BIM技術(shù)在滬通鐵路線路專業(yè)的應(yīng)用

孫澤昌

（ 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究處，武漢 430063 ）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）[1]，是一個(gè)在建筑全生命周期各階段中產(chǎn)生和管理數(shù)據(jù)的過(guò)程，建筑全生命周期中各階段、各參與方都能基于BIM提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型來(lái)獲取或維護(hù)信息，避免數(shù)據(jù)在不同參與方或不同階段傳遞過(guò)程中發(fā)生丟失現(xiàn)象[2]。BIM具有建筑模型的可視化、模型信息的關(guān)聯(lián)性、過(guò)程模型的優(yōu)化性和決策模型的完備性4個(gè)優(yōu)點(diǎn)[3]。鑒于BIM的顯著優(yōu)點(diǎn)，其在工程領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速。

為推動(dòng)BIM技術(shù)在鐵路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，中國(guó)鐵路總公司開(kāi)展了一系列試點(diǎn)工作。例如，選取武襄十鐵路武當(dāng)山西至王家莊隧道出口作為試驗(yàn)段，開(kāi)展基于Autodesk平臺(tái)的全專業(yè)BIM設(shè)計(jì)[4]；選取深茂鐵路潭江特大橋，基于達(dá)索平臺(tái)開(kāi)展橋梁BIM設(shè)計(jì)[5]；選取福平鐵路新鼓山隧道，基于Autodesk Inventor平臺(tái)開(kāi)展隧道BIM設(shè)計(jì)[6]；選取西成鐵路江油北站，基于Autodesk Civil3D平臺(tái)開(kāi)展路基專業(yè)BIM設(shè)計(jì)[7]，等。

滬通鐵路作為BIM技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目之一，選取太倉(cāng)港站開(kāi)展BIM設(shè)計(jì)，以太倉(cāng)港站的綜合路基為設(shè)計(jì)對(duì)象，探索各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)流程，研究多專業(yè)BIM數(shù)據(jù)交流與模型集成，驗(yàn)證路基專業(yè)工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）、國(guó)際字典框架（IFD）標(biāo)準(zhǔn)，為鐵路BIM設(shè)計(jì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文以滬通鐵路試點(diǎn)項(xiàng)目為工程背景，詳細(xì)闡述Bentley PowerCivil平臺(tái)在線路專業(yè)的應(yīng)用，為鐵路行業(yè)選線設(shè)計(jì)人員了解BIM軟件以及鐵路線路三維建模提供參考。

1 項(xiàng)目概況

滬通鐵路是沿海通道的重要組成部分，是上海與江蘇北部、上海與山東東部等地區(qū)最便捷的鐵路運(yùn)輸通道[8]，其設(shè)計(jì)速度為200 km/h，客貨共線，為有砟軌道。開(kāi)展BIM試點(diǎn)工作段：DK84+700.0～DK87+300.0，整個(gè)為太倉(cāng)港站，全長(zhǎng)2 600.0 m，涉及測(cè)繪、線路、站場(chǎng)、軌道、橋梁、地質(zhì)、路基等7大專業(yè)，各專業(yè)均采用Bentley PowerCivil平臺(tái)。線路專業(yè)運(yùn)用Bentley PowerCivil平臺(tái)開(kāi)展線路三維設(shè)計(jì)，生成線路三維模型，為其他專業(yè)開(kāi)展BIM設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 技術(shù)實(shí)施

Bentley PowerCivil是面向道路、鐵路、橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的專業(yè)平臺(tái)，也是土木工程行業(yè)采用的BIM平臺(tái)之一[9]。基于該平臺(tái)開(kāi)展線路設(shè)計(jì)，可分為平面設(shè)計(jì)、里程系統(tǒng)設(shè)置與縱斷面設(shè)計(jì)。三維地形作為線路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參與平、縱設(shè)計(jì)過(guò)程。線路設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 基于Bentley PowerCivil線路設(shè)計(jì)流程

2.1 地形建模

Bentley PowerCivil平臺(tái)創(chuàng)建地形支持多種來(lái)源，例如，DWG文件，點(diǎn)云文件，XYZ文件等。鐵路工程上現(xiàn)多采用DWG格式地形文件，本文以DWG文件作為地形數(shù)據(jù)來(lái)源為例，簡(jiǎn)述三維地形創(chuàng)建流程。

