基于BIM技術(shù)的鐵路工程正向設(shè)計方法研究

徐　博

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安　710043)

自BIM技術(shù)誕生以來，最先在建筑工程行業(yè)掀起了一股BIM熱潮，其間，涌現(xiàn)出眾多的優(yōu)秀BIM輔助設(shè)計軟件。專業(yè)化軟件的產(chǎn)生在一定程度上推動了BIM技術(shù)的發(fā)展，同時，BIM技術(shù)的應(yīng)用也在逐步改變傳統(tǒng)的設(shè)計、施工及建設(shè)管理理念，使之趨于信息化、精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展[1]。與建筑業(yè)相比，鐵路工程BIM起步較晚，且具有專業(yè)多、線路長、體量大、地形地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。鐵路工程BIM技術(shù)應(yīng)在借鑒建筑行業(yè)BIM的基礎(chǔ)上結(jié)合自身特點(diǎn)進(jìn)行研究[2]。鐵路設(shè)計院作為BIM全壽命周期的源頭，對BIM技術(shù)的推動起著至關(guān)重要的作用。選擇什么樣的BIM平臺，采用什么樣的技術(shù)路線來優(yōu)化設(shè)計方案，提高設(shè)計效率就顯得尤為重要[3-5]。在鐵路BIM技術(shù)研究初期，基本以翻模為主，設(shè)計人員根據(jù)已有二維設(shè)計成果創(chuàng)建BIM模型，反向檢驗(yàn)設(shè)計成果，而不能將設(shè)計中的“差錯漏碰”防范于未然，反而給設(shè)計院帶來了額外的負(fù)擔(dān)，使BIM技術(shù)的推廣在“源頭”上出現(xiàn)了問題。因此，有必要研究基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計方法。

1　BIM設(shè)計平臺比選

目前，歐特克(Autodesk)、本特利(Bentley)和達(dá)索(Dassault)三家公司的軟件產(chǎn)品占據(jù)了大部分BIM軟件市場份額。針對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)，每個平臺均提供了BIM解決方案[6]，但從正向設(shè)計角度衡量，各軟件平臺又展現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性，表1將各平臺對鐵路設(shè)計適應(yīng)情況進(jìn)行了對比。

從表1的對各大軟件平臺的對比情況可以看出，本特利平臺對于鐵路工程設(shè)計具有明顯的優(yōu)勢，比較符合鐵路工程設(shè)計的特點(diǎn)，故選取本特利平臺進(jìn)行鐵路BIM正向設(shè)計研究。

表1　三大軟件平臺對鐵路工程適應(yīng)性對比

2　本特利平臺下鐵路BIM正向設(shè)計方案

2.1　BIM正向設(shè)計流程

BIM正向設(shè)計是指利用BIM技術(shù)，以地形、地質(zhì)為基本設(shè)計資料，按照設(shè)計流程依次進(jìn)行線路設(shè)計、站前工程設(shè)計和站后工程設(shè)計。設(shè)計過程與傳統(tǒng)二維設(shè)計過程類似，但需要有序的組織協(xié)同設(shè)計工作流和BIM數(shù)據(jù)流。工作流中規(guī)定了工作內(nèi)容的先后順序，BIM數(shù)據(jù)流中定義了BIM設(shè)計成果的傳遞方向[7-9]。以站前隧道專業(yè)為例，從與其相關(guān)的上游專業(yè)開始，對鐵路工程BIM正向設(shè)計過程進(jìn)行梳理(圖1)。其他專業(yè)設(shè)計過程類似，可對照開展工作。

圖1　基于BIM技術(shù)的鐵路正向設(shè)計流程

2.2　設(shè)計流程管理

一個鐵路工程項(xiàng)目的設(shè)計通常需要二十多個專業(yè)共同參與完成[10]。設(shè)計過程中伴隨著各種方案調(diào)整，資料互提，節(jié)點(diǎn)控制。要有序開展如此復(fù)雜的設(shè)計工作必須實(shí)施嚴(yán)格的流程管理。在BIM設(shè)計時，各專業(yè)基于同一可視三維空間開展工作，一個專業(yè)的設(shè)計需要同時參照多個專業(yè)的模型，具有文件類型多，參考關(guān)系復(fù)雜，版本更新頻繁的特點(diǎn)。此外，專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計還需滿足跨區(qū)域數(shù)據(jù)同步的需求。目前，國內(nèi)各鐵路設(shè)計院基本上都有自主研發(fā)的流程管理軟件，但主要適用于二維設(shè)計，不能對BIM協(xié)同設(shè)計中的數(shù)據(jù)流做到有效的追蹤和管理。

