基于歐特克平臺的鐵路路基BIM設計技術研究

靳 猛

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

自從BIM概念提出以來，最早應用于建筑領域，因為有較為成熟的配套軟件支持，已有較多成功應用案例[1-3]。在鐵路工程領域，近幾年來在，在中國鐵路BIM聯盟組織推動下，其標準規范體系逐步完善，各試點項目正在穩步推進，BIM技術在鐵路工程中的應用得到快速發展[4-8]。

鐵路工程項目開展BIM以來，路基工程一直是鐵路BIM設計的重難點[9]。鐵路路基設計在鐵路設計各專業中相對特殊，雖然在路基設計中將路基本體當結構物設計，但鑒于路基與地形結合的緊密性以及路基本體填料非剛性、非規則性結構，路基本體設計隨地形變化，橫斷面形式多樣，不能像一般剛性結構物那樣快速進行標準化、模塊化設計，并且BIM設計對標準化要求較高，對鐵路路基BIM設計帶來的困擾也較多。

在銀西高鐵BIM試點項目，選擇歐特克平臺進行了鐵路路基BIM設計實踐，探索驗證了鐵路路基BIM設計技術路線，探討該平臺在路基BIM設計的適用性，并系統研究了路基BIM設計各項技術難點，進行了平臺軟件二次開發，取得了較好的BIM設計應用效果。

1 路基BIM設計技術路線

初步設計和施工圖設計時，按《鐵路工程信息模型交付精度標準》及《鐵路工程信息模型表達標準》進行BIM設計，則需要更專業的軟件實現更精細化的模型設計[10]。在歐特克軟件平臺上鐵路路基BIM建模主要采用Civil3D軟件及Revit軟件實現。在Civil3D上實現路基本體結構造型，用Revit軟件實現路基附屬結構造型。將路基本體結構模型dwg格式轉成Revit格式，實現路基專業的模型整合。

銀西高鐵BIM項目全專業均采用Revit軟件進行結構建模，各專業模型坐標系按線路專業絕對或相對坐標系，進行空間定位控制，在同一協同平臺上進行組裝，并進行專業間協同設計[11]。

路基BIM模型可以按照施工需要進行分部創建，對于特殊的復雜的路基工點，可以使用歐特克平臺Navisworks軟件進行模型渲染和施工模擬，也可以導入InfraWorks或其他3DGIS系統進行拓展應用[12]。

鐵路路基BIM設計的載體核心是路基模型，在模型完備的基礎上附加必要的工程信息，通過協同設計平臺進行信息傳遞及信息交換。信息模型完備后，以此為基礎，添加站后設備等其他信息模型，進行運營維護管理應用[13]。

2 歐特克平臺下鐵路路基BIM設計方案

2.1 創建路基本體模型

路基本體模型的創建采用Civil3D軟件，基本思路是在設計好線路平縱斷面后，通過設計裝配進行放樣等生成路基本體模型。裝配就相當于路基標準橫斷面。裝配由部件連接而成，部件指的是一些固定尺寸路基附屬結構斷面，例如實體路肩、路肩電纜槽等(圖1)，一些可以通過設定目標追蹤的進行平面及高程變化的部件，例如多級邊坡(圖2)、加寬(圖3)、超高等，這樣就可以實現路基裝配相對固定的部件以及隨地形或設計要素相對變化的裝配(圖4)，適應路基橫斷面根據地形曲面變化的設計要求。

圖1 路肩電纜槽部件

圖2 挖方邊坡部件

圖3 路塹部件

圖4 路基裝配

通過對不同里程段落的路基賦予不同的裝配，生成不同段落的路基本體結構。通過提取道路實體命令提取路基本體結構模型(圖5)含基床表層、基床底層、基床以下及側溝、電纜槽等。路基本體模型提取后，可以將地形曲面與路基模型本體邊坡曲面含路基模型頂面或底面進行剪切、粘貼等操作，將路基本體模型曲面與地形曲面有機結合在一起。對于路塹，用路塹地面對地形曲面剪切后形成類似開挖后的地質模型體(圖6)。

圖5 路基本體模型

圖6 剪切后地質模型

2.2 創建路基附屬結構模型

路基附屬結構模型的創建主要在Revit平臺上進行創建，通過Revit平臺族工具創建常規模型的族文件達到參數化建模，采用參數化模型驅動及重復利用的效果。鐵路路基BIM設計的族類型常用的有兩種，公制常規模型和公制輪廓模型。公制常規模型族一般應用于單體結構物，比如擋土墻、單樁、樁板結構、集水井、排水槽、骨架、樁板墻、扶壁墻、吊溝、蒸發池、防護柵欄等(圖7)。公制輪廓模型族一般用于隨線路進行放樣的路基附屬結構物，如水溝、路肩、鑲邊、護腳、平臺截水溝、腳墻等。