（1）新建dgn文件，種子選擇“Seed3D-InRoads-Metric”，如圖2所示。

（2）參考DWG地形文件。需注意的是，Bentley PowerCivil平臺(tái)里參考DWG地形文件需設(shè)置縮放比例，Bentley PowerCivil平臺(tái)默認(rèn)主單位是m，DWG地形文件單位如果是mm，則縮放比例應(yīng)該設(shè)為1 000:1，其他單位可據(jù)此換算。

（3）創(chuàng)建圖形過(guò)濾器。點(diǎn)擊“地形模型工具＞圖形過(guò)濾器管理器”，根據(jù)實(shí)際需要新建過(guò)濾器，并設(shè)置過(guò)濾條件。Bentley PowerCivil支持多種過(guò)濾條件，可根據(jù)顏色、圖層、元素類型、線型等組合條件進(jìn)行元素過(guò)濾，如圖3所示。

圖2 新建地形dgn文件

圖3 創(chuàng)建地形過(guò)濾器

（4）創(chuàng)建三維地形。點(diǎn)擊“地形模型工具＞按圖形過(guò)濾器創(chuàng)建地形模型”工具，選擇步驟（3）創(chuàng)建的過(guò)濾器，設(shè)置特征定義為“Existing_Triangles”。滬通試點(diǎn)項(xiàng)目地形如圖4所示。

圖4 滬通試點(diǎn)項(xiàng)目三維地形

（5）地形貼圖（可選）。為增強(qiáng)三維地形真實(shí)感，可賦予三維地形經(jīng)過(guò)定向的數(shù)字正射影像圖，打開(kāi)“光柵管理器”，點(diǎn)擊“連接”將正射影像圖參考進(jìn)來(lái)，在“顯示打印”欄中設(shè)置“覆蓋”選項(xiàng)值為“是”，即可完成地形貼圖。滬通試點(diǎn)項(xiàng)目地形經(jīng)貼圖后如圖5所示。

圖5 賦予正射影像圖的三維地形

當(dāng)?shù)匦屋^大時(shí)，一次性地形建模不僅耗時(shí)，而且對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高。Bentley PowerCivil平臺(tái)支持地形合并，因此，可以通過(guò)分區(qū)域建模，進(jìn)而合并為完整地形，有效解決大地形建模易“死機(jī)”難題。

2.2 線路平面設(shè)計(jì)

Bentley PowerCivil平臺(tái)三維線路設(shè)計(jì)思想是二維設(shè)計(jì)，三維展示，其設(shè)計(jì)思路與AutoCAD平臺(tái)并無(wú)差異，均為平面定線，縱斷面拉坡，且設(shè)計(jì)過(guò)程均是在二維視圖下進(jìn)行。

相較于三維地形創(chuàng)建過(guò)程，線路平面設(shè)計(jì)過(guò)程更為簡(jiǎn)潔。Bentley PowerCivil平面設(shè)計(jì)工具主要集中在“平面幾何”選項(xiàng)卡，提供兩種設(shè)計(jì)方式：交點(diǎn)法與積木法。交點(diǎn)法設(shè)計(jì)思路是先定交點(diǎn)，再根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范配緩長(zhǎng)與曲線半徑；積木法設(shè)計(jì)思路則是先繪制線元（直線、緩和曲線和圓曲線），最后將線元合并為一條完整線路。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，兩種方式配合使用，效率更高。例如，在繪制帶繞行線的右線時(shí)，兩種方式配合使用并結(jié)合Bentley PowerCivil里偏移工具，可更快捷生成右線。

平面設(shè)計(jì)完畢后，此時(shí)平面線位僅是幾何意義上的曲線，需使用“平面幾何＞設(shè)置特征定義”工具，賦予平面線位“Geom_Centerline”特征定義，如圖6所示。

平面設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]對(duì)圓曲線半徑、緩和曲線長(zhǎng)度和平曲線長(zhǎng)度合理取值。但難以避免人為疏忽導(dǎo)致不滿足規(guī)范要求的情況發(fā)生。Bentley PowerCivil平臺(tái)支持導(dǎo)入設(shè)計(jì)規(guī)范，根據(jù)選定的規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行檢查，并輸出檢核結(jié)果，方便設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)與修改。

