智能環(huán)境下的鐵路勘察設(shè)計(jì)

李壽兵

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

黨的十九大明確提出，中國特色社會主義進(jìn)入新時代，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。這是關(guān)于中國發(fā)展全局和戰(zhàn)略的新的重大判斷。

在全國交通強(qiáng)國的戰(zhàn)略下，隨著鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步提升，伴隨高鐵出行的人群規(guī)模不斷增加，旅客對于鐵路出行提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，為滿足人民群眾對鐵路交通的新需求，利用信息化、智能化手段提升鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)的質(zhì)量，提高鐵路旅客乘車體驗(yàn)，改進(jìn)鐵路服務(wù)質(zhì)量，是解決新時代社會主要矛盾在鐵路行業(yè)的最好體現(xiàn)。

勘察設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的龍頭，在智能化技術(shù)的應(yīng)用中起著牽頭及主導(dǎo)作用[1]。勘察設(shè)計(jì)企業(yè)對鐵路數(shù)字化，智能化負(fù)有重要的責(zé)任。隨著智能鐵路的進(jìn)一步開展，作為先行者的“智能京張、精品工程”在勘察設(shè)計(jì)中探索了勘察設(shè)計(jì)企業(yè)下一步走進(jìn)智能時代的途徑與目標(biāo)。

1 智能鐵路與數(shù)字鐵路

1.1 智能鐵路與數(shù)字鐵路的關(guān)系

智能鐵路的基礎(chǔ)是數(shù)字鐵路，鐵路建設(shè)從規(guī)劃、勘察到設(shè)計(jì)，交付成果由原來的施工圖，到施工圖與三維信息模型，設(shè)計(jì)院將交付一條完整基于BIM技術(shù)的數(shù)字鐵路。而施工則依托設(shè)計(jì)成果，將這條數(shù)字鐵路落地成型，交付運(yùn)維管理的將是虛擬的數(shù)字鐵路和實(shí)體兩條鐵路。在運(yùn)維中，通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、北斗導(dǎo)航、智能探測監(jiān)測等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境間信息的全面感知并科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)全生命周期、一體化管理的智能鐵路。

智能鐵路的實(shí)現(xiàn)途徑是通過新一代信息技術(shù)與高速鐵路技術(shù)的集成融合，從而推動高鐵智能設(shè)計(jì)、智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營技術(shù)水平全面提升。因此，鐵路的數(shù)字化是智能鐵路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這條數(shù)字鐵路必須保持與實(shí)體鐵路的高度一致性。

1.2 數(shù)字鐵路的含義

數(shù)字鐵路的實(shí)現(xiàn)手段其實(shí)是將鐵路數(shù)字化，本質(zhì)上來說是將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)引入進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)對象級別的數(shù)據(jù)管理、權(quán)限配置，能支持多用戶協(xié)作和同步修改[2]。最終將傳統(tǒng)的分散的各專業(yè)紙質(zhì)文檔、電子圖紙轉(zhuǎn)化為集中的信息化存儲。具體來說就是將勘察階段采集到的包括地形，地質(zhì)，水文、環(huán)保、人文、經(jīng)濟(jì)等信息經(jīng)過分析處理后，將數(shù)據(jù)打散，再按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式重組后，集成到一個統(tǒng)一的系統(tǒng)中，建設(shè)成為一個和現(xiàn)實(shí)情況一致的虛擬仿真環(huán)境，然后在這個虛擬環(huán)境上開展各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，最后建成一個包含虛擬環(huán)境的掛接各專業(yè)設(shè)計(jì)信息的全要素三維仿真模型。而對“智能”的理解，就是在數(shù)字化的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步做數(shù)據(jù)挖掘，融合應(yīng)用需求，用于指導(dǎo)鐵路從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)的全過程。比如，設(shè)置攝像頭監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)人流密度分析，用于引導(dǎo)客流走向，這就是智能鐵路的智能化運(yùn)營的應(yīng)用。所以，數(shù)字鐵路是智能鐵路信息及需求應(yīng)用的載體。

