基于達(dá)索平臺的鐵路土建工程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究

齊成龍

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建院，天津 300308）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）可實(shí)現(xiàn)鐵路工程設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)管理的協(xié)同共享，為工程建設(shè)全生命周期的各種決策及多方協(xié)同提供數(shù)字化基礎(chǔ)。近年來，BIM技術(shù)在鐵路工程領(lǐng)域得到了不斷的推廣和應(yīng)用。鐵路BIM聯(lián)盟在標(biāo)準(zhǔn)制定方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究[1-3]，截至目前共發(fā)布了13項(xiàng)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)，為BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。

目前，已有許多業(yè)內(nèi)人士對鐵路土建工程BIM設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了技術(shù)研究與工程實(shí)踐。趙月悅等人[4]運(yùn)用Revit軟件建立一整套高速鐵路橋梁構(gòu)件庫，對拱橋、鋼—混組合梁斜拉橋及預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋等特殊復(fù)雜橋梁進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)；謝先當(dāng)?shù)热薣5]基于OpenRail Designer二次開發(fā)，形成具備路基本體、支擋工程、邊坡防護(hù)、地基處理和三維排水等功能的路基正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)；張軒[6]在北京—張家口高速鐵路隧道工程中，使用Bentley平臺開展了包括碰撞檢測、出圖算量、正向設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)在內(nèi)的隧道工程BIM應(yīng)用研究。從研究的廣度來看，BIM技術(shù)已應(yīng)用于鐵路土建工程的各個專業(yè)，并得到了一些成功案例[7-8]；但從研究的深度來看，鮮有在協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下串聯(lián)起路基、橋梁、隧道3個專業(yè)的應(yīng)用案例。

本文從基于達(dá)索（Dassault）平臺的三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境出發(fā)，圍繞 “骨架-模板”設(shè)計(jì)方法，研究路基、橋梁、隧道工程各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)及專業(yè)間接口設(shè)計(jì)技術(shù)，以期達(dá)到三維精細(xì)化設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境

為了在三維BIM環(huán)境下實(shí)現(xiàn)土建工程設(shè)計(jì)各參與方之間的交互協(xié)同和信息共享，需要建立共同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，包括信息傳遞和設(shè)計(jì)成熟度管理。三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境為土建工程專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)的BIM設(shè)計(jì)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

1.1 信息傳遞

專業(yè)之間需要傳遞的信息分為2種類型：（1）可用結(jié)構(gòu)化形式傳遞的信息，需滿足軟件自動讀取的要求并用于BIM設(shè)計(jì)；（2）只能以非結(jié)構(gòu)化形式、通過管理平臺傳遞的信息，需人工讀取。

1.1.1 結(jié)構(gòu)化信息傳遞

結(jié)構(gòu)化信息依托設(shè)計(jì)骨架傳遞。骨架即對鐵路工程的主要位置及主要特征以輕量化的點(diǎn)、線、面和參數(shù)進(jìn)行表達(dá)，在鐵路工程BIM設(shè)計(jì)中起著定位與專業(yè)間信息傳遞的作用。骨架設(shè)計(jì)的過程處處體現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同作業(yè)的過程，其成果可作為模型裝配和實(shí)例化的輸入?yún)?shù)。本文參考傳統(tǒng)鐵路工程設(shè)計(jì)過程，結(jié)合BIM設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將骨架設(shè)計(jì)分為2個階段，即總骨架設(shè)計(jì)和專業(yè)骨架設(shè)計(jì)。

（1）總骨架

總骨架包括線路空間曲線及路基、橋梁、隧道各專業(yè)缺口里程。

（2）專業(yè)骨架

專業(yè)骨架具體內(nèi)容根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)確定，如表1所示。專業(yè)骨架是對總骨架的進(jìn)一步深化，其工程特征描述更精細(xì)，并與總骨架保持聯(lián)動，總骨架的修改將驅(qū)動專業(yè)骨架隨之更新。

表1 專業(yè)骨架設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)鐵路土建工程技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合BIM技術(shù)在三維參數(shù)化、協(xié)同化方面的優(yōu)勢，進(jìn)行路基、橋梁、隧道工程數(shù)字化設(shè)計(jì)流程再造，明確每個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的下序資料，并與骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射。承載結(jié)構(gòu)化信息的土建工程各專業(yè)骨架如圖1所示。