圖7 路基族庫(部分)

族完成創建后可以納入鐵路路基專業族庫進行統一管理。使用Revit族創建路基模型后可對模型進行信息添加，添加體積、材質、IFD代碼、EBS信息等幾何信息、非幾何信息，對這些屬性添加進行標準化管理，以更好地利用模型信息[14]。

令R1=R2=0.5，I0=1，在Matlab中畫出干涉光強和腔長之間的關系曲線,見圖4.圖4中光強隨著腔長周期性變化，且兩者之間為多值關系，即一個光強對應多個腔長，這種狀態下無法確定腔長.但根據式(2)可知光強隨腔長變化的周期為λ/4.因而，將腔長的變化范圍選擇在半個周期之內時，光強-腔長曲線是單調的，可以保證干涉光強與腔長之間具有一一對應的值.

2.3 路基本體模型及附屬結構模型的拼裝

在Revit軟件完成路基本體模型創建后，利用鐵路路基專業族庫中的路基附屬結構如支擋結構、樁基、邊坡防護、防護柵欄、路基排水設施等進行拼裝，與路基本體模型有機結合，共同形成路基總裝結構模型。

路基邊坡防護設施中拱形骨架是最常用的一種邊坡防護形式，并且形式變化較多，在邊坡防護設計中，還要考慮側溝、平臺截水溝、鑲邊、護腳、腳墻、邊坡平臺、檢查梯、踏步等。如果需要實現邊坡防護措施的三維化設計而不僅僅是對邊坡進行貼圖的情況，人工進行這些邊坡防護措施的系統化設計及拼裝會耗費大量的時間。但是這些邊坡防護措施布設又比較規則，要實現精確化的設計出圖及數量計算，是可以實現邊坡防護措施的自動化拼裝的，所以在Revit平臺上進行了二次開發，完成了路基邊坡拱形骨架的自動化拼裝，對路基邊坡防護進行系統化布置(圖8)。

同理，對于一般單樁或長短樁防護的地基處理，由于樁的設置規律性較強，通過參數化設置，同樣通過二次開發進行系統化布置。

圖8 路基拼裝模型

2.4 路基排水設計應用

將路基本體模型曲面與地形曲面通過剪切合并等布爾運算后生成新的地形曲面，在該地形曲面進行匯水情況分析，結合地形直觀地顯示出匯水范圍[15-16]。再根據其他水文資料，計算出降雨徑流量并進行相應的水力計算，以確定過水斷面形式及尺寸，確定路基排水結構模型幾何尺寸。路基排水與其他排水設計模型(圖9)進行對接，體現協同設計思路，相比傳統CAD設計排水設計圖，實用性更強，并能根據地形直觀顯示設計成果，用來指導施工。

圖9 路基排水模型

3 鐵路路基BIM設計應用的重難點分析

3.1 路基工程項目異形結構較多，BIM建模困難

鐵路路基邊坡防護、支擋結構、地基處理、排水用地系統、綠化防護系統、防護柵欄系統等結構物單元較多，與地形結合緊密且大多數不規則，設計細節表達要求較高，結構物布設及工程計算數據量非常大，需要更專業的軟件。因為路基設計系統復雜，有可能需要不同的軟件進行設計。軟件之間數據流轉也需要得到鐵路IFC標準的支持，但目前難度比較大，主要因為國際IFC標準schema尚未納入鐵路工程構件類型及相應的屬性集，信息無法傳遞，導致軟件廠商對IFC支持難以滿足目前的設計要求，不同軟件進行模型信息交流與傳遞時無法傳遞非幾何設計信息[17-18]。

目前BIM軟件國產化程度較低，不能完全滿足路基設計，完全在歐特克平臺進行路基設計也受限較多，需要進行難度較大的二次開發，并且開發項目較多，周期較長，成果轉化實際生產還需要較長的過程。

3.2 路基BIM設計與地質協同難度大

鐵路路基工程是整個鐵路項目的一部分，是同地形結合最為緊密的專業之一，路基工程既包含隨地形反復變化的土石方，也包含隨地形變化的支擋防護、復合地基和各種形式的附屬結構物。復雜巖土地層對路基各構筑物的結構形式影響較大，這也導致在BIM設計中，路基與地質的協同關系最常見也最重要。