因此，數(shù)字鐵路主要包含兩層含義：第一層是與地理信息相關(guān)的數(shù)字地球，指的是對鐵路測繪、地質(zhì)、路基、橋隧、房建、四電系統(tǒng)等相關(guān)信息進(jìn)行多分辨率、三維的準(zhǔn)確表達(dá)，并按照統(tǒng)一的地理坐標(biāo)集成，從而嵌入海量的鐵路相關(guān)地理數(shù)據(jù)和管理信息；第二層含義是指結(jié)合鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等需求，通過對各數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲管理和開發(fā)利用，真正建立對鐵路行業(yè)的智能化管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]。

1.3 數(shù)字鐵路的組成

數(shù)字鐵路是在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)等過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化后的一個數(shù)字信息系統(tǒng)，是現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是溝通設(shè)計(jì)施工與運(yùn)營維護(hù)之間的橋梁。因此數(shù)字鐵路是貫穿整個鐵路全生命周期的紐帶和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

數(shù)字鐵路包含了鐵路項(xiàng)目從勘察階段開始一直到施工運(yùn)維全過程，項(xiàng)目參與方所有的幾何、物理、功能和性能信息。對于勘察設(shè)計(jì)階段而言，數(shù)字鐵路的組成首先應(yīng)包括鐵路沿線地形、地質(zhì)、水文、經(jīng)濟(jì)、電力、環(huán)保等開展設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)信息；其次還應(yīng)包括滿足向施工階段交付深度的鐵路構(gòu)、建筑物的非幾何及幾何模型信息。

1.4 數(shù)字鐵路的建設(shè)要求

數(shù)字鐵路是智能鐵路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，服務(wù)于智能鐵路的業(yè)務(wù)整合與應(yīng)用，關(guān)注的是各階段參與方的數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)字鐵路建設(shè)的首要要求就是數(shù)字鐵路與實(shí)體鐵路在幾何及非幾何信息上必須具有高度的一致性；其次，數(shù)字鐵路的建設(shè)必須是有章可循，有標(biāo)準(zhǔn)可依的；最后，數(shù)字鐵路是基于多源空間信息集成的真實(shí)感地理建模和鐵路構(gòu)(建)筑物的多維度信息模型。因此，數(shù)字鐵路同時應(yīng)該是集成多源數(shù)字采集方式的可感知的動態(tài)數(shù)據(jù)模型。

1.5 勘察設(shè)計(jì)企業(yè)是數(shù)字鐵路的先行者和建設(shè)者

設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的龍頭、靈魂。鐵路在勘察設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該充分考慮到智能鐵路的建設(shè)、鐵路裝備及運(yùn)維方面的智能化需求。因此，勘察設(shè)計(jì)企業(yè)對鐵路數(shù)字化、對智能鐵路的建設(shè)負(fù)有重要的責(zé)任，也是數(shù)字鐵路的先行者和建設(shè)者，利用先進(jìn)數(shù)據(jù)采集手段、數(shù)據(jù)提取分析手段、數(shù)據(jù)傳輸交互手段實(shí)現(xiàn)工程勘察全過程的信息化、智能化；利用各種專業(yè)軟件及BIM技術(shù)開展高效、快捷的三維標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與特殊設(shè)計(jì)；利用BIM+CIM+GIS+MIS、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)等信息化管理技術(shù)，為信息化體系構(gòu)建提供了新的途徑，增加了信息來源[4]，通過勘察設(shè)計(jì)工作的協(xié)同化、平臺化、智能化，為鐵路工程建設(shè)管理高效、可視、協(xié)同，建設(shè)基于標(biāo)準(zhǔn)的全要素?cái)?shù)字鐵路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 數(shù)字鐵路在勘察設(shè)計(jì)階段的信息獲取與利用

2.1 勘察數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)

