基于Bentley平臺的鐵路路基BIM正向設計研究

謝先當，劉厚強，翟連吉

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

0 引言

相對于建筑行業(yè)，BIM技術在鐵路行業(yè)的應用起步較晚，目前還處于初步發(fā)展階段。鐵路工程比建筑工程體量更大、專業(yè)更多、結構更復雜，對BIM技術的要求也更高［1］。隨著BIM技術在鐵路行業(yè)的深入應用，鐵路BIM聯(lián)盟接連發(fā)布了《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》《鐵路工程信息模型交付精度標準》等標準與規(guī)范，使鐵路工程信息模型在建設、傳遞和使用過程中有據(jù)可依［2-3］，鐵路工程設計將逐步由傳統(tǒng)的紙質文檔向信息化過渡，BIM技術勢必在鐵路工程設計中占據(jù)主導地位［4］。

目前，市場上的BIM軟件僅提供基礎的設計平臺，而完全手動建模無法滿足鐵路路基專業(yè)的設計要求［5-6］，因此，需要明確鐵路路基BIM設計的應用需求和價值點，并選擇合適的軟件平臺進行二次開發(fā)。以麗香鐵路居都谷—香格里拉區(qū)間路基為依托，通過BIM軟件平臺比選，選擇基于Bentley軟件公司的OpenRail Designer軟件平臺進行二次開發(fā)，對鐵路路基BIM正向設計開展深入研究。

1 BIM設計流程

新建麗香鐵路居都谷—香格里拉區(qū)間的路基BIM設計采用中鐵二院工程集團有限責任公司基于Open?Rail Designer軟件平臺自主研發(fā)的鐵路路基BIM正向設計系統(tǒng)CREEC-Railway-Subgrade（簡稱設計系統(tǒng)）完成。在鐵路路基設計中，首先引用線路專業(yè)提供的線位數(shù)據(jù)、測繪專業(yè)提供的地面等高線數(shù)據(jù)以及地質專業(yè)提供的地層信息和地質參數(shù)；然后在設計系統(tǒng)中設置路基基本設計參數(shù)和橋、涵、隧、站接口數(shù)據(jù)，并進行路基本體、支擋工程、邊坡防護、地基處理、排水工程等設計；最后基于模型進行工程量計算和二維出圖。鐵路路基BIM設計流程示意見圖1。

圖1 鐵路路基BIM設計流程示意圖

2 數(shù)據(jù)準備

OpenRail Designer是Bentley軟件公司專門為鐵路BIM設計打造的軟件平臺，為鐵路BIM設計提供解決方案，該軟件平臺包含鐵路線路、地形模型等基礎模塊。具體的數(shù)據(jù)準備工作如下：

（1）線路設計。通過在設計系統(tǒng)中開發(fā)線路數(shù)據(jù)接口，讀取線路平縱斷面要素，生成三維線位。線路設計界面見圖2。

圖2 線路設計界面

（2）地面模型設計。使用OpenRail Designer原生功能讀取1∶2 000圖中的等高線或高程點數(shù)據(jù)，生成地面三角網(wǎng)模型（DTM），但實際使用過程中存在生成速度慢、數(shù)據(jù)預處理流程多等問題。為此設計系統(tǒng)自行開發(fā)了通過讀取高程點數(shù)據(jù)快速、準確生成地面三角網(wǎng)模型的工具。地面模型設計界面見圖3。

圖3 地面模型設計界面

（3）地質參數(shù)設置?，F(xiàn)階段鐵路路基專業(yè)無法直接使用地質專業(yè)BIM模型進行路基檢算，設計系統(tǒng)將地質參數(shù)和地層信息綁定在線路上，在路基設計過程中讀取地質參數(shù)和地層信息，用于路基工程檢算。地質參數(shù)設置界面見圖4。

