基于BIM的鐵路車輛站場場坪三維設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 沛

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031)

隨著全國鐵路和城市軌道交通項目的大力建設(shè)，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)也逐步應(yīng)用于鐵路和城軌領(lǐng)域。同時，一系列建筑信息化等國家政策和標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺，鐵路勘察設(shè)計單位在隧道、橋梁等站前工程方面逐步突破了利用BIM技術(shù)進行正向設(shè)計，但在鐵路站后工程方面仍是空白[1-2]。鐵路站場作為鐵路工程領(lǐng)域最具代表性的大型綜合性站后工程，其BIM正向設(shè)計極其復(fù)雜，而場坪作為站場工程設(shè)計的基礎(chǔ)，對其進行BIM正向設(shè)計研究是鐵路站場實現(xiàn)數(shù)字化三維設(shè)計的首要任務(wù)[3-5]。

目前，國內(nèi)外鐵路站場場坪設(shè)計多采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式，盡管個別勘察設(shè)計單位借鑒公路停車場地設(shè)計方法實現(xiàn)了場坪的三維建模，但幾乎均是在二維圖紙的基礎(chǔ)上進行建模工作，這與正向設(shè)計原則嚴(yán)重不符[6-8]。以某鐵路站場場坪工程BIM正向設(shè)計為出發(fā)點，越行站場坪為研究對象，以全新的三維設(shè)計手段，在三維空間中以三維地形模型和三維線路模型為設(shè)計基礎(chǔ)，輔以參數(shù)化橫斷面設(shè)計與分段里程橫斷面參數(shù)控制的方式。按照不同階段的需求，利用Bentley-ORD軟件自身的功能和對其二次開發(fā)的工具，設(shè)計出具備全面工程屬性且土、石方量可實時計算的三維場坪BIM模型，避免了二維設(shè)計中因高程不直觀造成的設(shè)計錯誤和工程信息不明顯造成圖紙會審時的誤會，并且以三維空間的角度進行計算統(tǒng)計場坪的土、石方工程量，增加了設(shè)計數(shù)據(jù)的可靠性。

1 站場場坪BIM設(shè)計

1.1 站場BIM設(shè)計流程

鐵路站場BIM設(shè)計基于Bentley-ORD工具與二次開發(fā)正向設(shè)計軟件實現(xiàn)，主要包括輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、場坪區(qū)域劃分、參數(shù)化模板創(chuàng)建、模板關(guān)鍵點參數(shù)表創(chuàng)建、邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計、場內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)計、工程屬性標(biāo)準(zhǔn)定義、工程土石方量計算統(tǒng)計等。設(shè)計前期，利用BIM工具生成符合場坪設(shè)計要求的地形和線路三維模型作為場坪三維設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)境，依照鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的IFC/IFD編碼標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建EC Schema文件[9]，并用設(shè)計工具按場坪劃分的區(qū)域設(shè)計并創(chuàng)建整個場坪區(qū)間的參數(shù)化斷面模板，再結(jié)合設(shè)計要求與里程信息完成每個模板在不同里程下關(guān)鍵點的參數(shù)表。在建模時，利用前期的基礎(chǔ)環(huán)境、模板和參數(shù)表完成場坪區(qū)間的路基、坡面、邊緣排水溝及場內(nèi)排水系統(tǒng)等設(shè)計建模，并利用二次開發(fā)的工具進行工程屬性附加和土石方量計算。設(shè)計人員以計算結(jié)果為參考對場坪模型進行深化設(shè)計，最終生成最佳方案場坪模型、圖紙、工程土石方量表，為其余站后專業(yè)提供設(shè)計基礎(chǔ)。鐵路站場場坪BIM正向設(shè)計流程如圖1所示[10]。

圖1 鐵路站場BIM正向設(shè)計流程

1.2 數(shù)據(jù)輸入

1.2.1 地形模型輸入

根據(jù)測繪專業(yè)提供的二維地形平面圖，利用Bentley Power Civil平臺，并結(jié)合自主研發(fā)程序提取等高線、高程點、特征點、特征線、道路、水系、坎、陡崖實體結(jié)點，通過離散點構(gòu)TIN在Power Civil中建立地形三維模型，其設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 地形三維模型設(shè)計結(jié)果