鐵路勘察工作主要涉及到地形、地物、地質(zhì)、水文、氣象、軍事、電力、植被、經(jīng)濟(jì)、人文等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取。傳統(tǒng)上數(shù)據(jù)采集、收集工作一般基于航測、衛(wèi)星遙感、勘探、物探、調(diào)繪、調(diào)查等方式開展。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)信息獲取技術(shù)與新技術(shù)日益結(jié)合，數(shù)據(jù)的采集、收集技術(shù)的日益發(fā)展，鐵路勘察工作的信息化自動化程度也越來越高，也越來越高效。目前，隨著航天遙感、航空攝影、無人機(jī)、飛艇、傾斜攝影、近景攝影、機(jī)載Lidar、地面三維激光、傾斜攝影、GPS、室內(nèi)定位、工程物探、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、各類傳感器等現(xiàn)代信息采集技術(shù)，利用遙感判釋、圖像識別與信息提取技術(shù)，都大大豐富了傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的獲取手段。

2.2 勘察數(shù)據(jù)的處理技術(shù)

鐵路勘察設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)按專業(yè)分主要為測繪數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)以及各專業(yè)調(diào)繪、調(diào)查數(shù)據(jù)。按數(shù)據(jù)格式來分，主要為影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等。

測繪數(shù)據(jù)處理：①海量數(shù)據(jù)處理，測繪影像數(shù)據(jù)量大，如傾斜攝影以及Lidar點(diǎn)云等數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)的計(jì)算方式，效率極其低下，現(xiàn)在的處理技術(shù)在向分布式以及GPU計(jì)算技術(shù)方向發(fā)展；②多源數(shù)據(jù)融合，將不同方式不同平臺不同精度的影像數(shù)據(jù)、密集點(diǎn)云和外業(yè)測量數(shù)據(jù)融合，為鐵路設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維提供豐富準(zhǔn)確的空間地理信息。

地質(zhì)專業(yè)主要的勘察方法為地質(zhì)調(diào)繪、勘探(鉆探、靜力觸探、試坑等)、物探等?？辈斓馁Y料目前主要采用人工現(xiàn)場記錄的工作方式，后期手工輸入進(jìn)行電子化，然后采用電子化的資料形成地質(zhì)勘察報(bào)告。其他專業(yè)調(diào)繪調(diào)查的數(shù)據(jù)基本也以數(shù)據(jù)文檔為主。

針對勘察數(shù)據(jù)多元化的特點(diǎn)，按照傳統(tǒng)方式將各專業(yè)數(shù)據(jù)分開處理再集中管理的方式，效率低下而且數(shù)據(jù)交互困難。

為應(yīng)對鐵路數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向，目前的發(fā)展趨勢是將多專業(yè)數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一環(huán)境中集中進(jìn)行融合分析處理。

2.3 勘察數(shù)據(jù)的融合技術(shù)

鐵路勘察的任務(wù)是搜集鐵路沿線的地形、地質(zhì)、水文、氣象、地震、人文、經(jīng)濟(jì)等資料，為鐵路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。按工作種類又可分為線路勘測、工程地質(zhì)勘察、水文勘測和給水勘測等。鐵路勘測具有專業(yè)繁多、數(shù)據(jù)獲取手段多樣等特點(diǎn)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，而數(shù)據(jù)融合就需要將多專業(yè)、多手段、多途徑采集到的數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一分析處理，大大提高數(shù)據(jù)之間相關(guān)性及處理效率。

多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)是一種新興技術(shù)。該技術(shù)以傳感網(wǎng)和信息平臺為支撐，以大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算為手段，既能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，同時也能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

面對鐵路技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是智能鐵路建設(shè)的目標(biāo)方向，需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理，智能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)需要獲取越來越豐富的數(shù)據(jù)信息，這就面臨多種來源，多種數(shù)據(jù)形式的數(shù)據(jù)如何高效快速地進(jìn)行處理的問題。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一個便捷的實(shí)現(xiàn)途徑。以地質(zhì)勘察為例，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以將地質(zhì)中所呈現(xiàn)出來的不同信息融合起來，便于地質(zhì)勘察人員做出正確的判斷。該技術(shù)也可以將不同數(shù)據(jù)源所具備的優(yōu)點(diǎn)集中起來，使地質(zhì)勘察獲取的信息更豐富。融合后的數(shù)據(jù)可以使勘察信息更加直觀，勘察人員可以獲得更多的信息，勘察效率與質(zhì)量都能夠得到保證。