Bentley ProjectWise(以下簡稱PW)基于ModelServer和Internet技術(shù)開發(fā)，可在設(shè)計過程中進(jìn)行BIM資料互提，文件版本管理，參考關(guān)系記錄，確保數(shù)據(jù)源一致，使設(shè)計人員突破空間限制，跨區(qū)域進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。

首先由管理員(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)在服務(wù)器端(PW Administrator)創(chuàng)建項(xiàng)目和專業(yè)配置，設(shè)定工作流程、項(xiàng)目組成員、統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)和符號等，再根據(jù)不同的設(shè)計角色設(shè)定權(quán)限，如圖2所示。

圖2　PW服務(wù)器端設(shè)置

設(shè)計人員通過客戶端(PW Explorer)獲取本專業(yè)所需的項(xiàng)目資源，進(jìn)行專業(yè)間互提資料。所有設(shè)計人員依靠統(tǒng)一的項(xiàng)目數(shù)據(jù)源開展設(shè)計工作。當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生改變時，以信息的方式通知相關(guān)設(shè)計人員進(jìn)入下一個工作節(jié)點(diǎn)，直至設(shè)計完成。

2.3　創(chuàng)建地形、地質(zhì)模型

地形建模一般由測繪專業(yè)完成。首先，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高分辨率的地理信息，然后加工成數(shù)字高程模型(DEM)，正射影像(DOM)，最后在PowerCivil中利用DEM和DOM文件生成地形模型。

地質(zhì)建模一直以來是鐵路行業(yè)BIM的一大難題，主要有兩方面原因：第一，地質(zhì)模型多為不規(guī)則的異形體，人工建模難度較大；第二，地質(zhì)模型作為鐵路各專業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)資料，要覆蓋整個鐵路沿線及周邊。模型體量大，數(shù)據(jù)多，一般軟件難以承載。但隨著近幾年來鐵路BIM軟件的發(fā)展，基于BIM基礎(chǔ)平臺開發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件已經(jīng)能夠基本滿足工程需要[11-12]。例如，基于Bentley MicroStation上開發(fā)的AglosGeo能夠利用地質(zhì)鉆孔、剖面，地質(zhì)構(gòu)造特征等數(shù)據(jù)創(chuàng)建地質(zhì)模型，有效簡化建模難度，提高建模效率。在本特利軟件中創(chuàng)建的地形、地質(zhì)模型如圖3所示。

圖3　地形、地質(zhì)模型

2.4　線路設(shè)計

在鐵路工程設(shè)計中，線路平縱是所有專業(yè)空間定位的基準(zhǔn)，線路數(shù)據(jù)能否被下游專業(yè)直接利用是實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計的關(guān)鍵。PowerCivil提供的線路平縱設(shè)計工具可直接在地形、地質(zhì)模型上進(jìn)行線路設(shè)計。

首先在平面視圖中設(shè)計線路平面，軟件會沿線路剖切地形模型生成地形縱剖面，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行線路縱斷面設(shè)計，最后在三維視圖中會自動擬合出線路空間曲線，如圖4所示。

圖4　PowerCivil線路設(shè)計

2.5　工點(diǎn)設(shè)計

工點(diǎn)設(shè)計主要是指以線路設(shè)計成果為基礎(chǔ)，結(jié)合地形地質(zhì)條件進(jìn)行的站場、隧道、橋梁、路基等站前土建工程設(shè)計及站后四電工程設(shè)計。下面以站前隧道工點(diǎn)設(shè)計為例，研究工點(diǎn)的BIM正向設(shè)計方法。

2.5.1創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)斷面模板庫

隧道BIM設(shè)計與路基、橋涵工程類似，均為特定形式斷面沿線路有序的組合與拉伸。首先創(chuàng)建工點(diǎn)所需的標(biāo)準(zhǔn)斷面庫[13]。在PowerCivil中設(shè)計好隧道襯砌橫斷面，利用本特利平臺第三方軟件CivilStationDesign將隧道襯砌斷面以構(gòu)件為單位導(dǎo)入廊道模板庫。為便于后面洞身設(shè)計，可在斷面庫中將各構(gòu)件組合為一個完整的隧道斷面，如圖5所示。