挖方路基開挖地層地質體，不但形成新的地層曲面，開挖部分巖土分層特性也需要提取出來進行工程數量計算，但在軟件平臺上，一旦對地質體進行剪切，地質體信息的繼承較為困難，無法獲取完整的信息。

路基本體設計、邊坡防護設計及路基支擋結構設計都同地質參數有較大的關聯，在設計過程中還存在互相影響的問題。例如路基支擋結構擋土墻設計，擋土墻的設計高度影響路基邊坡高度，反過來路基邊坡高度、坡率等以及邊坡巖土地質特性又影響擋土墻高度等尺寸設置。目前鐵路行業范圍內，一般是獨立做地質模型，模型難以與路基支擋結構進行互動，做參數化關聯，對路基BIM參數化設計及地質模型的實時關聯性帶來新的挑戰。

3.3 協同設計平臺支撐不夠

協同設計是BIM重要的理念之一，通過及早發現和解決沖突，從而避免在施工期間的變更設計、返工等問題，達到降低造價、縮短工期、提高工程質量的目的[19]。

路基結構模型創建過程中，為了使路基模型適應鐵路項目的協同設計，除了附加IFC信息、IFD信息、EBS信息外，對于不同專業創建的模型，還需要通過IDM標準對模型信息進行交換傳遞[20]。

路基專業BIM模型幾乎與所有鐵路站前站后專業進行數據交換，模型的信息化應用不只是簡單的傳入傳出，還要進行交互運算、專業協調，更需要協同設計平臺及統一的行業標準，加大了路基模型協同應用的難度。目前尚缺少一個能夠貫徹相關標準的綜合管理協同平臺，需要各個BIM應用單位自行搭建，難度較大。

3.4 平臺軟件對路基出圖及計算工程數量支持不夠

目前采用的BIM平臺設計軟件不能輸出符合國內專業設計習慣和規范要求的設計成果圖紙。在圖紙成果自動輸出、工程數量自動統計方面，需要與國內CAD設計軟件進行對接或直接進行傳統CAD設計，這樣勢必帶來重復設計。如果基于模型直接進行繪圖或工程數量統計需要進行大量的二次開發，這就所謂BIM落地的“最后一公里”。但是在研發的工作量上，絕對不是一般理解層面的“最后一公里”，投入的大量人力和時間成本往往對現狀的改變有限，也是成為制約BIM應用價值的“瓶頸”和難點。

4 結論及展望

通過銀西高鐵BIM試點項目的應用實踐，BIM設計在設計意圖的表達上較為直觀，尤其對于與地形結合變化較大的路基加固防護措施，可以實時根據地形進行調整，設計表達更為準確。在結構過渡上也能夠直觀地與橋隧等專業較好順接。

試點項目研究了歐特克平臺對路基BIM設計的適用性，也對BIM應用價值進行了一定的探索，對鐵路路基BIM設計難點進行了分析，結論如下。

(1)本次工程實踐，先后對歐特克平臺下 InfraWorks、Civil3D、Revit、Navisworks等軟件進行了使用。研究認為，歐特克平臺軟件基本能滿足路基工程BIM設計要求，可以基本解決路基BIM設計建模問題，也能夠有較好的應用價值體現，但還需要按路基工程的設計特點進行修改完善，以滿足鐵路行業BIM發展的需求。

(2)鑒于路基BIM設計的特點及難點以及目前BIM平臺軟件的功能概況，需要進行有針對性的二次研發，以使軟件更符合路基設計的使用習慣。通過軟件二次研發提高路基工程的建模質量及效率，同時添加完備的屬性信息，再利用模型及信息，進行CAD出圖及工程數量計算，這也是BIM設計在實際應用中的價值突破口。

(3)體現BIM概念的協同設計價值，需要研究并貫徹好中國鐵路BIM聯盟各項標準，更好地進行信息傳遞及交換，更好地進行專業內及專業間的協同設計。

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認可和發展應用。BIM路基結構模型結合結構檢算、設計模型轉為施工模型施工應用，路基本體模型作為站后設備模型的承載體進行協同設計，還需要不斷進行設計實踐。雖然目前路基BIM設計應用場景與BIM概念有差距，但對路基BIM技術的發展宜持有積極的態度，不斷探索在路基專業領域的應用，挖掘BIM技術的應用價值，是非常必要和具有現實意義的，達到最終應用BIM設計工具，系統化解決專業BIM設計的各項問題，達到BIM設計成果交付的目標，加快實現鐵路工程設計的數字化及信息化。