對于測繪專業(yè)來說，測量手段的進(jìn)步，數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展，促使了空地一體化多源數(shù)據(jù)融合新技術(shù)的應(yīng)用。多來源、多精度、多時相數(shù)據(jù)的融合處理，大大提升數(shù)字成圖一體化作業(yè)效率，豐富了空間地理信息數(shù)據(jù)。

對于應(yīng)用場景，例如在三維數(shù)字選線階段，可以將不同手段獲取到的地理數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一數(shù)字環(huán)境中，同時也可將線路范圍的人文、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等調(diào)查數(shù)據(jù)信息化后集成進(jìn)去，最后形成一個整體的虛擬環(huán)境，通過各種指標(biāo)的對比，便捷開展線路三維設(shè)計(jì)工作。

3 基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)手段

BIM(Building information modeling)技術(shù)是利用數(shù)字模型對項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期的應(yīng)用體系，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各階段信息共享與信息傳遞，提高工程各階段的質(zhì)量和效率。BIM技術(shù)體系與數(shù)字鐵路建設(shè)的目標(biāo)和需求高度重合，因此BIM技術(shù)體系可以作為數(shù)字鐵路建設(shè)的首選方案。

2013年12月中國鐵路BIM聯(lián)盟成立[5]，并于2014年全面啟動中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的研究工作[6]，體系包含針對軟件研發(fā)者的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、信息語義標(biāo)準(zhǔn)、信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及針對工程實(shí)施者的資源標(biāo)準(zhǔn)、行為標(biāo)準(zhǔn)、交付標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同管理等實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)部分。標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)為鐵路行業(yè)BIM業(yè)務(wù)建設(shè)、勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維提供了依據(jù)。

在工程應(yīng)用方面，鐵一院在西成高鐵清涼山隧道[7]、十岔溝中橋中開展了BIM技術(shù)探索[8-9]；鐵二院在寶蘭高鐵石鼓山隧道[10]、滬昆高鐵北盤江特大橋[11]、新白沙沱長江大橋和西成高鐵江油北站等項(xiàng)目開展了BIM設(shè)計(jì)以及施工應(yīng)用研究；中國鐵設(shè)在陽大、京沈、京雄等項(xiàng)目開展了基于達(dá)索的BIM應(yīng)用技術(shù)研究[12-13]。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路工程建設(shè)行業(yè)中，必然會帶來業(yè)務(wù)流程再造、業(yè)務(wù)活動重構(gòu)、協(xié)同方式改變等一系列變化，也必將引起勘察設(shè)計(jì)企業(yè)生產(chǎn)方式的重要變革。將設(shè)計(jì)工作劃分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和特殊設(shè)計(jì)，采取統(tǒng)一平臺下各專業(yè)協(xié)同開展參數(shù)化設(shè)計(jì)或裝配式設(shè)計(jì)，極大地提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.1 基礎(chǔ)業(yè)務(wù)建設(shè)

為了保證鐵路行業(yè)全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用的運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，提高各階段的工作效率，保證成果水平和質(zhì)量，降低成本。首先，應(yīng)對傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)活動進(jìn)行重整，以適應(yīng)BIM技術(shù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)活動，加入BIM技術(shù)應(yīng)用特定的業(yè)務(wù)活動內(nèi)容(如規(guī)劃、建模、分析、審核、歸檔等)；其次，應(yīng)在傳統(tǒng)流程的基礎(chǔ)上加入BIM技術(shù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)流程，即BIM技術(shù)應(yīng)用過程中一系列結(jié)構(gòu)化、可度量的活動集合及其關(guān)系(如設(shè)計(jì)階段業(yè)務(wù)流程應(yīng)加入創(chuàng)建模型、模型審核、二維視圖生成、方案提交等相互關(guān)聯(lián)的多個活動及步驟)；最后，利用BIM技術(shù)改變傳統(tǒng)的協(xié)同方式，以提高各階段的管理協(xié)調(diào)能力，降低階段間信息傳遞的損失率，保證項(xiàng)目全生命周期中信息的唯一性、準(zhǔn)確性和有效性。

