基于BIM技術(shù)的鐵路路基設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

靳猛

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043）

0 引言

近年來，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)不斷發(fā)展，鐵路BIM聯(lián)盟成立以來，不斷發(fā)布各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用。相關(guān)單位在鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用方面，不斷投入研發(fā)力量，取得了很多技術(shù)成果?；跉W特克平臺(tái)，針對(duì)鐵路路基BIM技術(shù)設(shè)計(jì)需要，進(jìn)行了多項(xiàng)二次開發(fā)，以數(shù)據(jù)為核心，結(jié)合快速建模、模型出圖、數(shù)量計(jì)算，探索了鐵路路基BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)，并在西韓城際鐵路等項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證［1-4］。

1 項(xiàng)目介紹

西韓城際鐵路是關(guān)中城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)促進(jìn)關(guān)中城市群經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、交通發(fā)展均具有重要推動(dòng)意義。西韓城際鐵路設(shè)計(jì)線路總長(zhǎng)度約176 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km。線路主要走行在渭河沖積平原、渭北黃土臺(tái)塬和侵蝕黃土塬區(qū)等地貌單元內(nèi)，地層巖性主要為第四系黏質(zhì)黃土、古土壤及圓礫土。

西韓城際鐵路建設(shè)項(xiàng)目路基本體結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、路基附屬結(jié)構(gòu)種類較多：如拱形骨架護(hù)坡、空心磚護(hù)坡、窗孔護(hù)坡等邊坡防護(hù)形式；重力式擋土墻、懸臂墻、扶壁墻、樁板墻等多種支擋結(jié)構(gòu)；地基處理包含多種復(fù)合樁基及樁板結(jié)構(gòu)等。

2 設(shè)計(jì)流程

西韓城際鐵路建設(shè)項(xiàng)目路基BIM設(shè)計(jì)使用歐特克平臺(tái)Civil3D軟件，組裝模型為Revit軟件格式模型。為提高建模質(zhì)量及效率，以路基數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，對(duì)Revit軟件做了二次開發(fā)以輔助設(shè)計(jì)，包含快速建模、模型出圖、數(shù)量統(tǒng)計(jì)等內(nèi)容，路基的最終模型是Revit軟件格式模型。

（1）路基本體模型設(shè)計(jì)需要沿線路進(jìn)行模板放樣，并與地形進(jìn)行交互。路基與線路結(jié)合較為緊密，而Revit軟件沒有線路相關(guān)功能，無法生成路基本體。利用歐特克平臺(tái)Civil3D軟件線路路基相關(guān)功能，生成路基本體模型以及沿線路放樣的路肩、電纜槽、排水溝等。對(duì)路基本體及附屬結(jié)構(gòu)物模型信息進(jìn)行讀取，同時(shí)讀取線路信息，并把信息傳入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）通過數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息，在Revit軟件平臺(tái)對(duì)路基本體模型進(jìn)行重建，并利用數(shù)據(jù)信息，調(diào)用路基族庫(kù)，批量布設(shè)路基邊坡防護(hù)、支擋結(jié)構(gòu)及地基處理樁、樁板結(jié)構(gòu)等附屬結(jié)構(gòu)物，在布設(shè)的同時(shí)提取結(jié)構(gòu)物信息進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，并利用Revit軟件平臺(tái)功能對(duì)模型進(jìn)行剖切，生成路基橫斷面圖和縱斷面圖，完成路基出圖。路基模型統(tǒng)一為Revit模型，在項(xiàng)目中進(jìn)行拼裝、碰撞檢查。

（3）在地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）軟件平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行研發(fā)管理功能，載入各專業(yè)BIM模型，進(jìn)行項(xiàng)目管理。

（4）利用歐特克平臺(tái)系列軟件如Navisworks軟件進(jìn)行施工模型、漫游展示等，更為直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)成果。

3 軟件應(yīng)用

路基本體模型主要包括路基分層模型，按基床表層、底層及基床以下進(jìn)行分層。利用Civil3D軟件提供的裝配功能，對(duì)路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行定制、約定，以便信息讀取時(shí)可進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于沿線路進(jìn)行放樣的路肩、電纜槽、排水溝等，添加至路基裝配部件庫(kù)，同時(shí)將少量的重力式擋土墻、懸臂墻等添加至裝配部件，通過參數(shù)化調(diào)整，在模型生成時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同尺寸的過渡。