圖5　創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)斷面庫

2.5.2隧道洞身設(shè)計

隧道洞身設(shè)計是根據(jù)隧道埋深和地形地質(zhì)情況確定在不同工況下采用什么樣的襯砌斷面，最后沿線路裝配成隧道洞身模型。首先通過PW將地形、地質(zhì)、線路文件參考到隧道模型空間，依據(jù)地形情況初步確定隧道進(jìn)出口里程，經(jīng)過PW互提資料流程得到相關(guān)專業(yè)確認(rèn)。最后參照圍巖地質(zhì)情況在PowerCivil中用廊道工具將預(yù)先定義好的隧道襯砌斷面沿線路裝配，完成隧道洞身設(shè)計。

2.5.3隧道洞口設(shè)計

隧道洞口設(shè)計主要包括洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計、邊坡開挖與防護(hù)設(shè)計、洞口排水設(shè)計。洞門結(jié)構(gòu)可直接在Microstation中進(jìn)行三維設(shè)計。洞口排水溝與隧道洞身建模特征類似，設(shè)計方法同洞身設(shè)計。而隧道洞口開挖坡面是由兩側(cè)邊坡和拱部仰坡組成，在三維設(shè)計中，當(dāng)采用不同坡率分臺階開挖時，邊、仰坡曲面的過渡設(shè)計是難點(diǎn)。對于此類特殊場地建模，嘗試將其導(dǎo)入GeoPak Site進(jìn)行坡面設(shè)計能夠得到較為理想的效果。

首先將洞口地形文件導(dǎo)出為Tin格式，導(dǎo)入GeoPak Site進(jìn)行洞口邊仰坡的參數(shù)化設(shè)計，利用引導(dǎo)線使隧道邊坡和仰坡自然過渡。最后將設(shè)計好的邊、仰坡曲面導(dǎo)出為DTM文件，在PowerCivil中與原始地形合并，形成開挖后的地形模型。剩余設(shè)計均可在PowerCivil中完成。

2.5.4隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括隧道錨桿，鋼筋網(wǎng)片，鋼架，二次襯砌鋼筋等?？衫媒Y(jié)構(gòu)設(shè)計軟件ProStructures完成，該軟件支持中國本地化技術(shù)規(guī)程設(shè)置。在鋼筋設(shè)計過程中，可調(diào)用常用鋼筋類型或自定義鋼筋類型。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程時，當(dāng)選擇鋼構(gòu)件連接形式并設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，可自動生成鋼結(jié)構(gòu)連接件。設(shè)計完成的隧道錨桿、鋼筋、鋼架模型如圖6所示。

2.5.5工程數(shù)量統(tǒng)計

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，在本特利軟件具有一定的工程數(shù)量計算和統(tǒng)計功能，具體可歸納為以下兩類：一類是利用專用工具如ProStructure、PowerCivil生成的鋼結(jié)構(gòu)模型和廊道模型，這類對象能夠直接被軟件統(tǒng)計工程數(shù)量(圖7)。第二類為手工創(chuàng)建的模型，如隧道洞門，擋墻等，這類構(gòu)件數(shù)量只能通過手動查看屬性的方法獲取，不能被統(tǒng)一匯總。前者雖然實(shí)現(xiàn)了體積、數(shù)量、質(zhì)量的統(tǒng)計，但是形式比較簡單，項(xiàng)目類型離散，尚不能滿足實(shí)際工程需求。針對以上兩種情況，需要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行二次開發(fā)，對工程數(shù)量進(jìn)行分類匯總后方可使用。

圖7　鋼架、二次襯砌工程數(shù)量表

3　鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施

3.1　鐵路信息模型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

要使BIM信息在整個工程壽命周期內(nèi)有序的傳遞，在建模時就應(yīng)考慮合理的單元劃分、明確的構(gòu)件標(biāo)識和規(guī)范的屬性格式[14]。為此，中國鐵路BIM聯(lián)盟聯(lián)合各理事單位共同編寫并發(fā)布了《鐵路實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南1.0》(EBS)、《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)1.0》(IFD)和《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》(IFC)，在鐵路工程BIM設(shè)計時應(yīng)遵照執(zhí)行。