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

雖然鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)早已完成了CAD/CAE技術(shù)的變革，但是計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)過程中所扮演的角色還停留在輔助繪圖、輔助分析的層次。盡管目前BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用，也只是對工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特征信息的數(shù)字化表達(dá)。BIM技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備的更新，逐步形成完整的、有層次的信息系統(tǒng)，不僅包含描述工程主體構(gòu)件的幾何信息、物理信息、專業(yè)屬性信息及狀態(tài)信息，同時還包含了空間、時間、運(yùn)動行為等非構(gòu)件對象信息。

在勘察設(shè)計(jì)過程中，資料的收集、檢索是由人工完成的。當(dāng)某專業(yè)設(shè)計(jì)完成時，完成各級校審流程后，提交下序?qū)I(yè)，信息傳遞是串行的。項(xiàng)目的參與人員和部門之間缺乏交流，項(xiàng)目中各專業(yè)對設(shè)計(jì)過程中的邊界問題缺乏清晰的認(rèn)識，上下序?qū)I(yè)間易發(fā)生沖突，使得設(shè)計(jì)成果不能很好地滿足業(yè)主要求，經(jīng)常出現(xiàn)重復(fù)設(shè)計(jì)、反復(fù)修改的現(xiàn)象。導(dǎo)致這些情況的主要原因是，設(shè)計(jì)過程是一個剛性序列，靈活性不夠，未能有效利用計(jì)算機(jī)使數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，設(shè)計(jì)資料中信息交流不暢。盡管設(shè)計(jì)院有專屬部門制定專業(yè)分工，但是項(xiàng)目中遇到的問題五花八門，如果沒有一個良好的專業(yè)間協(xié)同機(jī)制，沒有一個高效的協(xié)同系統(tǒng)，僅靠規(guī)章制度，難以應(yīng)對復(fù)雜的實(shí)際問題。最終的結(jié)果有可能不是按照最利于工程實(shí)際修改設(shè)計(jì)，而是通過最易修改的專業(yè)來調(diào)整設(shè)計(jì)。

通過協(xié)同設(shè)計(jì)，約定專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間的協(xié)同工作方式，在同一設(shè)計(jì)環(huán)境中建立模型[14]，結(jié)合操作上的工作流程，憑借協(xié)同設(shè)計(jì)的并行工作優(yōu)勢，可以保證專業(yè)間的信息傳遞及時有效。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式已經(jīng)有了協(xié)同的概念，但是二維協(xié)同設(shè)計(jì)受文件管理局限，設(shè)計(jì)人員(泛指設(shè)計(jì)、復(fù)核、專業(yè)審核等角色)在文件編輯與文件流轉(zhuǎn)上常常發(fā)生沖突，從而影響專業(yè)內(nèi)的協(xié)作；其次，二維協(xié)同設(shè)計(jì)受圖形表達(dá)的影響，同質(zhì)的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)在工作流程的設(shè)置上顯得相對繁瑣，降低設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞的效率。引入BIM正向協(xié)同設(shè)計(jì)，可以允許某個設(shè)計(jì)單元中同專業(yè)人員在同一個文件上同時操作，專業(yè)間不僅傳遞圖形，同時傳遞屬性，重復(fù)的內(nèi)容即使專業(yè)間各自創(chuàng)建、重復(fù)表達(dá)，通過系統(tǒng)也會歸類設(shè)計(jì)參數(shù)，梳理設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)內(nèi)容。例如建筑可以基于結(jié)構(gòu)樓板在同高程位置，創(chuàng)建有面層的樓板，符合各自的表達(dá)需求，而在結(jié)構(gòu)或建筑任一專業(yè)調(diào)整樓板高度時，另一專業(yè)都會獲得消息提醒，并允許另一專業(yè)選擇跟隨或要求其改回。