1.2.2 線路模型輸入

利用基于Bentley軟件自主開發(fā)的線路建模工具和最佳線路方案的數(shù)據(jù)庫文件，建立線路平、縱斷面線形模型。其中，主要用到的數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)容有平面曲線表、斷鏈表和坡度表，平面曲線表用以創(chuàng)建線路的平面走向，斷鏈表用以控制線路的冠號里程，坡度表用以創(chuàng)建線路的縱斷面坡度，線路平、縱斷面三維模型如圖3所示。

圖3 線路平、縱斷面三維模型

1.3 站場場坪BIM設(shè)計工具

由于Bentley-ORD的“斷面模板-廊道拉伸”建模方法對于創(chuàng)建斷面形狀固定、大長型BIM模型效率較高，鐵路站場本質(zhì)為沿鐵路線布置的可拉伸、變橫斷面空間體。因此，基于該建模思路，設(shè)計出站場在整個站場區(qū)間內(nèi)參數(shù)可變的斷面形式，并通過控制斷面關(guān)鍵點參數(shù)和里程參數(shù)的方式進行鐵路站場場坪模型的創(chuàng)建。場坪廊道模板與參數(shù)控制界面如圖4所示。

圖4 場坪廊道模板與參數(shù)控制界面

2 場坪BIM三維設(shè)計實現(xiàn)

2.1 站場場坪的類型與內(nèi)容

為保證行車安全和必要的線路通過能力，車站把一條鐵路線路劃分成若干個長度不同的站間，車站為相鄰站間的分界點。車站是鐵路運輸?shù)幕旧a(chǎn)單位，按其技術(shù)作業(yè)和設(shè)備不同，分為會讓站、越行站、中間站、區(qū)段站和編組站等[11]。TB 10099—2017《鐵路車站及樞紐設(shè)計規(guī)范》[12]規(guī)定：鐵路車站場坪應(yīng)根據(jù)場坪寬度、排水要求和場坪挖填情況，設(shè)計出適宜坡度的邊緣排水系統(tǒng)和場內(nèi)排水系統(tǒng)，并根據(jù)車站的功能、容量等計算出工程土、石方量。常用站場場坪系統(tǒng)包含內(nèi)容見表1。

表1 常用站場場坪系統(tǒng)包含內(nèi)容

2.2 站場BIM設(shè)計方法

通過輸入的線路和地形模型，利用Bentley-ORD工具與二次開發(fā)的模型設(shè)計插件，進行參數(shù)化場坪橫斷面模板庫創(chuàng)建、斷面關(guān)鍵參數(shù)表創(chuàng)建、場坪邊緣排水系統(tǒng)創(chuàng)建、場坪場內(nèi)橫縱向排水系統(tǒng)創(chuàng)建、參數(shù)化站線繪制，軌道、軌枕、道床參數(shù)化自動布置等。以某鐵路越行站為例，對其場坪工程開展BIM設(shè)計研究。

2.2.1 站場場坪工程特點

通常情況下，鐵路站場場坪高程相對單一，即使存在變高程情況，但在同一平面上區(qū)域的高程近似相等，因此在場坪BIM設(shè)計過程中，應(yīng)確認(rèn)場坪區(qū)段正線線路的縱斷面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，避免因線路數(shù)據(jù)錯誤而導(dǎo)致廊道拉伸場坪的高程起伏不一、表面不平[13]。某車站場坪工程區(qū)間示意如圖5所示，起始里程為DK481+280，終點里程為DK482+420，全長為1.14 km，根據(jù)其設(shè)計要求，該越行站宜為6線越行(含正線)。由于該區(qū)域兩側(cè)傍山，且處于低谷之中，在設(shè)計過程中著重考慮該越行車站場坪的排水系統(tǒng)。

圖5 某越行車站站場區(qū)間示意

2.2.2 場坪工程參數(shù)化斷面庫設(shè)計

根據(jù)場坪的功能要求將場坪劃分成不同的區(qū)域。本站場坪區(qū)域可分解為橋梁端過渡區(qū)、隧道端過渡區(qū)、站房場坪區(qū)、給水所場坪區(qū)、污水處理站場坪區(qū)等。具體斷面設(shè)計如下。