在Civil3D軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，集成Civil3D軟件部分常用功能，利用其強(qiáng)大的線路及模板適應(yīng)能力快速創(chuàng)建路線及路基道路模型。為做到以數(shù)據(jù)為核心的正向設(shè)計(jì)，需要對(duì)模型信息進(jìn)行讀取?；A(chǔ)信息來自線路對(duì)象，包含線路里程、斷鏈、縱坡信息等；模型信息來自路基道路模型，主要包括各種部件、邊坡、基點(diǎn)坐標(biāo)等。將信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)以方便查詢及調(diào)用。

利用Civil3D軟件生成路基本體模型，提取路塹模型開挖曲面，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行剪切，生成開挖體以及開挖后地質(zhì)模型，利用開挖體提取開挖土石方數(shù)量，完成土石方數(shù)量統(tǒng)計(jì)，部分實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與路基的協(xié)同設(shè)計(jì)。

4 BIM建模

西韓城際鐵路建設(shè)項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)利用Revit軟件實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)的BIM建模，在該軟件平臺(tái)可以加強(qiáng)項(xiàng)目的整合能力。路基模型需要使用Revit軟件格式，但利用Civil3D軟件平臺(tái)導(dǎo)出的實(shí)體模型無法在Revit軟件平臺(tái)完美重現(xiàn)，并且導(dǎo)出的模型缺少必要的數(shù)據(jù)信息，無法創(chuàng)建附屬結(jié)構(gòu)模型，不能與路基本體模型進(jìn)行融合。

利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)讀取Civil3D軟件平臺(tái)道路模型數(shù)據(jù)，在Revit軟件平臺(tái)重構(gòu)路基本體模型，充分利用Revit軟件參數(shù)化建模能力實(shí)現(xiàn)平臺(tái)統(tǒng)一。在Revit軟件平臺(tái)，利用二次開發(fā)的功能，完成了附屬結(jié)構(gòu)物的參數(shù)化建模以及自動(dòng)化拼裝，對(duì)部分鋼筋混凝土支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維配筋、對(duì)路基模型構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)樹管理。

4.1 創(chuàng)建路基模型

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在Revit軟件平臺(tái)重構(gòu)路基本體模型，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)與不規(guī)則地形的有機(jī)融合。路塹模型邊坡進(jìn)行薄面建模，以進(jìn)行邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的拼裝。在建模過程中發(fā)現(xiàn)Revit軟件平臺(tái)對(duì)模型體量的限制，對(duì)大地坐標(biāo)無法方便地設(shè)置原點(diǎn)坐標(biāo)，需要采用相對(duì)坐標(biāo)的方式。在建模時(shí)，首先提取模型中心處的坐標(biāo)，把該大地坐標(biāo)作為圖形坐標(biāo)的中心處，方便對(duì)模型進(jìn)行查看和編輯。

4.2 建立參數(shù)化族庫(kù)

充分利用Revit軟件平臺(tái)參數(shù)化功能，建立路基結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)化族庫(kù)，族庫(kù)類別有輪廓、構(gòu)件族，并按支擋結(jié)構(gòu)、邊坡防護(hù)、地基處理、排水等進(jìn)行分類管理，通過族庫(kù)管理程序進(jìn)行參數(shù)化調(diào)用。族庫(kù)分類管理見圖1。

圖1 族庫(kù)分類管理

4.3 模型拼裝

通過Revit軟件平臺(tái)二次開發(fā)的功能，對(duì)路基附屬構(gòu)件模型進(jìn)行批量參數(shù)化拼裝，提高建模質(zhì)量及效率。路基邊坡防護(hù)系統(tǒng)包括空心磚、拱形骨架、錨桿框架梁等常用的邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)，并包含鑲邊、護(hù)腳、腳墻、平臺(tái)、側(cè)溝、踏步等。對(duì)常用的支擋結(jié)構(gòu)，如重力式擋土墻、樁板墻、懸臂墻、扶壁墻等進(jìn)行拼裝，模型與路基邊坡進(jìn)行順接。對(duì)路基地基處理樁結(jié)合地形進(jìn)行快速參數(shù)化布設(shè)，并對(duì)每根樁進(jìn)行定位管理，提高設(shè)計(jì)精度，同時(shí)對(duì)不同形式的樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化拼裝。邊坡防護(hù)及支擋結(jié)構(gòu)的拼裝模型見圖2。

