基于BIM技術(shù)的鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究

孫軍先 楊文成

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

鐵路行業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要體現(xiàn)，“中國(guó)高鐵”已成為我國(guó)走向世界的新名片。傳統(tǒng)鐵路建設(shè)方法以CAD軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，整個(gè)勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏系統(tǒng)性，各專業(yè)及各部門之間缺乏協(xié)同性，設(shè)計(jì)接口易出紕漏，設(shè)計(jì)成果缺乏直觀性和準(zhǔn)確性，往往造成效率低、返工多、成本高等問(wèn)題。

BIM技術(shù)在諸多發(fā)達(dá)國(guó)家土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用已日臻完善，形成了較完整的BIM技術(shù)體系。國(guó)內(nèi)曾一度受限于軟硬件技術(shù)及成本等因素，對(duì)BIM技術(shù)未有足夠重視，應(yīng)用范圍小，發(fā)展遲緩。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)高速發(fā)展，工程建設(shè)水平不斷提高， BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)土木建筑領(lǐng)域得到快速普及[1-2]，越來(lái)越多的建設(shè)單位嘗試采用BIM技術(shù)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)，從而提高建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的效益[3]，在哈大客專、蘭新高鐵等工程皆取得了諸多成功經(jīng)驗(yàn)[4]。鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)工作專業(yè)繁多，分工較細(xì)，影響因素復(fù)雜，精度要求高，協(xié)作性強(qiáng)，對(duì)傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)方法改進(jìn)的需求愈發(fā)迫切?；谖覈?guó)高鐵項(xiàng)目智能化、數(shù)字化的要求，以及中國(guó)鐵路總公司對(duì)BIM技術(shù)試驗(yàn)和探索的要求[5]，結(jié)合鐵路站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)工作實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)BIM技術(shù)在鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行論述和總結(jié)。

1 制訂鐵路站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)工作開展之初，最重要的是制定一套較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，即需要規(guī)定BIM模型包含的內(nèi)容信息。完整的BIM模型不僅含有幾何信息，還包含眾多非幾何屬性，以及各種非幾何屬性或幾何屬性間的邏輯關(guān)系[6]。目前，國(guó)內(nèi)外研究的BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，與鐵路站場(chǎng)相關(guān)的主要有五大類[7](見(jiàn)表1)。

1.1 鐵路站場(chǎng)BIM信息內(nèi)容分析與編碼

目前，國(guó)內(nèi)鐵路領(lǐng)域的BIM標(biāo)準(zhǔn)大多在修訂中，近年來(lái)開展的鐵路站場(chǎng)BIM工作多以中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟于2014年底發(fā)布的鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)[7]為基礎(chǔ)。

鐵路站場(chǎng)BIM信息內(nèi)容有不同的表達(dá)方式，在設(shè)計(jì)階段，經(jīng)常按照形式特征、功能特征、工作類型特征來(lái)進(jìn)行BIM模型的信息內(nèi)容分析編碼。形式特征編碼主要針對(duì)一些抽象性概念，如中間站編碼為52-05 10 00，編組站編碼為52-05 30 00；功能特征編碼主要針對(duì)具體的工程構(gòu)件，如站場(chǎng)中的警沖標(biāo)編碼為53-06 06 10，站臺(tái)編碼為53-09 45 00；工作類型編碼更多地體現(xiàn)在工程量統(tǒng)計(jì)或規(guī)定工法，如挖方編碼為54-07 10 00，鋪軌編碼為54-16 10 00。目前，不同標(biāo)準(zhǔn)的鐵路并沒(méi)有進(jìn)行區(qū)別編碼，建議增加一位編碼以區(qū)分不同標(biāo)準(zhǔn)的鐵路(可以增加在編碼首位，例如350 km/h的高速鐵路編碼為01，則通過(guò)編碼01 53-06 06 10就可以直接反映出鐵路等級(jí)信息)。

表1 主要BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

1.2 鐵路站場(chǎng)BIM模型信息的應(yīng)用

站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)中，模型的常用信息多以功能特征來(lái)進(jìn)行定義。通常站場(chǎng)的模型信息主要分三部分：站場(chǎng)路基工程、站場(chǎng)軌道工程及站場(chǎng)設(shè)備工程。

(1)路基工程：涉及站場(chǎng)和地質(zhì)路基專業(yè)，主要用橫斷面的形式控制各處變化，包括路基基本土石方、兩側(cè)邊坡防護(hù)、特殊路基支擋、管溝及其他各種附屬工程(如圖1)。

圖1 站場(chǎng)路基工程模型示例

(2)軌道工程：主要指鋪軌、鋪岔、道床。軌道種類、道岔種類繁多且構(gòu)成零件復(fù)雜，模型建立初期工作量龐大，但后期可復(fù)制性強(qiáng)(如圖2)。

圖2 站場(chǎng)軌道模型示例

(3)站場(chǎng)設(shè)備：包含內(nèi)容較多，如站場(chǎng)道路(見(jiàn)圖3)、各類構(gòu)筑物(見(jiàn)圖4)、客貨設(shè)備等。不同附屬設(shè)備包含的工程量差異巨大，涉及專業(yè)也非常復(fù)雜。

圖3 站場(chǎng)道路模型示例

圖4 站場(chǎng)圍墻模型示例

2 鐵路站場(chǎng)BIM軟件平臺(tái)比較

目前鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件主要為Autodesk(歐特克)、Bentley(奔特利)和Dassault(達(dá)索)[8，9]，如表2。

鑒于鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)的模型體量巨大及目前硬件水平限制，經(jīng)試驗(yàn)比較，Bentley平臺(tái)更適于鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)工作。

