基于多源數據的鐵路工程BIM協同設計平臺研究

戴林發寶,薛光橋,苑俊杰

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.武漢睿鴻四維科技有限公司,武漢 430014)

引言

近年來，鐵路工程BIM應用取得了飛速的進展。一方面，中國鐵路BIM聯盟成立，隨后發布了包括EBS、IFD、IFC等BIM核心數據標準在內的13項BIM標準，基本形成鐵路BIM標準框架體系[1-4]；另一方面，在此期間涌現了大量的鐵路工程BIM應用項目，如鐵路隧道BIM技術應用、鐵路站場BIM技術應用以及鐵路路基工程BIM設計等[5-10]。BIM技術是鐵路工程建設信息化的重要技術發展方向，是數字鐵路建設的核心技術之一，同時鐵路BIM必將有力支撐鐵路優質設計、高標準建設、乃至智慧運營管理。

雖然鐵路工程BIM技術應用取得了顯著的成績，但是由于鐵路工程投資龐大、專業多、技術復雜、涉及多源數據的軟件平臺，鐵路工程BIM協同設計仍然困難重重。針對BIM協同設計問題，目前大量的研究主要集中在基于同一個設計軟件的協同設計研究，對于多平臺的協同設計研究不多[11-13]。因此針對鐵路工程，提出一種基于多源數據的BIM協同設計平臺，結合鐵路BIM項目，闡述協同設計平臺的應用流程，提出該平臺存在的問題和應用前景。

1 鐵路工程BIM協同設計平臺的構建

鐵路工程專業眾多，涉及20余個專業，而各個專業根據本專業的特點往往選擇不同的BIM設計軟件，不同的設計軟件必然導致軟件間數據交互的困難。即使存在一個超級軟件(實際上不可能)能解決各專業的問題，由于鐵路工程體量巨大，直接采用原始模型協同仍然存在很大的障礙，而且在不同設計院或部門協同設計時存在知識產權的隱患。理想的方法是通過IFC實現各軟件的數據交換。事實上從IFC發布的第一個版本到現在，已經過去了二十多年，IFC標準在實施過程中仍然存在各種問題，包括顏色缺失、屬性缺失、關系缺失、幾何缺失、構件類型不一致以及導出的IFC文件過大。而對于鐵路工程，鐵路IFC標準尚未成為國際標準，軟件廠商支持的動力不足，當前階段，采用IFC標準實現鐵路工程BIM協同設計并不現實[14-16]。

結合鐵路工程特點和當前BIM技術水平，本文提出鐵路工程多平臺BIM協同技術路線：協同設計分成兩個層次，數據層面的協同和模型層面的協同。首先各專業根據專業間協作的特點，共同創建協同共享數據庫。基于共享數據庫，各專業根據數據協同標準和專業數據標準開發本專業的BIM設計軟件。然后統籌各專業不同需求，利用合適的圖形引擎將不同數據源的BIM設計模型轉換為統一的模型數據格式，并根據鐵路工程的項目特點建立企業級協同設計平臺。最后基于協同設計平臺開展專業間的模型層面的協同設計工作。技術路線如圖1所示。

圖1 鐵路工程多源數據協同設計技術路線

2 多源數據BIM協同設計平臺

2.1 圖形引擎

合適的圖形引擎是協同設計平臺的核心。目前鐵路工程BIM設計主要采用三大主流設計平臺：Autodesk、Bentley、Dassault。三大設計平臺側重點各不相同，各有所長，均擁有廣大的用戶群。因此，協同平臺的圖形引擎必須可以兼容三大主流平臺軟件格式[17-20]。

本文采用兼容Catia、Revit、Bentley、Inventor、Civil 3D、Tekla、IFC等軟件格式的圖形引擎，在保留原始模型的幾何、結構及屬性等信息的基礎上，將模型轉換成輕量化格式文件，基本能滿足鐵路設計不同專業的需求。圖形引擎配備的轉換器采用“一次轉換”技術路線，針對每種軟件單獨開發轉換器，解決了輕量化模型“變形、信息丟失”的問題。