(1)由于越行站結(jié)構(gòu)相對簡單，不宜采用多路基本體斷面，故兩端過渡區(qū)場坪設(shè)計為路基不分層形式，采用變寬度參數(shù)控制雙線正線向6線站線的過渡，無站臺越行，橋梁端過渡區(qū)場坪兩側(cè)采用填、挖方坡并存的斷面形式，坡面采用分級放坡(垂向高度每8 m)，填方坡腳設(shè)置“V”形水溝作為邊緣排水系統(tǒng)的主體；隧道端過渡區(qū)場坪兩側(cè)幾乎全為挖方，為滿足排水能力，在傍大坡區(qū)段設(shè)置水溝與站線場坪平齊。兩端過渡區(qū)場坪斷面如圖6所示。

圖6 兩端過渡區(qū)場坪參數(shù)化斷面

(2)中間場坪區(qū)域除布置站線外，主要在其上布置站房及一些輔助站所。將此區(qū)域場坪設(shè)計為2個基本高程，且站房場坪低于站線場坪高程4.2 m，采用變寬度參數(shù)同時控制線路場坪與站房場坪沿正線方向的尺寸控制。為使站線區(qū)域場坪傍山側(cè)的排水系統(tǒng)能較好地與地形融合，且滿足相應(yīng)位置地形的排水能力，此處的排水溝設(shè)計為兩種形式，即在傍大坡區(qū)段設(shè)置水溝與站線場坪平齊，大坡面采用分級放坡(垂向高度每級8 m)，在無坡或小坡區(qū)段設(shè)置水溝低于站線場坪。在站房場坪邊緣設(shè)置“V”形排水溝，并在其與場坪之間以1∶1.5的坡比過渡連接。中間場平參數(shù)化斷面如圖7所示。

圖7 中間場坪區(qū)域參數(shù)化斷面

2.2.3 場坪工程斷面參數(shù)表設(shè)計

基于設(shè)計的各區(qū)段斷面參數(shù)化模板與場坪沿線里程要求，利用二次開發(fā)設(shè)計工具，沿里程(每隔20m)對模板關(guān)鍵點進行參數(shù)自動化設(shè)計，最終形成各個模板對應(yīng)的參數(shù)表文件。參數(shù)表文件包括模板名稱、里程區(qū)段、關(guān)鍵點名稱、參數(shù)類型、參數(shù)對應(yīng)起止里程、起止里程對應(yīng)參數(shù)值等。本越行站場坪3號斷面模板參數(shù)表形式見表2。

表2 越行站場坪3號斷面模板參數(shù)表形式

2.2.4 基本場坪生成

基于創(chuàng)建的斷面模板及模板上關(guān)鍵點參數(shù)表文件，利用Bentley-ORD的“斷面模板-廊道拉伸”建模方法生成表3所列的4個區(qū)段的場坪模型。通過精確控制參數(shù)設(shè)置，整個場坪區(qū)域的全部模型如圖8所示。

表3 越行站場坪里程、模板對應(yīng)關(guān)系

圖8 越行站站場場坪基礎(chǔ)模型

2.2.5 場內(nèi)橫、縱向排水系統(tǒng)設(shè)計

以上文創(chuàng)建的站場場坪為基礎(chǔ)，對Bentley-ORD軟件二次開發(fā)，得到通用站場場坪內(nèi)排水系統(tǒng)參數(shù)化三維快速設(shè)計工具，然后利用該工具對本場坪內(nèi)部橫、縱向排水系統(tǒng)進行三維設(shè)計。由于兩端過渡區(qū)域邊緣排水溝槽達到所屬區(qū)段的排水要求，因此，僅在中間站房場坪內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的排水溝槽，實現(xiàn)站房場坪區(qū)、給水所場坪區(qū)、污水處理站場坪區(qū)之間的排水。場內(nèi)橫、縱向排水系統(tǒng)三維設(shè)計界面與設(shè)計后中間場坪排水系統(tǒng)分別如圖9、圖10所示。

圖9 場內(nèi)橫、縱向排水系統(tǒng)三維設(shè)計界面

圖10 中間場坪場內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)計

2.2.6 工程土、石方量計算統(tǒng)計

工程土、石方量計算是工程預(yù)算的重要組成部分，設(shè)計人員實時計算出不同方案下的土、石方量數(shù)值，以作為方案比選的指標(biāo)[14-17]。車站場坪屬于鐵路工程中最具代表性的土、石方工程，基于Bentley平臺開發(fā)場坪土、石方量自動計算統(tǒng)計工具，以地形模型與場坪模型為輸入量，根據(jù)不同的挖、填方類型，實現(xiàn)一鍵計算與統(tǒng)計場坪的挖、填方量，提高設(shè)計效率。土、石方統(tǒng)計界面和越行站站場場坪的挖、填方工程量統(tǒng)計結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