3.2　本特利平臺上的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施

根據(jù)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，在BIM設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計階段和所要表達(dá)的信息粒度，確定BIM構(gòu)件組成，采用不同精細(xì)程度的單元和屬性集組合表達(dá)設(shè)計意圖，并對構(gòu)件進(jìn)行編碼，以便于后期對BIM進(jìn)行有效的維護(hù)和管理[15]。

BIM單元應(yīng)在構(gòu)建模板庫時將其區(qū)分，裝配后會各自成為獨(dú)立的構(gòu)件。編碼根據(jù)零件在鐵路IFC中所屬的專業(yè)領(lǐng)域，空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件[16]，采用鐵路IFD分類碼進(jìn)行組合，形成構(gòu)件唯一的“身份標(biāo)識”。最后將編碼和鐵路IFC中定義的屬性集一并作為屬性信息添加到模型中。但在本特利(V8i版本)軟件中，一般是不允許用戶直接添加自定義屬性信息的，只能通過間接方式實(shí)現(xiàn)模型與信息的綁定。

首先在Bentley Class Editor中按照鐵路IFC中擴(kuò)展的類和邏輯關(guān)系創(chuàng)建類，并為其創(chuàng)建屬性集，如圖8所示。在建模時利用Civil Station Design將模型對象與對應(yīng)的類進(jìn)行綁定，這樣就實(shí)現(xiàn)了模型、類與屬性集的統(tǒng)一。圖9為隧道拱墻附帶的信息，其中包含了IFC屬性集和對應(yīng)的IFD編碼。

圖8　隧道分類與通用屬性集

圖9　構(gòu)件屬性信息查看

通過測試發(fā)現(xiàn)，目前三大軟件平臺均不支持將BIM模型導(dǎo)出為鐵路IFC文件，亦不支持鐵路IFC文件的導(dǎo)入。不同平臺下設(shè)計BIM文件最終以什么格式交付用于施工及運(yùn)營維護(hù)是一個亟待研究的問題。

4　建議與展望

4.1　鐵路BIM正向設(shè)計建議

(1)鐵路BIM正向設(shè)計不宜脫離上下游專業(yè)獨(dú)立研究，專業(yè)間的數(shù)據(jù)交互是正向設(shè)計的關(guān)鍵。開展BIM正向設(shè)計時應(yīng)盡量選用數(shù)據(jù)格式互通的軟件，以便于專業(yè)間模型和數(shù)據(jù)相互調(diào)用。

(2)基于本特利的鐵路BIM正向設(shè)計技術(shù)路線基本可行，但基礎(chǔ)平臺軟件對鐵路設(shè)計的專業(yè)化程度不足，一個專業(yè)的設(shè)計工作需要在多個軟件中完成，正向設(shè)計效率偏低。應(yīng)注重對基礎(chǔ)平臺的二次開發(fā)，使其符合鐵路設(shè)計習(xí)慣，提高設(shè)計效率。

(3)在進(jìn)行鐵路工程BIM設(shè)計時，只有遵循統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)才能使BIM信息在工程建設(shè)各階段有序的傳遞。目前鐵路工程BIM標(biāo)準(zhǔn)尚處于驗(yàn)證和完善階段，僅靠設(shè)計院推動存在一定困難，需要業(yè)主、設(shè)計院、施工單位和軟件廠商多方共同努力方能推廣執(zhí)行。

4.2　BIM設(shè)計未來展望

BIM作為未來鐵路信息化建設(shè)的發(fā)展方向，已經(jīng)在業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[17]，并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，將促使BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計中更加廣泛的推廣和應(yīng)用。BIM設(shè)計手段作為鐵路信息化建設(shè)的一部分，融合了當(dāng)今先進(jìn)的計算機(jī)資源、測繪技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)[18-19]，其優(yōu)越性必將給鐵路工程設(shè)計行業(yè)帶來一場巨大的變革。

5　結(jié)語

以本特利ProjectWise為協(xié)同管理平臺，測繪、地質(zhì)、線路、隧道專業(yè)共同參與，對鐵路工程正向設(shè)計流程與設(shè)計方法進(jìn)行了探索研究。通過隧道BIM正向設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了直接利用地形、地質(zhì)和線路BIM資料進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計的途徑和方法，總結(jié)出在本特利平臺上進(jìn)行鐵路工程BIM場地開挖、廊道設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和BIM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的方法。可推廣應(yīng)用于鐵路其他專業(yè)開展BIM正向設(shè)計，為我院開展全專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為鐵路BIM技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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