具體的方法為:采用C++/CAA/C#等語言(不同模型格式需采用不同的技術路線)開發，解析原始模型的構件組織結構，找到構件最小單元，分析模型單元的頂點、面、實體幾何數據，對其進行Tessellation處理，獲得構件的三角面片數據，通過控制Tessellation處理參數(邊線步長、曲線弦高等)，可獲得模型不同精度的三角面片數據結果，從而獲得不同的輕量化模型幾何數據。

2.2 平臺框架

平臺采用B/S和C/S混合架構，可以分為數據管理層、基礎支持層、持久層、業務層、控制層、表示層，如圖2所示。

圖2 鐵路BIM協同設計平臺框架

2.3 功能設計

按鐵路工程協同設計需求，平臺功能包括用戶信息管理、項目管理、知識庫管理、項目資料、任務管理、資料互提、成果提交、設計管理、資料歸檔等，詳細功能如圖3所示。

圖3 鐵路BIM協同設計平臺功能

3 鐵路BIM協同設計平臺應用實例

3.1 項目概況

羊臺山隧道群是贛深高鐵的控制性工程，場區地貌以丘陵為主，地形起伏，局部陡峭，隧道穿越花崗巖地層。該段線路復雜，羊臺山隧道進口段為一般雙線隧道，受深圳北聯絡線接入影響，隧道中部先后出岔引出兩條聯絡線，正線隧道由普通斷面過渡為大跨斷面，再由大跨斷面過渡為燕尾分離式斷面。隧道大跨段部分地段四線并行，最大跨度達25.7 m，最大開挖斷面面積達370 m2。隧道燕尾分岔小間距并行段長度大；上行聯絡線DK430+653.81～DK430+868段為小間距并行段、兩隧道間中間巖柱厚1.76～8.00 m；下行聯絡線DK431+211.66～DK431+292段為小間距并行段，兩隧道間中間巖柱厚1.73～8.00 m。贛深高鐵羊臺山隧道群包含羊臺山隧道、羊臺山1號隧道、羊臺山2號隧道、 伯公坳2號隧道、羊臺山中橋等工點，其中羊臺山隧道全長3 524.57 m，最大埋深約345 m。

羊臺山隧道群工程復雜，參與專業較多，是一個理想的協同設計研究對象。本文依托羊臺山隧道群工程研究鐵路工程BIM協同設計。

3.2 協同設計平臺工作流程

協同設計平臺的工作流程如下：首先項目管理員在后臺web端設置項目，包括新建項目、人員安排、權限設置、審核流程類型設置等。前端項目總體及專冊根據項目時間節點要求和專業分工分配設計任務，包括成果任務和互提資料任務分配。設計人員完成分配任務后，提交模型至協同設計平臺。校審人員在線校審成果模型，包括專業內校審和專業間校審，校審意見反饋和模型調整交叉進行，直至完成所有的模型校審及修改。最后交付最終成果，資料自動歸檔。整體的流程如圖4所示。

圖4 BIM協同設計平臺工作流程

3.3 設計任務分解與工作流程

設計任務可以分為成果任務和資料互提任務。成果任務為模型及圖紙任務；資料互提任務為設計過程中需要的其他專業資料。羊臺山隧道群BIM設計成果任務以專業和空間位置為原則分解，分解盡量避免任務耦合，涉及的主要專業包括線路、航測、地質、隧道、橋梁、軌道和接觸網等。主要專業成果任務分解如圖5所示。

圖5 贛深高鐵羊臺山隧道群主要專業成果任務分解

根據成果任務分解，在協同設計平臺上設置任務結構樹，然后完成每個任務的人員分配、時間節點安排、工作流程配置等工作。

除了成果任務，各個專業在設計過程中還需要提供或接受其他專業的一些資料來完成設計工作，這部分任務我們稱之為資料互提。根據數據的流轉方式，在協同平臺上設置資料互提任務，包括任務名稱、任務描述、時間節點、指定上傳人員和接收人員。互提資料可能是圖紙、文檔或者模型，但是最重要的是數據互提，各個專業的數據互提如圖6所示。