協(xié)同設(shè)計(jì)的目的在于，通過建立協(xié)同設(shè)計(jì)工作管理平臺，用于對項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中以三維模型為載體的信息進(jìn)行集中、有效的管理，讓項(xiàng)目各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員，能夠在一個集中統(tǒng)一的環(huán)境下工作，并能隨時獲取所需的項(xiàng)目信息。在充分利用各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)專業(yè)之間信息溝通順暢、實(shí)時統(tǒng)一，使各專業(yè)設(shè)計(jì)工作的數(shù)據(jù)文件一致，上下專業(yè)間的設(shè)計(jì)工作銜接協(xié)同有序，節(jié)省工作時間，提高工作效率，確保設(shè)計(jì)工作合理、有序、高效完成。

3.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

BIM模型是信息承載和流轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，各專業(yè)技術(shù)人員在實(shí)際建模工程中常常需要花費(fèi)大量的時間和精力去創(chuàng)建三維模型。目前，在利用構(gòu)件實(shí)現(xiàn)模型的重用，加快建模速度和提高標(biāo)準(zhǔn)化程度時，若是利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行建模工作，那么同一種類型的構(gòu)件，只要尺寸稍有變化，就需要重新建模，并在構(gòu)件庫中新增加構(gòu)件種類，很大程度上加大了技術(shù)人員建模的工作量，同時也不利于后期對模型的維護(hù)。另外，手動的方式建模工作量大，作業(yè)效率低下，而且模型極易產(chǎn)生幾何錯誤。利用參數(shù)化驅(qū)動來快速建模是解決上述問題的最佳技術(shù)手段。參數(shù)化驅(qū)動模式是BIM建設(shè)的發(fā)展趨勢，也是BIM向正向設(shè)計(jì)發(fā)展不可或缺的技術(shù)。

3.4 裝配式設(shè)計(jì)

裝配式設(shè)計(jì)是通過現(xiàn)代化、工業(yè)化、信息化、智能化技術(shù)相結(jié)合，整合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和運(yùn)營維護(hù)等產(chǎn)業(yè)鏈，對鐵路建筑、橋梁、隧道等從粗放型轉(zhuǎn)向一體化節(jié)約型而進(jìn)行的變革。是提高工程質(zhì)量，擺脫大量手工作業(yè)的重要途徑，是鐵路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型升級的趨勢。

裝配式設(shè)計(jì)初始，從初步設(shè)計(jì)階段結(jié)合BIM技術(shù)在規(guī)范確定下對例如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等底部現(xiàn)澆區(qū)域面積、層數(shù)、預(yù)制構(gòu)件類別及預(yù)留管線、洞口等進(jìn)行合理計(jì)算，制定合理措施。在施工圖階段按照初步設(shè)計(jì)階段制定的技術(shù)措施進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。對構(gòu)建節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部裝修、外部裝飾、玻璃幕墻、廠院圍墻、橋梁部件等在圖紙及BIM模型中，根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，充分考慮細(xì)節(jié)建模和各專業(yè)預(yù)留預(yù)埋要求。專業(yè)人員需考慮連接點(diǎn)處的防水、防火、隔聲等設(shè)計(jì)。從而能夠傳遞到工廠進(jìn)行預(yù)制化生產(chǎn)。在預(yù)制化生產(chǎn)過程中，需對構(gòu)建洞口位置、細(xì)節(jié)尺寸精確定位外，還需考慮生產(chǎn)運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝時安裝設(shè)備起吊、固定的空洞預(yù)留。

通過裝備式設(shè)計(jì)流程能夠?qū)崿F(xiàn)流程精細(xì)化、設(shè)計(jì)模數(shù)化、配合一體化、成本精準(zhǔn)化、技術(shù)信息化等五方面內(nèi)容。可使整個建筑體系更加高效精細(xì)生產(chǎn)，將不同構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，有效節(jié)約生產(chǎn)成本，也可更好的控制施工整體時效。在后期運(yùn)營維護(hù)中對局部損毀或老齡化構(gòu)建可通過BIM模型進(jìn)行再次生產(chǎn)替換。

