模型與附加信息所需遵循的標(biāo)準(zhǔn)文件，以規(guī)范構(gòu)件的信息內(nèi)容、存儲方式，模型的精度等。在具體項(xiàng)目中，通過構(gòu)件樹將構(gòu)件模型與項(xiàng)目連接。

（3）建立鐵路軌道構(gòu)件信息模型庫，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件信息模型與信息的管理。

（4）實(shí)現(xiàn)軌道BIM設(shè)計，可通過輸入基本設(shè)計信息、快速讀取線橋隧等專業(yè)設(shè)計成果進(jìn)行軌道正向設(shè)計。

（5）生成的軌道設(shè)計成果可供相關(guān)專業(yè)輔助設(shè)計，含數(shù)據(jù)和模型，其信息內(nèi)容與深度、模型精度等達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（6）能夠自動出圖、算量、三維設(shè)計成果展示。

（7）實(shí)現(xiàn)各階段的協(xié)同設(shè)計，將設(shè)計成果用于施工、運(yùn)營以及養(yǎng)護(hù)維修階段，各階段重要數(shù)據(jù)可反饋至設(shè)計成果中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、施工、運(yùn)營期間數(shù)據(jù)交互。

（8）能夠?qū)崿F(xiàn)工程管理，對工程模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

5 結(jié)束語

以魯南鐵路為試點(diǎn)，探索Bentley平臺實(shí)現(xiàn)軌道BIM設(shè)計的流程及在軌道專業(yè)的可行性。（1）設(shè)計中完成了扣件系統(tǒng)、雙塊式軌枕、Ⅲa型長枕等構(gòu)件庫的建立，創(chuàng)建了鋼軌、參數(shù)化有砟道床等橫斷面模板庫，建立不同跨橋梁Ⅲ型板軌道結(jié)構(gòu)、道岔區(qū)長枕埋入式無砟軌道等軌道組合構(gòu)件庫，以提高復(fù)用性；（2）設(shè)計過程中，定義特征、元素屬性等，規(guī)范基礎(chǔ)的工程屬性；（3）進(jìn)行簡要的軌道設(shè)計、超高計算等；（4）探索軌道模型的后續(xù)應(yīng)用；（5）目前，Bently平臺的功能尚未達(dá)到軌道BIM設(shè)計的需求，提出軌道BIM設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)想，仍需利用Bentley平臺完善軌道構(gòu)件庫并實(shí)現(xiàn)構(gòu)件庫的管理；（6）創(chuàng)建并定制軌道專業(yè)模塊，通過界面輸入以人機(jī)交互方式快速實(shí)現(xiàn)軌道BIM設(shè)計；（7）需進(jìn)一步探索擴(kuò)展應(yīng)用，利用工程BIM，深度探索施工模擬、碰撞檢測等以驗(yàn)證方案與指導(dǎo)施工。

在此基礎(chǔ)上，以BIM為載體，有效地與監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)計建造一體化平臺結(jié)合，存儲并管理數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)模型與現(xiàn)場工程的實(shí)時連接等。