圖4 地質參數(shù)設置界面

3 基本參數(shù)設置

路基設計的基本參數(shù)包括：路基設計原則、路基參數(shù)化構件參數(shù)、橋涵隧站接口數(shù)據(jù)設置。

（1）在路基設計原則中，對路基路面設計原則、路塹設計原則和路堤設計原則等進行設置，用于生成初始化的路基模型。

（2）由于OpenRail Designer的實體參數(shù)化功能較弱，創(chuàng)建路基工程模型時存在大量重復工作，且隨著設計階段的改變，需要重新創(chuàng)建模型并重新附加信息，模型利用率低、功能單一。通過建立路基參數(shù)化構件庫，可提高建模和信息附加的效率。設計系統(tǒng)采用SQLite數(shù)據(jù)庫對路基構件數(shù)據(jù)進行管理，系統(tǒng)運行時讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)開發(fā)的構件生成模塊和信息附加模塊可對數(shù)據(jù)進行分類和計算，實現(xiàn)在創(chuàng)建模型的同時完成信息附加。路基參數(shù)化構件數(shù)據(jù)庫見圖5。

（3）橋涵隧站接口數(shù)據(jù)主要包括橋涵隧站名稱、起止里程、排水方式等參數(shù)。路基接口專業(yè)工程變更與調整對路基工程造成影響的，可通過調整接口數(shù)據(jù)對路基模型進行快速修改。

圖5 路基參數(shù)化構件數(shù)據(jù)庫

4 路基工程設計

在設計系統(tǒng)中路基工程BIM設計的基本原則為：根據(jù)路基工程構件設計的先后順序組織設計，即前一項工程設計結束的位置為后一項工程設計開始的位置［7-8］。設計中引入“連接線”的概念，“連接線”起到連接2個工程構件的作用，將其設置于本工程構件的結束邊界與后面的工程構件相互連接的位置。采用這種設計方式，系統(tǒng)可對路基工程結構進行詳細分解，并理清構件之間的邏輯關系，將每個細節(jié)的設計做成1個功能模塊，從局部到整體層層裝配，最后設計出1套符合設計理念、精度高、易于修改的路基模型。

4.1 路基本體

依托三維線位和路面設計參數(shù)完成路基面、路肩及路肩線設計，路肩線作為后續(xù)工程設計的連接線。根據(jù)路肩線、地面模型和邊坡設計參數(shù)，生成路堤邊坡和路塹邊坡。根據(jù)邊坡坡腳連接線和排水溝、側溝參數(shù)，生成排水溝和側溝。路基本體設計模型見圖6。

圖6 路基本體設計模型

4.2 支擋工程

居都谷—香格里拉區(qū)間路基主要支擋工程為重力式擋土墻和衡重式樁基托梁擋土墻。設計系統(tǒng)將常用路基支擋工程參數(shù)置于SQLite中管理，在布置構件時，系統(tǒng)通過調用參數(shù)，使用內部算法計算生成模型，并在模型空間中顯示。創(chuàng)建模型時，選擇路肩線作為連接線，選擇起止里程生成擋土墻，生成時讀取保存在線路上的地質參數(shù)和地層信息，檢算擋土墻埋深與范圍，擋土墻生成后邊坡與擋土墻自動擬合。支擋工程設計模型見圖7。

圖7 支擋工程設計模型

4.3 邊坡防護

試點項目的邊坡防護措施主要為人字形骨架護坡和土工格柵。護坡工程的參數(shù)管理與支擋工程一致，路堤地段骨架護坡創(chuàng)建以路堤邊坡的坡頂線為連接線、坡腳線為結束邊界線，并與坡面緊密貼合；路塹地段以路塹邊坡的坡腳線為連接線、坡頂線為結束邊界線，并與坡面緊密貼合。骨架護坡設計模型見圖8。土工格柵的創(chuàng)建與骨架護坡近似，不再贅述。