圖1 承載結(jié)構(gòu)化信息的土建工程各專業(yè)骨架

1.1.2 非結(jié)構(gòu)化信息傳遞

非結(jié)構(gòu)化信息以各種數(shù)據(jù)文件承載，包括Word、Excel、AutoCAD等常用軟件生成的文件。

Enovia是Dassault平臺的B/S架構(gòu)應(yīng)用模塊，設(shè)計(jì)人員可通過Enovia模塊在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)庫、人員權(quán)限及任務(wù)分配、文件數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。有關(guān)責(zé)任人在啟動所負(fù)責(zé)的任務(wù)后，于Enovia端給每項(xiàng)任務(wù)分配設(shè)計(jì)文檔，并開展成熟度狀態(tài)和版本管理工作。

1.2 設(shè)計(jì)成熟度管理

為從源頭上保證鐵路土建工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性，本文提出“三棵樹”的設(shè)計(jì)理念，用于區(qū)分表達(dá)不同的設(shè)計(jì)成熟度。

（1）骨架結(jié)構(gòu)樹：用于工程結(jié)構(gòu)的框架性設(shè)計(jì)和信息傳遞。

（2）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹：用于設(shè)計(jì)過程和BIM組織。海量模型及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的存儲會帶來數(shù)據(jù)庫性能的下降，減少數(shù)據(jù)庫記錄可有效提高數(shù)據(jù)存取和索引效率，增強(qiáng)協(xié)同設(shè)計(jì)體驗(yàn)。因此，在滿足設(shè)計(jì)檢查、優(yōu)化和工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)的前提下，使用簡化特征表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，對組合后發(fā)揮特定作用的若干構(gòu)件按一個構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并從特征層面建立約束關(guān)系，以達(dá)到減少數(shù)據(jù)庫記錄、提升平臺運(yùn)行效率的目標(biāo)。

（3）交付結(jié)構(gòu)樹：用于從設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為交付模型。按照《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，模型需按單體構(gòu)件存儲、組織。因此，在交付前需使用平臺工具將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹升級至交付結(jié)構(gòu)樹，將以簡化特征或整體表達(dá)的模型升級成單體構(gòu)件，滿足建設(shè)管理、數(shù)字化施工等應(yīng)用需求。

2 骨架設(shè)計(jì)

2.1 橋梁骨架設(shè)計(jì)

“骨架-模板”是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法，以橋梁工程為例，骨架定義了橋梁上下部各構(gòu)件的整體定位基準(zhǔn)，其本身是BIM的一部分，通常外在表現(xiàn)為點(diǎn)、線、面和坐標(biāo)系等形式。基于該方法，一座橋梁的梁體、橋墩、橋臺和基礎(chǔ)等組成部分在相對空間位置發(fā)生變化時，能夠繼承原有的設(shè)計(jì)框架，自動實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更改。

線位主骨架是創(chuàng)建橋梁定位骨架的基礎(chǔ)，在模型空間表現(xiàn)為一條空間曲線，既包含平面曲線信息，又包含縱斷面信息。 獲取線位主骨架后，為了完成對橋梁各部分構(gòu)件的定位，還需以表格形式輸入里程、高程、彎道布置及構(gòu)件類型等所需信息。

基于上述輸入信息，在Dassault軟件知識工程模塊的Knowledge Pattern工具中，使用EKL（Enterprise Knowledge Language）編寫腳本程序，調(diào)用Dassault軟件應(yīng)用程序接口（API，Application Program Interface）實(shí)現(xiàn)橋梁骨架運(yùn)算算法，完成橋梁定位骨架批量建模。

2.2 路基骨架設(shè)計(jì)

路基骨架分為工點(diǎn)線位（一級骨架線）和路肩線（二級骨架線），是路基工程BIM建模的重要輸入元素。一級骨架線的創(chuàng)建方法是在每個路基工點(diǎn)范圍內(nèi)截取空間左線模型；二級骨架線的創(chuàng)建是以工點(diǎn)范圍作為邊界條件生成左右側(cè)路肩位置的三維空間曲線，需同時考慮軌道結(jié)構(gòu)形式、鐵路等級對曲線加寬的影響。

以U型槽為例，設(shè)計(jì)時以左線投影線作為基準(zhǔn)，根據(jù)U型槽單元長度和伸縮縫寬度，使用EKL腳本中的split函數(shù)批量切割空間左線，生成每個U型槽段落的空間骨架，作為模型實(shí)例化的輸入條件。

2.3 隧道骨架設(shè)計(jì)

以正洞和洞室為例，設(shè)計(jì)流程如下。

（1）確定骨架起終點(diǎn)里程

從設(shè)計(jì)信息表讀取各隧道節(jié)段的正洞起終點(diǎn)里程，以及各洞室所在里程、左右側(cè)信息及軸線長度。

（2）生成三維起終點(diǎn)

