鐵路選線設(shè)計(jì)中關(guān)于BIM技術(shù)的應(yīng)用研究

馬世杰

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830011）

鐵路選線設(shè)計(jì)屬于一項(xiàng)復(fù)雜繁瑣的工作，其中涉及到多個(gè)專業(yè)，需要對(duì)不同的自然環(huán)境進(jìn)行深入研究，然后結(jié)合鐵路自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一條符合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和政治要求的鐵路線路[1-2]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)不夠直觀形象，缺乏三維設(shè)計(jì)的整體和全局性，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)差錯(cuò)漏碰，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以進(jìn)一步提高。文章為了提高鐵路選線設(shè)計(jì)的精確度和效率，使用如今性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大的BIM技術(shù)，該技術(shù)在建筑行業(yè)中使用范圍廣泛，具有強(qiáng)大的建模功能，所以文章將主要對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行分析[3-4]。

1 BIM技術(shù)的簡(jiǎn)介

1.1 BIM技術(shù)的定義

BIM是建筑信息模型的簡(jiǎn)稱，其中使用了三維數(shù)字技術(shù)，具有非常強(qiáng)大的功能，能夠包含建筑工程中所有的數(shù)據(jù)模型[5]。自從BIM 技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)了我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，提出了全新建筑設(shè)計(jì)過程的定義，使得設(shè)計(jì)者們的工作變得更加簡(jiǎn)單方便，并且能夠提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，使其具有更好的客戶需求程度。BIM模型還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，比如需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行部分更改，對(duì)其任何一部分進(jìn)行修改，其余部分也會(huì)相應(yīng)的做成變動(dòng)，所以使得設(shè)計(jì)修改更加容易。如今，全球信息技術(shù)發(fā)展迅速，也推進(jìn)了BIM技術(shù)的成熟發(fā)展。但是在我國(guó)BIM技術(shù)的應(yīng)用比較晚，其發(fā)展還不夠成熟，但是BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中就有非常重要的作用，于是當(dāng)前對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用研究屬于一個(gè)熱點(diǎn)話題，并且國(guó)家也在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行不斷推廣。

BIM技術(shù)中將計(jì)算機(jī)作為輔助設(shè)計(jì)，通過BIM可以使得建筑項(xiàng)目中每個(gè)參與方能夠進(jìn)行虛擬模擬整個(gè)項(xiàng)目的過程，所以能夠?qū)φ麄€(gè)項(xiàng)目的所有生命周期進(jìn)行可視化管理，從而可以避免建筑項(xiàng)目可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)，保證項(xiàng)目能夠進(jìn)行正常施工[6]。

對(duì)于BIM技術(shù)的定義存在不同的說法，其中美國(guó)國(guó)家BIM 標(biāo)準(zhǔn)中重點(diǎn)對(duì)BIM 技術(shù)進(jìn)行了闡述，指出BIM技術(shù)能夠通過三維形式對(duì)項(xiàng)目的功能和物理性能進(jìn)行表達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息和資源共享，其中所有的信息都可以進(jìn)行互相傳遞，并且為決策提供可靠的依據(jù)，工程項(xiàng)目的參與方能夠在BIM 中變更相關(guān)信息[7]。清華大學(xué)相關(guān)課題學(xué)者也對(duì)BIM 進(jìn)行了定義，其中指出在建筑領(lǐng)域中BIM 技術(shù)就是一種數(shù)字信息模型，能夠?yàn)楣こ添?xiàng)目的整個(gè)生命周期進(jìn)行優(yōu)化和管理的一種工具[8]。總之，BIM 技術(shù)在工程的整個(gè)過程中都可以具有相當(dāng)重要的作用，能夠以三維可視化的形式對(duì)工程進(jìn)行描述，能夠使得各個(gè)參與者互相知曉工程項(xiàng)目的各種信息，能夠提高工程項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量和效率。

1.2 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

正因?yàn)锽IM技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)較多，能夠在建筑工程的整個(gè)生命周期所以才在建筑領(lǐng)域中使用廣泛。一般情況BIM技術(shù)有一下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

對(duì)不同類型的結(jié)構(gòu)通過使用BIM技術(shù)能夠非常直觀、詳盡的進(jìn)行表述，其表達(dá)方式不僅精確度較高，而且建立構(gòu)造信息的方式也非常簡(jiǎn)單、快捷。正式由于建筑行業(yè)中涉及到各種構(gòu)件，所以將BIM技術(shù)應(yīng)用到建筑行業(yè)中尤為重要。另外，在當(dāng)今的大社會(huì)背景下，鐵路建設(shè)的發(fā)展越來越快，信息化社會(huì)不斷發(fā)展，BIM技術(shù)也變得更加成熟，引入BIM技術(shù)屬于形勢(shì)所趨。