圖8 骨架護坡設計模型

4.4 地基處理

4.4.1 挖除換填

在路基設計中，挖除換填設計的靈活性較大，通過建立參數(shù)化構件實現(xiàn)設計的難度較大，且設計合理性有待驗證，因此采用二、三維結合的手段開展設計。設計系統(tǒng)提供了橫斷面剖切功能，在指定里程處剖切路基，并將橫斷面保存在二維模型空間中。首先在橫斷面中繪制挖除換填線，再通過坐標變換將挖除換填線放置于三維模型空間中，最后利用空間挖除換填線擬合生成新的挖除換填設計模型（見圖9）。

圖9 挖除換填設計模型

4.4.2 復合地基

在DK129+900—DK130+710基床下方采用水泥土攪拌樁加固地基，在挖除換填設計生成新的地面模型的基礎上開展水泥土攪拌樁的設計，讀取地質參數(shù)和地層信息，檢算地基處理長度與范圍。進行水泥土攪拌樁加固處理的地段為軟黏土層較厚段落，地基處理樁基均打穿軟黏土層進入粉質黏土層，符合設計原則要求，設計樁長合理。復合地基設計模型見圖10。

圖10 復合地基設計模型

4.5 排水工程設計

路基排水設計是深化和優(yōu)化設計的需要［9］。在路基本體設計中，路堤邊坡的坡腳與地面緊密貼合，排水溝順著坡腳線布置，由于地面起伏不定，無法滿足排水要求。排水溝設計模塊可通過修改對應里程處的溝底高程實現(xiàn)排水設計，符合設計習慣，操作方便、自動化程度高，有助于排水工程深化設計。排水工程設計模型見圖11。

4.6 信息附加

設計系統(tǒng)賦予構件屬性，摒棄通過外部插件EC ClassEditor編輯信息再附加信息的方式，而是在系統(tǒng)內部開發(fā)屬性信息模塊，實現(xiàn)信息附加。首先基于Open?Rail Designer編寫ECSchema信息附加的模塊，然后定義構件屬性的參數(shù)類（任意屬性均可定義），并根據(jù)ECSchema基本架構劃分屬性的層級關系。裝配構件的同時，EC工具能夠動態(tài)創(chuàng)建ECSchema，并將屬性信息附加至構件，實現(xiàn)創(chuàng)建模型的同時完成相關屬性信息的附加，提高信息附加效率，確保信息準確性。查看衡重式擋土墻屬性信息的界面見圖12。

圖12 衡重式擋土墻屬性信息界面

5 文件輸出

5.1 工程量計算

Bentley軟件自帶的數(shù)量統(tǒng)計功能，只能簡單統(tǒng)計模型的體積、面積，不能滿足路基工程數(shù)量計算的需求。設計系統(tǒng)在路基工程數(shù)量計算模塊中，將所有需要統(tǒng)計的工程按部位進行細分，統(tǒng)計時從已建立完成的模型中獲取工程結構對應的部位，并統(tǒng)計該部位的數(shù)量、材料類型和單位等數(shù)據(jù)，逐個統(tǒng)計完成后進行匯總，即可得到該工程的工程數(shù)量，最終將計算結果按照特定格式輸出到Excel表格。

5.2 二維出圖

目前，基于Bentley平臺的鐵路路基BIM技術應用，還無法直接使用三維模型指導施工，而Bentley軟件自帶的出圖功能還不能滿足路基二維出圖的需求。因此，設計系統(tǒng)開發(fā)了1套采用基于三維模型的二維出圖工具，通過對模型進行剖切、投影，生成二維圖紙，以輸出設計成果（見圖13）。

6 模型管理

鐵路路基工點項目包含眾多路基工程構件，且沿線路布置距離較長。為方便對某一具體工程構件進行定位和修改，需要對工程項目中路基BIM構件進行統(tǒng)一管理，給構件附加定位信息，以便修改時能快速定位對應構件［10］。設計系統(tǒng)采用構件IFD編碼+里程信息的方式識別項目中每個構件［11］。定位信息是構件的唯一識別碼，作為屬性附加于構件上，程序遍歷所有構件屬性信息中的定位信息，通過讀取預先定義好的構件層級關系，最終按照層級關系生成路基工程項目結構樹，并通過點擊結構樹中的節(jié)點實現(xiàn)工程構件的快速、準確定位（見圖14）。