2.3 里程標(biāo)注

圖6 PowerCivil設(shè)置特征定義

賦予平面線位特征定義之后，Bentley Power-Civil軟件會(huì)自動(dòng)為平面線位生成里程標(biāo)注，但起始里程默認(rèn)為0，標(biāo)注樣式為純數(shù)字，不帶有里程冠號(hào)。這樣的里程標(biāo)注不符合工程應(yīng)用的習(xí)慣，但Bentley PowerCivil軟件支持里程標(biāo)注自定義設(shè)置。選擇“平面幾何＞起點(diǎn)樁號(hào)”工具可設(shè)置線位起點(diǎn)里程；選擇“幾何圖形＞查看幾何＞樁號(hào)設(shè)置”工具可設(shè)置里程標(biāo)注樣式與斷鏈。

以中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司里程標(biāo)注樣式為例，整公里處顯示冠號(hào)和整公里數(shù)，百米處顯示整百米數(shù)，則樁號(hào)設(shè)置如圖7所示。圖中主樁號(hào)對(duì)應(yīng)公里標(biāo)，次要樁號(hào)對(duì)應(yīng)百米標(biāo)，故主樁號(hào)間距設(shè)置為1 000，顯示格式設(shè)置為“[ss]+sss.ss”，次要樁號(hào)間距設(shè)置為100，顯示格式設(shè)置為“ss[s]+ss.ss”。按此設(shè)置生成的里程標(biāo)注如圖8所示。

圖7 里程標(biāo)注樣式設(shè)置

圖8 里程標(biāo)注效果圖

2.4 線路縱斷面設(shè)計(jì)

進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)前，需激活三維地形，Bentley PowerCivil根據(jù)當(dāng)前激活地形自動(dòng)提取地面線，為縱斷面拉坡提供參考。線路縱斷面設(shè)計(jì)思路與平面設(shè)計(jì)思路一致，Bentley PowerCivil縱斷面設(shè)計(jì)工具主要集中在“縱面幾何”選項(xiàng)卡，提供兩種設(shè)計(jì)方法，即積木法與交點(diǎn)法，操作方法與平面設(shè)計(jì)類似，這里不再贅述。滬通試點(diǎn)項(xiàng)目采用交點(diǎn)法繪制線路縱斷面，如圖9所示。

Bentley PowerCivil縱斷面設(shè)計(jì)需注意的是，在“設(shè)置＞設(shè)計(jì)文件”應(yīng)設(shè)置豎曲線參數(shù)格式為R值，如圖10所示。豎曲線參數(shù)另一選項(xiàng)為K值，K值與R值的關(guān)系為K=R/100。故當(dāng)豎曲線參數(shù)設(shè)置為K值時(shí)，輸入豎曲線半徑100所代表的意思為10 000。

圖9 Bentley PowerCivil縱斷面設(shè)計(jì)

圖10 設(shè)置豎曲線參數(shù)格式

3 項(xiàng)目成果

Bentley PowerCivil線路設(shè)計(jì)成果是三維線路模型，具有可視化、更直觀的優(yōu)勢(shì)，以滬通試點(diǎn)項(xiàng)目為例，完成線路平縱設(shè)計(jì)之后生成的三維模型如圖11所示。需注意的是，線路三維模型里程標(biāo)注僅在二維視圖下顯示，在三維視圖下不顯示。

圖11 滬通試點(diǎn)項(xiàng)目三維線路模型成果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)滬通試點(diǎn)項(xiàng)目，研究并掌握了基于Bentley PowerCivil平臺(tái)開(kāi)展線路三維建模的技術(shù)方法與流程，詳細(xì)闡述了Bentley PowerCivil在線路專業(yè)的應(yīng)用，可為鐵路行業(yè)選線設(shè)計(jì)人員了解BIM軟件提供參考。目前，Bentley PowerCivil沒(méi)有內(nèi)置中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，因此，需要研究并制定按照平臺(tái)規(guī)定格式的設(shè)計(jì)規(guī)范，這也是下一步需要研究的內(nèi)容。

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