3.5 特殊設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代化設(shè)計(jì)過程中，人們已不滿足于只為達(dá)到工程使用的目的，而更多地對于美觀化、節(jié)能化、精確化等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中對于隧道洞門、特殊橋梁、異形建筑等無法很好的對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)，從而在傳遞到施工企業(yè)后，無法準(zhǔn)確按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行建設(shè)，導(dǎo)致效果質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，甚至進(jìn)行返工。而利用BIM可視化技術(shù)可優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而讓設(shè)計(jì)與周邊環(huán)境更加融洽，同時可更加準(zhǔn)確指導(dǎo)施工現(xiàn)場進(jìn)行建設(shè)。

而在異形建筑中，由于建筑設(shè)計(jì)獨(dú)特，采用非對稱設(shè)計(jì)或多曲面設(shè)計(jì)等，從而圖紙無標(biāo)準(zhǔn)層，屋面無法準(zhǔn)確定位，功能布局、流線設(shè)計(jì)、消防疏散較為復(fù)雜，而在概念設(shè)計(jì)階段無法通過圖紙進(jìn)行有效傳遞設(shè)計(jì)意圖。通過BIM技術(shù)可在模型交底后，提前對工程內(nèi)容進(jìn)行施工模擬，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)討論，從而有效地將設(shè)計(jì)意圖和細(xì)節(jié)處理方式傳遞給施工企業(yè)，確保工程成果符合設(shè)計(jì)要求。

同時有些特殊設(shè)計(jì)在地下部分形狀多有不規(guī)則形體，對設(shè)計(jì)階段如隧道洞口，坡地院落設(shè)計(jì)等存在傾斜挖填方，土方量無法準(zhǔn)確計(jì)算，可通過BIM技術(shù)解決此類問題。

4 數(shù)字鐵路的交付

4.1 交付依據(jù)、要求

數(shù)字鐵路的交付目前可供參考的只有鐵路BIM聯(lián)盟關(guān)于BIM模型的相關(guān)交付標(biāo)準(zhǔn)。交付標(biāo)準(zhǔn)主要有4個，一是面向鐵路工程模型的地理信息數(shù)據(jù)的交付標(biāo)準(zhǔn)，二是各專業(yè)工程實(shí)體分解標(biāo)準(zhǔn)及信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)[15]，三是面向施工交付的設(shè)計(jì)文件編制辦法，四是BIM模型存儲的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[16]。

4.2 交付內(nèi)容

勘察設(shè)計(jì)階段交付的數(shù)字成果包含以下3個主要部分。

一是地理信息相關(guān)的模型文件，包括DEM、DOM等地形模型以及重點(diǎn)工程周邊的主要建筑模型。

二是各專業(yè)數(shù)字模型：主要包含線路、站場、地質(zhì)、路基、橋梁、隧道、站房、電力、接觸網(wǎng)、通信、信息、防災(zāi)、機(jī)械、動車、機(jī)務(wù)、車輛、軌道等專業(yè)。模型各構(gòu)件應(yīng)滿足相應(yīng)的幾何及非幾何精度要求。

三是相關(guān)設(shè)計(jì)文檔及資料。

5 京張高鐵的智能設(shè)計(jì)探索

5.1 京張高鐵簡介

京張高鐵東起北京北站，西至張家口南站，全長174 km，是2022年冬奧會的重要交通保障線，是京津冀一體化發(fā)展的經(jīng)濟(jì)服務(wù)線，是京張鐵路百年歷史的文化傳承線，是展示中國高鐵先進(jìn)技術(shù)理念的示范線，也是落實(shí)“一帶一路”戰(zhàn)略的政治使命線。

該工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)繁多、施工組織復(fù)雜、運(yùn)維壓力巨大，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段難以滿足要求，需依托信息化、智能化技術(shù)來解決這些難題。