在BIM技術(shù)中，對(duì)過程和模型結(jié)果的把控屬于其非常顯著的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。在BIM技術(shù)中使用了數(shù)字信息化技術(shù)，該技術(shù)具有自動(dòng)化、精準(zhǔn)化和智能化，所以能夠在應(yīng)用過程中發(fā)揮重要作用。另外，通過使用BIM技術(shù)能夠建立很多形式的數(shù)字信息化模型，模型屬于三維模型，該模型具有非常直觀的效果，且能夠保持二維模型的精確度。所以相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，其中使用的二維模型，BIM技術(shù)具有更多的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。在BIM信息化模型中，其中每一個(gè)構(gòu)件都會(huì)富含很多的數(shù)字化信息，所以豐富了該構(gòu)件的信息含量，使之不僅僅是個(gè)構(gòu)件，當(dāng)對(duì)某個(gè)構(gòu)件進(jìn)行修改時(shí)，BIM技術(shù)都會(huì)將變動(dòng)后的結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)，從而保證修改的準(zhǔn)確性。總之BIM技術(shù)的性能強(qiáng)大，具有非常大的價(jià)值優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。

表1 BIM技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的區(qū)別Tab.1 The difference between BIM technology and traditional design methods

圖1 BIM技術(shù)的價(jià)值優(yōu)勢(shì)Fig.1 Value advantages of BIM technology

2 BIM技術(shù)在鐵路選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鐵路選線設(shè)計(jì)在鐵路整個(gè)建設(shè)中非常重要，直接關(guān)乎的鐵路運(yùn)輸全局的總體性工作，所以在選線設(shè)計(jì)過程中需要相當(dāng)重視。如今我國(guó)的選線設(shè)計(jì)方案比較復(fù)雜，其中涉及到很多協(xié)調(diào)工作，這些工作的完成也具有一定困難，所以在一定程度上限制了鐵路的發(fā)展。由于BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)眾多，能夠通過使用BIM技術(shù)對(duì)鐵路選線進(jìn)行設(shè)計(jì)，于是文章選擇了BIM技術(shù)中的Bentley 系列軟件對(duì)鐵路選線進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，該軟件能夠高效完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作，能夠支持64 位操作系統(tǒng)，能夠保證復(fù)雜地區(qū)中鐵路選線設(shè)計(jì)工作。于是文章將以某工程為例，運(yùn)用OpenRail Conceptsa-taion、Openrail Designer 軟件技術(shù)，建立鐵路三維模型，使用BIM 技術(shù)對(duì)該鐵路選線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合Lumen RT進(jìn)行渲染漫游，提供可視化設(shè)計(jì)成果。

為完善區(qū)域綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化新疆路網(wǎng)格局，經(jīng)研究論證，擬開展某鐵路項(xiàng)目前期研究工作。由于該地域分布有天山山脈、不良地質(zhì)發(fā)育、地勢(shì)陡峭，其中涉及到160km的山區(qū)選線，受地形條件限制大部分地段無法進(jìn)行實(shí)地踏勘。如果使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，只能在地形圖上開展相關(guān)研究工作，無法利用BIM技術(shù)高效、三維可視化的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，通過線路漫游等技術(shù)為決策者反映真實(shí)的工程環(huán)境，所以文章將使用BIM技術(shù)對(duì)其進(jìn)行選線設(shè)計(jì)，從而有助于提高選線效率，為方案決策提供依據(jù)。

2.1 準(zhǔn)備基礎(chǔ)資料

通過使用OpenRail Conceptsataion 軟件建立地面模型，建立的方式是通過根據(jù)線位大致走向采用衛(wèi)星遙感和航空攝影手段獲取獲取地理信息系數(shù)據(jù)，然后將其直接導(dǎo)入到軟件中，生成三維地面模型。所以使用BIM技術(shù)可以非常方便簡(jiǎn)單的獲取地面模型，并且獲取的模型具有比較好的準(zhǔn)確度，因?yàn)閷⑵浜秃脚牡牡匦螆D進(jìn)行過比較，得到該模型的精度非常好，可以滿足線路設(shè)計(jì)中的使用要求。三維地面模型建立的方式如圖2所示。

圖2 三維地面模型建立方式Fig.2 3D ground model establishment method

2.2 走向方案選擇

由于鐵路走行地段的地形、地質(zhì)條件非常復(fù)雜，線路方案的選擇會(huì)受到很多因素的限制，而且還容易產(chǎn)生比較多的設(shè)計(jì)方案，這些方案在選擇過程中能難判斷其優(yōu)劣，所以就會(huì)增加選線的難度。當(dāng)選線方案設(shè)計(jì)完成之后，然后對(duì)其進(jìn)行選擇時(shí)，使用傳統(tǒng)的選案方式將會(huì)非常繁瑣，并且需耗費(fèi)費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行分析。通過使用BIM 技術(shù)，具有非常強(qiáng)大的分析功能，能夠調(diào)整不同的設(shè)計(jì)方案，并且還可以對(duì)眾多不同方案進(jìn)行判斷分析，從而選擇最佳的路線方案。