圖6 各專業數據互提

3.4 專業BIM設計軟件及模型提交

本項目旨在研究多源數據協同平臺，因此未限制專業使用某一種軟件，各專業根據自身特點選擇合適的軟件開展BIM設計。線路、地形、地質專業采用Civil3d軟件建立各專業模型；橋梁、隧道專業采用CATIAV6平臺建立隧道專業模型；軌道專業采用Bentley平臺建立軌道模型；接觸網專業采用了Revit軟件建立接觸網專業模型。各專業典型的模型成果如圖7～圖9所示。各專業通過開發圖形轉換軟件，將BIM模型轉換為輕量化模型，然后根據設計管理平臺任務樹，提交至協同設計管理平臺，設計管理平臺任務樹及總裝模型如圖10所示。

圖7 地質模型

圖8 隧道專業模型

圖9 接觸網專業模型

圖10 總裝模型

3.5 模型校審管理

在線校審分為專業內成果校審和專業間成果會審。專業內成果校審在設計成果提交后即觸發，校審人員將在移動端APP上接收到校審任務，校審人員可以選擇在移動端瀏覽模型、批注，也可以在電腦端借助更多樣化的校審工具審閱提交的成果，最后簽名提交審查文檔駁回或提交至下一環節。

專業間成果會審在任務結構樹節點任務提交后觸發。各專業通過測量工具、剖切工具、碰撞檢測工具等會審專業間的模型問題，通過互提資料的方式，提出成果會審意見。專業間成果會審，不是一個串行的協作流程，而是一個并行往復的過程，專業間會有意見的來往，各專業模型不斷調整并提交至平臺。此時如果遇到無法協調的問題，總體應將沖突的意見通過平臺提交至院總工程師，由院總工程師裁定解決。會審流程結束后，提交最終成果，關閉任務結構樹編輯功能。如圖11所示。

圖11 模型校審管理

4 結論與下一步工作

4.1 結論

(1)結合鐵路工程特點和當前BIM協同設計難點，提出鐵路工程多平臺BIM協同技術路線，并進一步提出了數據與模型兩個層次的協同方法。

(2)基于鐵路工程多平臺BIM協同技術路線，從圖形引擎、平臺框架、功能設計3個方面詳述了基于多源數據的鐵路工程BIM協同設計平臺。

(3)以贛深高鐵羊臺山隧道群為試點項目，從工作任務分解、數據互提、模型提交、模型校審等方面驗證了鐵路工程BIM協同設計平臺。

(4)該技術路線擺脫了對單一平臺的依賴，具有很強的可復制性，目前已經順利應用至江陰靖江長江隧道BIM設計和福廈高鐵BIM設計。

4.2 下一步工作

基于多源數據的鐵路工程BIM協同設計平臺具有兼容多平臺、模型輕量化、保護各專業知識產權等優點，還可以直接轉換到施工管理平臺。結合當前的任務形勢，平臺下一步的研究工作重點如下。

(1)協同模型標準。目前的模型標準主要是面向交付的標準，如LOD3.5是面向施工圖階段的交付精度，但是對于協同的模型，采用這一標準不一定合適，因為協同設計的關注點往往在于專業接口，涉及專業接口的模型應做細致，而其他模型達到LOD2.0可能就足夠了。因此，有必要研究協同模型標準，使BIM協同設計更高效。

(2)知識庫管理。目前的知識管理模塊包括圖紙、文檔、模型資源庫、案例分析、經驗教訓等靜態知識管理。有必要進一步研究知識自主推送、模型智能檢查、圖檔自動審核等動態知識管理。

(3)與鐵路工程運維管理平臺接口研究。目前的建設管理模式宜分為兩級，一級為全路的運維管理平臺，二級為工點級的施工管理。工點級施工平臺包含最基礎的海量數據，宜由設計、施工單位完成。現有的協同設計平臺數據可以直接進入到二級平臺即我院開發的施工管理平臺，但是與一級平臺即鐵路工程運維管理平臺的數據接口需要進一步研究。