京張高鐵地形復(fù)雜，勘察工作艱難，通過遙感、攝影測量、GPS等現(xiàn)代測繪技術(shù)，高效完成了全線DLG、DEM、DOM等成果。

5.2 開展基于BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)

京張高鐵BIM設(shè)計(jì)是全路首個全線全專業(yè)大型BIM技術(shù)應(yīng)用綜合性項(xiàng)目，中鐵設(shè)計(jì)集團(tuán)組織線路、站場、軌道、地質(zhì)、路基、橋梁、隧道、機(jī)械、房建、接觸網(wǎng)、變電、電力、信號、通信、信息、防災(zāi)、暖通、環(huán)保等23個專業(yè)開展協(xié)同設(shè)計(jì)工作。

通過三維協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺，集中管理全專業(yè)構(gòu)件庫、資源庫、設(shè)計(jì)規(guī)范等，統(tǒng)一規(guī)范了項(xiàng)目各階段工作流程，集中存儲了多個層級的設(shè)計(jì)文件，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目參與人員在統(tǒng)一工作環(huán)境下用同一套標(biāo)準(zhǔn)來共同開展協(xié)同設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

5.3 智能化設(shè)計(jì)

通過參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配式設(shè)計(jì)等新技術(shù)的研究，結(jié)合鐵路設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)，研發(fā)了大量的框架性基礎(chǔ)模塊。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各專業(yè)設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)，研發(fā)了針對地質(zhì)、路基、測繪、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)等專業(yè)級應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)意圖到符合規(guī)范要求的三維模型的智能、快速設(shè)計(jì)。通過對BIM標(biāo)準(zhǔn)的整合，研發(fā)了模型審核工具，利用三維模型原設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行驗(yàn)證和復(fù)核，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率。

美國斯坦福大學(xué)的調(diào)研表明，BIM可以減少設(shè)計(jì)變更40%[17]。BIM技術(shù)在勘察設(shè)計(jì)工作中的具體應(yīng)用，大大提升了設(shè)計(jì)工作自動化、智能化的程度。切實(shí)有效地減少了重復(fù)工作，降低了設(shè)計(jì)錯誤概率，達(dá)到了提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率的目標(biāo)。同時，作為技術(shù)儲備資源之一，為形成中鐵設(shè)計(jì)的行業(yè)核心競爭力奠定基礎(chǔ)，提升中鐵設(shè)計(jì)的BIM軟實(shí)力。

6 結(jié)語

鐵路作為國家交通運(yùn)輸?shù)暮诵牧α浚F路的信息化、智能化建設(shè)對未來交通行業(yè)的發(fā)展有著長遠(yuǎn)的意義。未來智能高鐵的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)、智能建造、智能運(yùn)營、智能服務(wù)。匯聚“三流”、融合“兩網(wǎng)”、打造“一體”[18]。以高鐵經(jīng)濟(jì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)的深度融合，實(shí)現(xiàn)鐵路智能化帶來的沿線各地經(jīng)濟(jì)騰飛。

目前，整個中國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行深度調(diào)整，擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的中國高鐵也在進(jìn)行智能化的轉(zhuǎn)型升級。而要實(shí)現(xiàn)這一切，最重要的基礎(chǔ)就是勘察設(shè)計(jì)過程中形成的，集成了周邊環(huán)境、人文及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)字鐵路，為實(shí)現(xiàn)鐵路全生命周期管理建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，因此，勘察設(shè)計(jì)企業(yè)對智能鐵路的建設(shè)負(fù)有重要責(zé)任。鐵路勘察設(shè)計(jì)企業(yè)應(yīng)高度重視智能鐵路的發(fā)展方向，集成大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、北斗導(dǎo)航等新技術(shù)與傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)進(jìn)行融合，深入研究面向鐵路工程全生命周期的多專業(yè)協(xié)同的數(shù)字化勘察設(shè)計(jì)技術(shù)，為智能鐵路的進(jìn)一步深化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。