通過使用BIM 技術(shù)能夠在很大程度上降低工作量，提高工作效率。BIM技術(shù)不僅會(huì)對(duì)選線方案進(jìn)行合理選擇，而且還能夠?qū)γ總€(gè)方案進(jìn)行分析，能夠在地面模型中添加多個(gè)線路方案，并且添加的方式也較為簡(jiǎn)便，即在現(xiàn)有的方案基礎(chǔ)之上，對(duì)其進(jìn)行添加和修改即可，這樣就可以提高設(shè)計(jì)效率，減少了重新建立所花費(fèi)的時(shí)間。使用BIM 技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行選擇時(shí)，通過使用數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)功能就能夠完成工程數(shù)量計(jì)算，于是只用對(duì)設(shè)計(jì)方案和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比即可判斷出每個(gè)選線方案的優(yōu)劣。

圖3即為兩種越嶺選線方案，對(duì)兩種方案進(jìn)行判斷時(shí)，由于這兩種方案所經(jīng)過位置地形條件差異非常大，導(dǎo)致這兩個(gè)方案的工程設(shè)置及工程數(shù)量大不相同，使得方案選擇變得更加復(fù)雜。通過使用BIM 技術(shù)，將兩種不同的選線方案進(jìn)行平和縱斷面、橫斷面設(shè)計(jì)，通過BIM技術(shù)生成兩種方案的工程數(shù)量表，然后再對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)其中一條線路比較有優(yōu)勢(shì)。此時(shí)的線路大致走向已經(jīng)確定，但是還是需要使用BIM技術(shù)對(duì)方案的局部地方進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)出可行的局部方案，然后再對(duì)局部方案進(jìn)行選擇。

2.3 平、縱、橫動(dòng)態(tài)功能完成方案優(yōu)化

通過上述分析，BIM技術(shù)的使用獲得了鐵路線路的大致的走向，但是其中還存在很多細(xì)節(jié)部分需要修改，即需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該工作的精確度要求非常高，需要對(duì)某些地段進(jìn)行反復(fù)研究。

BIM技術(shù)中存在一定非常好的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性，當(dāng)鐵路的三維模型建立之后，即可對(duì)任何一點(diǎn)的具體情況進(jìn)行查詢，比如各種參數(shù)、工程數(shù)量等。正是由于BIM技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)，使得需要對(duì)線路平面進(jìn)行調(diào)整時(shí)，其他所有相關(guān)的縱斷面、橫斷面數(shù)據(jù)都會(huì)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，于是能夠及時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，有利于設(shè)計(jì)人員判斷修改的優(yōu)劣性，能夠提高設(shè)計(jì)人員的修改優(yōu)化效率。

圖3 選線方案比較Fig.3 Comparison of route selection schemes

圖4 鐵路選線方案的細(xì)節(jié)優(yōu)化過程Fig.4 The detailed optimization process of the railway route selection plan

在鐵路選線設(shè)計(jì)中使用BIM 技術(shù)，通過其動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性，對(duì)于重點(diǎn)地段的方案研究時(shí)間相比于傳統(tǒng)的方式有了較大的提高，并且對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整之后，包括工程量在內(nèi)的各類設(shè)計(jì)文件可以自動(dòng)進(jìn)行修改，這就解決了人工修改圖紙容易遺漏、出錯(cuò)的問題，所以總體來講，通過使用BIM 技術(shù)能夠提高鐵路選線效率和精度。選線方案的細(xì)節(jié)優(yōu)化如圖4所示。

2.4 可視化方案展示

在完成方案設(shè)計(jì)工作后可應(yīng)用BIM 技術(shù)三維可視化的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，通過模擬線路漫游、VR 等技術(shù)提供可視化設(shè)計(jì)成果和渲染效果，為決策者反映真實(shí)的工程環(huán)境。鐵路三維實(shí)景模型如圖5所示。

圖5 鐵路三維實(shí)景模型Fig.5 Three-dimensional realistic model of railway

2.5 項(xiàng)目實(shí)施

圖6 鐵路項(xiàng)目選線設(shè)計(jì)方案Fig.6 Route selection design plan of railway project

BIM 技術(shù)可以對(duì)成批量的表格和圖紙進(jìn)行處理，處理速度快，而且處理方便。但是其中也存在一個(gè)缺陷就是其表格和圖紙格式不符合我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，雖然可以通過自定義的方式使之符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，但是這種處理方式工作量太大，耗時(shí)太多。解決方法為將軟件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后將所有的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，然后只用使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件就可以對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行修改，使之符合我國(guó)規(guī)范和習(xí)慣。于是最終的鐵路選線設(shè)計(jì)完成，如圖6所示。在使用BIM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，文章只對(duì)選線中幾個(gè)方面進(jìn)行了分析研究。總之通過使用BIM技術(shù)，可以在三維環(huán)境中直觀審視線路方案，提高鐵路選線設(shè)計(jì)的效率。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)BIM技術(shù)的簡(jiǎn)要分析，能夠在鐵路選線設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，比如降低設(shè)計(jì)人員的工作量，提高工作效率，提高選線設(shè)計(jì)的精度。鐵路選線設(shè)計(jì)合理之后，再進(jìn)行鐵路的施工，在一定程度有利于節(jié)約鐵路工程投資。上文通過將BIM技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的鐵路選線設(shè)計(jì)中，相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，具有更好的效率和精確度，有利于成果展示和方案匯報(bào)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)的性能將會(huì)變得更加強(qiáng)大，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的選線設(shè)計(jì)將會(huì)變得更加容易。