鐵路工程中的里程是平面左線長度的數(shù)值反映，因此，設(shè)計(jì)時需沿平面左線以里程值為度量生成臨時定位點(diǎn)，再通過該點(diǎn)沿豎直方向延伸與空間左線相交生成三維起終點(diǎn)。

（3）生成隧道骨架線

使用EKL編寫腳本程序，循環(huán)截取空間左線，并生成與洞室軸線長度相等且垂直于空間線位的短線，分別作為隧道正洞和洞室骨架。

3 構(gòu)件模板裝配設(shè)計(jì)

3.1 橋梁裝配設(shè)計(jì)

（1）簡支梁設(shè)計(jì)

綜合運(yùn)用BIM軟件的等截面實(shí)體、多截面實(shí)體、拉伸、剪切、布爾運(yùn)算等三維幾何造型功能創(chuàng)建簡支梁精細(xì)化BIM模板；在BIM生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)踐過程中，積累豐富的模板庫，使用Dassault-catalog功能高效管理模板設(shè)計(jì)成果；調(diào)用Dassault軟件Assembly Pattern功能，分別選擇簡支梁模板與裝載坐標(biāo)系的幾何圖形集，完成各類簡支梁模板的批量實(shí)例化。

（2）連續(xù)梁設(shè)計(jì)

基于Dassault/CAA架構(gòu)，開發(fā)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁BIM設(shè)計(jì)工具，嵌入Dassault軟件內(nèi)部，以用戶界面對話框和Excel表格作為數(shù)據(jù)輸入媒介。在模塊設(shè)計(jì)方面，通過界面模塊、特征模塊和節(jié)段拓?fù)淠K使用戶定義特征從虛擬的可派生基類逐步具體化為可視的拓?fù)湫螤睿罱K組裝生成全橋BIM，設(shè)計(jì)界面如圖2所示。

圖2 連續(xù)梁BIM設(shè)計(jì)工具用戶交互界面

（3）橋墩設(shè)計(jì)

①通過Dassault軟件Component Family模塊將橋墩一級模板分解為離散于數(shù)據(jù)庫中的二級模板，并同時為二級模板的幾何參數(shù)和屬性賦值；②使用CAA進(jìn)行二次開發(fā)，編制橋墩二級模板組裝程序，該程序從數(shù)據(jù)庫調(diào)取滿足屬性要求的二級模板，并將二級模板移動至與骨架坐標(biāo)系重合，通過循環(huán)操作實(shí)現(xiàn)全橋橋墩的快速、批量建模。

（4）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

使用Dassault/CAA架構(gòu)開發(fā)基礎(chǔ)批量BIM建模及審核程序，本程序具備批量創(chuàng)建基礎(chǔ)模型并以Excel表格的形式輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以供審核的功能。從開發(fā)角度上講，本程序同樣分為界面模塊、特征模塊及幾何拓?fù)淠K。其中，幾何拓?fù)淠K用于生成承臺和樁的CATBody類型拓?fù)浣Y(jié)果；特征模塊將樁和承臺各自封裝為一種面向?qū)ο蟮哪Ｐ停⒄{(diào)用幾何拓?fù)淠K實(shí)現(xiàn)特征顯示；界面模塊調(diào)用特征模塊實(shí)現(xiàn)批量建模功能。

3.2 路基裝配設(shè)計(jì)

（1）基床設(shè)計(jì)

在進(jìn)行路基基床BIM設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)地形起伏情況分段調(diào)用路堤、路塹模板。為了有效判斷路堤、路塹分界位置，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況將每個工點(diǎn)范圍劃分成若干個段落，每個段落采用同一個路塹標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行分界判別。具體過程為：①計(jì)算出每個段落判斷線與地形面的交點(diǎn)；②根據(jù)這些交點(diǎn)將段落劃分為多個部分，在地形面以上的范圍為路堤，地形面以下為路塹；③分別調(diào)用路堤、路塹BIM模板，與三維數(shù)字地形交互運(yùn)算，完成基床BIM設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)成果如圖3所示。

圖3 路堤、路塹分界點(diǎn)與基床BIM設(shè)計(jì)

（2）支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

路基支擋結(jié)構(gòu)主要包括樁板式擋土墻、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、U型槽（塢式擋土墻）等常見類型。本文采用Dassault知識工程等參數(shù)化手段，創(chuàng)建支擋結(jié)構(gòu)模板。