圖13 二維出圖界面

7 問題與建議

（1）由于Bentley軟件參數(shù)化功能較弱［12］，路基BIM設計軟件定制路基參數(shù)化構件的方式，完全通過二次開發(fā)的程序驅動創(chuàng)建，對專業(yè)人員的軟件開發(fā)能力要求較高，開發(fā)工作量較大；路基工程構件新增類型較多，要求構件庫具有較強的可擴充性，需要豐富構件的生產方式，滿足一般設計人員對構件庫進行擴充的需求［13］。針對這種情況，需要將參數(shù)化構件與不可參變構件結合使用，建立構件時需對構件的參數(shù)進行分析、結構進行分解，最后進行組裝。

圖14 路基BIM結構樹

（2）在復合地基設計中，復合地基模型還無法與地質專業(yè)地層模型結合，以檢算地基處理長度與范圍。現(xiàn)階段只能用地層信息與地質參數(shù)檢算，可視化效果較差。目前，路基工程檢算（包括沉降分析、邊坡穩(wěn)定分析等）均無法應用于路基BIM設計，需要打通與地質BIM的數(shù)據(jù)接口，并將傳統(tǒng)檢算方法應用于三維模型，這需要路基專業(yè)人員與軟件研發(fā)人員進一步深入研究。

（3）利用基于三維模型的二維出圖指導施工，與傳統(tǒng)設計方法無異。將三維模型作為交付成果，以三維模型和二維圖紙結合的方式指導施工，并且逐步取代二維圖紙，是未來路基BIM成果交付研究的重點。

（4）信息是BIM的靈魂，沒有賦予信息的三維模型不能稱為BIM模型。工程信息在各階段間的傳遞是BIM技術推廣應用的一大瓶頸，要建立完善的信息附加與信息篩選機制確保信息準確傳遞［14］。在設計階段，要篩選規(guī)劃階段有應用價值的信息，利用這些信息設計、生成模型并附加相應信息，再傳遞至施工階段。設計系統(tǒng)將信息附加的方法寫入程序，在模型創(chuàng)建時即實現(xiàn)了將信息綁定于模型，不僅節(jié)約了手動附加信息的時間，還方便了信息的篩選、修改和擴充。

8 結束語

與傳統(tǒng)利用二維圖紙建立三維模型不同，正向設計是從無到有的過程，即在只有設計概念的狀態(tài)下，由工程設計人員收集各種原始資料，經(jīng)過計算分析、審核優(yōu)化等過程，最終得到相對合理的設計成果。隨著BIM在鐵路行業(yè)的深入應用，逆向翻模的方式將逐漸淘汰，正向設計已成大勢所趨?；贐entley平臺的鐵路路基BIM正向設計研究表明，該鐵路正向設計路線現(xiàn)實可行，應加大二次開發(fā)力度，使其滿足鐵路設計的習慣和需求，提高BIM設計效率。

依托麗香鐵路路基工程，結合BIM設計特點及相關標準，在OpenRail Designer軟件平臺上開發(fā)路基BIM設計系統(tǒng)，提高了設計的效率與精度，為路基BIM設計提供了有效的解決方案，其成果為后續(xù)應用打下良好的模型與信息基礎，并為鐵路工程各專業(yè)開展BIM正向設計及BIM應用提供了借鑒與指導。然而，BIM設計取代傳統(tǒng)二維設計需要一個長期發(fā)展的過程，有待鐵路工程設計單位進一步研究，通過開展更加深入的二次開發(fā)工作，確保鐵路行業(yè)BIM應用走上可持續(xù)發(fā)展道路。