圖2 邊坡防護(hù)及支擋結(jié)構(gòu)的拼裝模型

4.4 支擋結(jié)構(gòu)配筋

在Revit軟件平臺(tái)，通過二次開發(fā)對(duì)路基懸臂式擋土墻、樁板墻樁及擋土板進(jìn)行快速參數(shù)化配筋設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)構(gòu)模型鋼筋進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。懸臂式擋土墻配筋模型見圖3。

圖3 懸臂式擋土墻配筋模型

4.5 模型結(jié)構(gòu)樹管理

項(xiàng)目建模及信息添加嚴(yán)格按照鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，按最小結(jié)構(gòu)單元建模，并添加IFD編碼，模型信息以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。在模型管理中，通過結(jié)構(gòu)樹形式達(dá)到對(duì)路基結(jié)構(gòu)模型的分級(jí)管理，對(duì)同一類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以進(jìn)行批量化屬性查詢、屬性修改、材質(zhì)修改以及顯示控制［5-10］。模型的結(jié)構(gòu)樹管理見圖4。

圖4 模型結(jié)構(gòu)樹管理

5 模型出圖

Revit軟件平臺(tái)本身剖切出圖不滿足路基設(shè)計(jì)要求，與現(xiàn)行路基出圖規(guī)范相差大，目前的設(shè)計(jì)體系以CAD圖表達(dá)為主。對(duì)Revit軟件平臺(tái)出圖功能進(jìn)行二次開發(fā)，添加了路基出圖習(xí)慣的標(biāo)注，并加強(qiáng)了模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出能力，統(tǒng)一在CAD環(huán)境出圖、修改，以符合目前的出圖習(xí)慣。出圖功能也利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)完成，對(duì)模型信息的存儲(chǔ)及調(diào)用使出圖功能與建模信息始終做到數(shù)據(jù)同源。

6 模型應(yīng)用

在Revit軟件平臺(tái)，由線路專業(yè)提供統(tǒng)一的相對(duì)坐標(biāo)系，利用共享坐標(biāo)等功能，對(duì)各個(gè)專業(yè)的模型進(jìn)行鏈接、碰撞檢測(cè)。對(duì)路基模型，按模型構(gòu)件種類對(duì)模型之間的站位沖突進(jìn)行自動(dòng)化的檢查及結(jié)果顯示。

在Navisworks軟件平臺(tái)，按工程施工順序進(jìn)行路基施工模擬，在施工模型中主要包含土石方開挖、路塹樁板擋土墻施工、土石方二次開挖、地基處理施工、邊坡防護(hù)施工、路基基床施工等。

路基模型進(jìn)入GIS軟件管理平臺(tái)進(jìn)行整合，通過模型結(jié)構(gòu)樹的屬性定義，進(jìn)行結(jié)構(gòu)樹管理、對(duì)模型進(jìn)行快速定位，也可以對(duì)路基模型與橋隧模型過渡順接檢查等。

7 數(shù)量計(jì)算

路基本體、附屬結(jié)構(gòu)模型的調(diào)用創(chuàng)建均以數(shù)據(jù)為核心，數(shù)據(jù)信息可以方便導(dǎo)出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出構(gòu)件的長(zhǎng)度、面積及體積等。限于目前的技術(shù)水平和設(shè)計(jì)效率，不可能實(shí)現(xiàn)所有構(gòu)件建模，導(dǎo)出數(shù)量無法滿足目前路基數(shù)量計(jì)算要求，但可以固定導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式，充分利用原CAD軟件功能計(jì)算工程數(shù)量，例如對(duì)土石方數(shù)量進(jìn)行計(jì)算及統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)出原土石方數(shù)量計(jì)算表格，進(jìn)行土石方調(diào)配及匯總，滿足目前設(shè)計(jì)體系的數(shù)量提交要求［11-12］。

8 結(jié)束語

西韓城際鐵路建設(shè)項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)全面驗(yàn)證了鐵路路基正向設(shè)計(jì)流程，結(jié)果表明：通過軟件二次開發(fā)，可以提高BIM建模質(zhì)量、效率以及模型利用效率，提升BIM應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，還需加大軟件開發(fā)力度，逐漸完善BIM正向設(shè)計(jì)體系。對(duì)于勘察設(shè)計(jì)的不同階段、不同工作內(nèi)容，還需要積極探索BIM技術(shù)應(yīng)用、挖掘BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，并及時(shí)跟進(jìn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展、不斷探索專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，使技術(shù)研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合到一起，提高社會(huì)效益。