3 基于Bentley平臺(tái)的鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)方案

鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)工作流程中，主要涉及到5個(gè)軟件： ProjectWise是協(xié)同管理平臺(tái)，屬于設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)流程，涉及設(shè)計(jì)人員以及相關(guān)的非設(shè)計(jì)人員；MicroStation、Powercivil、RailTrack三個(gè)軟件一起完成模型建立、屬性賦予、工程量統(tǒng)計(jì)等工作，是鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)的核心；LumenRT可以將基礎(chǔ)模型實(shí)現(xiàn)逼真、細(xì)膩的實(shí)景模擬。

表2 軟件平臺(tái)對(duì)鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)適應(yīng)性對(duì)比

3.1 協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)

ProjectWise可以為所有指定人員配置指定時(shí)間、設(shè)備及滿足網(wǎng)絡(luò)配置環(huán)境的操作平臺(tái)，項(xiàng)目的全生命周期都可以通過(guò)ProjectWise進(jìn)行跟蹤控制。ProjectWise可以與Bentley的應(yīng)用軟件進(jìn)行高效集成。Bentley應(yīng)用軟件在打開后會(huì)優(yōu)先調(diào)用ProjectWise接口。

3.2 鐵路站場(chǎng)BIM模型設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)一個(gè)完整的鐵路車站，會(huì)涉及幾十個(gè)不同專業(yè)，根據(jù)工作流程，各專業(yè)有“站前”、“站后”之分，站場(chǎng)專業(yè)通常歸于站前專業(yè)。但實(shí)際車站設(shè)計(jì)工作中，站場(chǎng)專業(yè)基本與所有專業(yè)都存在交集。站場(chǎng)專業(yè)在某一設(shè)計(jì)階段的BIM模型建立大致可分為4個(gè)階段。

(1)幾何模型繪制

首先根據(jù)線路正線模型，以軌頂高程為控制因素，采用Powercivil繪制站線線位的平縱面模型，其中，道岔的設(shè)計(jì)需要用到RailTrack軟件。在航遙專業(yè)及地質(zhì)專業(yè)提供的地形、地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，用Powercivil建立車站的路基模型(見(jiàn)圖5)。

圖5 斷面模板示例

根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段，橫向坡度、排水設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)不同，其表層、底層、本體等基本模型組件可以通過(guò)建立相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)的方式提高土木模型的制作效率。在路基和地形的基礎(chǔ)上，各種附屬設(shè)備的幾何模型用MicroStation逐步添加(見(jiàn)圖6)。

圖6 車站路基及附屬模型示例

(2)屬性信息賦予

目前，Bentley軟件平臺(tái)下的V8系列軟件對(duì)屬性添加功能支持較差，需要完成幾何模型繪制后，在MicroStation CONNECT版中進(jìn)行非幾何屬性(如圖7)的添加工作。

圖7 屬性信息賦予示例

(3)多專業(yè)模型協(xié)同拼裝

在各專業(yè)模型建立后，需要進(jìn)行模型拼裝、碰撞檢查，其過(guò)程需要多次修改、反復(fù)完善，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)各專業(yè)設(shè)計(jì)的精度要求更高。通過(guò)拼裝檢查，可以最大程度地提高設(shè)計(jì)的可行性、合理性，從而對(duì)工程項(xiàng)目的成本進(jìn)行有效控制。

(4)工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)

目前，Bentley軟件平臺(tái)的工程數(shù)量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)功能應(yīng)用在鐵路工程領(lǐng)域相對(duì)較薄弱，僅可利用PowerCivil生成路基工程數(shù)量，利用ProStructure生成鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量，其余仍以手工查看計(jì)算的方式為主，效率低下。需要各專業(yè)根據(jù)自身需求進(jìn)行二次開發(fā)或結(jié)合其他軟件才能達(dá)到理想效果。

3.3 模型后期處理

車站基礎(chǔ)模型搭建完成后，通過(guò)LumenRT對(duì)基礎(chǔ)模型文件進(jìn)行實(shí)景渲染，可以添加乘客、綠化、汽車等諸多模型，并可以加入時(shí)間、季節(jié)、光影等不同自然環(huán)境特效，最終形成如圖8的逼真效果。

圖8 LumenRT軌道交通模型動(dòng)畫示例

4 鐵路BIM技術(shù)未來(lái)展望

近十年來(lái)我國(guó)鐵路行業(yè)高速發(fā)展，但勘察設(shè)計(jì)手段卻基本沒(méi)有改變，真正運(yùn)用三維手段嘗試解決鐵路設(shè)計(jì)的成熟案例并不多見(jiàn)，而完全運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的鐵路項(xiàng)目還未得到實(shí)際認(rèn)可。BIM軟件基礎(chǔ)框架目前已經(jīng)較成熟，但鐵路工程由于涉及專業(yè)多、周期長(zhǎng)、影響因素復(fù)雜，需要對(duì)各種軟件進(jìn)行深入的二次開發(fā)，才能真正適用于我國(guó)鐵路BIM設(shè)計(jì)工作。BIM技術(shù)在鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)中亟待從兩方面進(jìn)行推廣：

①以MicroStation CONNECTION版和即將全新發(fā)布的OpenRail為基礎(chǔ)平臺(tái)，開發(fā)適用于本專業(yè)特點(diǎn)的插件和構(gòu)件庫(kù)[11]，滿足如道岔計(jì)算、路基特殊處理、排水計(jì)算等鐵路設(shè)計(jì)要求。

②加強(qiáng)點(diǎn)云勘測(cè)技術(shù)，點(diǎn)云技術(shù)配合BIM軟件才能真正使勘察設(shè)計(jì)三維化、BIM化，實(shí)現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)方法的真正革新。

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