3 鐵路站場場坪工程信息附加

《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》[18]指出，鐵路工程信息模型的模型單元信息深度應(yīng)與模型精度規(guī)定的相應(yīng)等級對應(yīng)，充分、準(zhǔn)確地表達該模型單元在相應(yīng)設(shè)計階段的所有必需工程信息，滿足各階段的使用需求。

圖11 場坪工程土、石方計算統(tǒng)計工具界面

圖12 越行站場坪的挖、填方工程量統(tǒng)計結(jié)果

3.1 站場場坪工程信息內(nèi)容

鐵路工程信息模型的屬性信息包括幾何信息和非幾何信息，幾何信息宜分解至最底層，并采用結(jié)構(gòu)化方式進行存儲；非幾何信息宜根據(jù)實際應(yīng)用需求進行分解，部分?jǐn)?shù)據(jù)可采用非結(jié)構(gòu)化方式進行存儲。隨著模型精度的遞增，模型單元幾何精度和信息深度應(yīng)按照項目應(yīng)用需求從低幾何精度、低信息深度向高幾何精度、高信息深度遞進。場坪工程模型在不同階段對應(yīng)不同的模型精度，而不同的模型精度又對應(yīng)著不同的信息深度。結(jié)合《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》與不同階段的模型精度，站場場坪工程不同階段的模型精度與信息深度見表4。

表4 站場場坪工程不同階段的模型精度與信息深度

3.2 信息添加工具開發(fā)

基于Bentley-ORD平臺，根據(jù)場坪工程的模型精度與信息深度表開發(fā)其工程屬性附加工具。被工具采用自動遍歷所有圖形元素的方式，通過一系列判斷準(zhǔn)則、元素屬性特征與元素間的尺寸關(guān)系，按照不同的精度等級或階段需求，自動完成模型構(gòu)件的屬性附加[19-20]。其工作界面與越行站場坪工程信息附加結(jié)果分別如圖13、圖14所示。

圖13 場坪工程信息附加工具界面

圖14 越行站場坪工程信息附加結(jié)果

4 結(jié)語

以改善鐵路站場場坪工程傳統(tǒng)二維設(shè)計中存在的弊端和實現(xiàn)鐵路站場場坪工程的BIM正向設(shè)計為出發(fā)點，以某越行站場坪為研究對象，基于三維設(shè)計思路將地形和線路數(shù)據(jù)庫作為設(shè)計輸入，建立由三維地形和線路構(gòu)成的場坪三維設(shè)計環(huán)境?；贐entley-ORD開發(fā)了場坪參數(shù)化橫斷面設(shè)計工具、橫斷面關(guān)鍵點參數(shù)表制作工具、場坪內(nèi)縱橫排水系統(tǒng)設(shè)計工具、場坪土石方量實時計算工具和場坪工程信息添加工具一系列場坪正向設(shè)計工具，并利用平臺與該系列工具完成了某場坪BIM正向設(shè)計。綜合研究分析，得出如下結(jié)論。

(1)三維場坪設(shè)計環(huán)境提高了場地設(shè)計的空間可觀性，避免了因高程造成的設(shè)計干涉。

(2)橫斷面關(guān)鍵點參數(shù)表按里程控制參數(shù)化斷面的幾何形狀，顯著提高了場坪的三維設(shè)計效率與準(zhǔn)確性，并實現(xiàn)了場坪與地形的完美融合，避免了人為因素導(dǎo)致的設(shè)計錯誤。

(3)場坪土石方量計算工具與工程信息添加工具，可以實時統(tǒng)計工程挖、填方量和高效添加模型全部工程屬性，為后續(xù)專業(yè)開展設(shè)計工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和信息基礎(chǔ)。

(4)采用場坪BIM設(shè)計方法，使全設(shè)計過程均處于三維環(huán)境中，很大程度推動了鐵路站場場坪數(shù)字化三維正向設(shè)計。