以U型槽為例，將U型槽通用工程模板及設(shè)計(jì)信息表添加到資源表，利用Action功能調(diào)用模板，循環(huán)讀取空間骨架線及設(shè)計(jì)信息表中的U型槽尺寸參數(shù)，通過SetAttributeReal函數(shù)為U型槽工程模板賦值，使用InstantiateTemplate函數(shù)完成U型槽實(shí)例化。設(shè)計(jì)成果如圖4所示。

圖4 U型槽BIM及骨架設(shè)計(jì)

3.3 隧道裝配設(shè)計(jì)

不同類型隧道工程構(gòu)件在幾何特征上存在差距，如：不同類型襯砌的內(nèi)輪廓相同，初支和二襯厚度不同；大部分隧道洞室采用相同的結(jié)構(gòu)型式，僅尺寸參數(shù)取值不同；對于使用通用楔形管片的盾構(gòu)隧道，每一環(huán)管片通常都由封頂塊、臨接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊3種形式拼裝而成，沿線路方向所有管片環(huán)只存在空間位置的區(qū)別，幾何特征完全相同。不同幾何特征的隧道工程構(gòu)件的BIM模板如圖5所示。

圖5 各類隧道構(gòu)件BIM模板

根據(jù)不同類型構(gòu)件的幾何特征變化規(guī)律，創(chuàng)建以骨架為輸入元素的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模板庫。通過Dassault知識工程工具，讀取表格數(shù)據(jù)并識別構(gòu)件骨架線特征，調(diào)用所需構(gòu)件BIM模板并進(jìn)行參數(shù)賦值，實(shí)現(xiàn)批量裝配并最終完成全隧道BIM設(shè)計(jì)。

4 土建工程專業(yè)間接口設(shè)計(jì)

在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下，不同專業(yè)人員基于同一數(shù)據(jù)庫、同一三維地形協(xié)同工作。該環(huán)境不僅為設(shè)計(jì)人員開展土建結(jié)構(gòu)物、邊仰坡、電纜槽、排水溝等關(guān)聯(lián)構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供條件，同時簡化了專業(yè)間資料和信息交換的過程，可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、避免反復(fù)工作。

4.1 橋隧三維聯(lián)動設(shè)計(jì)

由隧道設(shè)計(jì)人員發(fā)布以三維空間平面代表的臨時缺口模型，土建工程其他專業(yè)人員以這些平面作為三維BIM設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)，用以限定模型邊界范圍。當(dāng)缺口里程調(diào)整時，三維空間平面移動，橋梁、隧道專業(yè)模型隨之自動更新，如圖6所示。上述流程實(shí)現(xiàn)了根據(jù)設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際情況，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等多種控制因素的交互式專業(yè)間接口動態(tài)設(shè)計(jì)。

圖6 橋隧三維聯(lián)動設(shè)計(jì)

4.2 路隧排水接口設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)二維模式以平面布置圖及橫斷面圖作為設(shè)計(jì)手段綜合表達(dá)排水路徑，不適用于復(fù)雜空間地形及多專業(yè)系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)場景。本文以實(shí)測三維地形曲面作為設(shè)計(jì)依據(jù)，發(fā)揮BIM技術(shù)的參數(shù)化優(yōu)勢，在協(xié)同環(huán)境下開展路基、隧道工程系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)，如圖7所示。隧道截水天溝匯集山坡水流排入路基天溝，保證了水流的有效、暢通。

圖7 路隧排水接口設(shè)計(jì)

4.3 路橋過渡電纜槽（井）設(shè)計(jì)

過渡電纜槽（井）是路橋過渡段的重要地上接口。由于路基電纜槽間距普遍大于橋梁電纜槽，導(dǎo)致2個專業(yè)間的電纜槽無法沿線路方向直接對接，需要在銜接處設(shè)置過渡電纜槽（井）將各自電纜槽內(nèi)的線纜平順連接。三維BIM協(xié)同環(huán)境下的路橋過渡電纜槽（井）接口設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 路橋過渡電纜槽（井）接口設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

本文結(jié)合BIM在鐵路土建工程中的應(yīng)用實(shí)踐，從“骨架-模板”設(shè)計(jì)方法出發(fā)，圍繞三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境、骨架設(shè)計(jì)、構(gòu)件模板裝配設(shè)計(jì)和專業(yè)間接口設(shè)計(jì)，形成了一套鐵路土建工程BIM協(xié)同設(shè)計(jì)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了土建工程不同專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)及批量BIM建模功能，可為后續(xù)BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供借鑒。目前鐵路土建工程BIM設(shè)計(jì)大多基于國外通用軟件平臺開展，未來將集中力量開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BIM設(shè)計(jì)軟件，并積極進(jìn)行工程驗(yàn)證。