基于達索平臺的鐵路土建工程BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究

齊成龍

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 土建院，天津 300308）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）可實現(xiàn)鐵路工程設(shè)計階段數(shù)據(jù)管理的協(xié)同共享，為工程建設(shè)全生命周期的各種決策及多方協(xié)同提供數(shù)字化基礎(chǔ)。近年來，BIM技術(shù)在鐵路工程領(lǐng)域得到了不斷的推廣和應(yīng)用。鐵路BIM聯(lián)盟在標(biāo)準(zhǔn)制定方面進行了大量的基礎(chǔ)研究[1-3]，截至目前共發(fā)布了13項鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)，為BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。

目前，已有許多業(yè)內(nèi)人士對鐵路土建工程BIM設(shè)計領(lǐng)域進行了技術(shù)研究與工程實踐。趙月悅等人[4]運用Revit軟件建立一整套高速鐵路橋梁構(gòu)件庫，對拱橋、鋼—混組合梁斜拉橋及預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋等特殊復(fù)雜橋梁進行BIM設(shè)計；謝先當(dāng)?shù)热薣5]基于OpenRail Designer二次開發(fā)，形成具備路基本體、支擋工程、邊坡防護、地基處理和三維排水等功能的路基正向設(shè)計系統(tǒng)；張軒[6]在北京—張家口高速鐵路隧道工程中，使用Bentley平臺開展了包括碰撞檢測、出圖算量、正向設(shè)計、協(xié)同設(shè)計在內(nèi)的隧道工程BIM應(yīng)用研究。從研究的廣度來看，BIM技術(shù)已應(yīng)用于鐵路土建工程的各個專業(yè)，并得到了一些成功案例[7-8]；但從研究的深度來看，鮮有在協(xié)同設(shè)計環(huán)境下串聯(lián)起路基、橋梁、隧道3個專業(yè)的應(yīng)用案例。

本文從基于達索（Dassault）平臺的三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境出發(fā)，圍繞 “骨架-模板”設(shè)計方法，研究路基、橋梁、隧道工程各專業(yè)BIM設(shè)計及專業(yè)間接口設(shè)計技術(shù)，以期達到三維精細化設(shè)計與正向設(shè)計的目標(biāo)。

1 三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境

為了在三維BIM環(huán)境下實現(xiàn)土建工程設(shè)計各參與方之間的交互協(xié)同和信息共享，需要建立共同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，包括信息傳遞和設(shè)計成熟度管理。三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境為土建工程專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)的BIM設(shè)計創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

1.1 信息傳遞

專業(yè)之間需要傳遞的信息分為2種類型：（1）可用結(jié)構(gòu)化形式傳遞的信息，需滿足軟件自動讀取的要求并用于BIM設(shè)計；（2）只能以非結(jié)構(gòu)化形式、通過管理平臺傳遞的信息，需人工讀取。

1.1.1 結(jié)構(gòu)化信息傳遞

結(jié)構(gòu)化信息依托設(shè)計骨架傳遞。骨架即對鐵路工程的主要位置及主要特征以輕量化的點、線、面和參數(shù)進行表達，在鐵路工程BIM設(shè)計中起著定位與專業(yè)間信息傳遞的作用。骨架設(shè)計的過程處處體現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同作業(yè)的過程，其成果可作為模型裝配和實例化的輸入?yún)?shù)。本文參考傳統(tǒng)鐵路工程設(shè)計過程，結(jié)合BIM設(shè)計特點，將骨架設(shè)計分為2個階段，即總骨架設(shè)計和專業(yè)骨架設(shè)計。

（1）總骨架

總骨架包括線路空間曲線及路基、橋梁、隧道各專業(yè)缺口里程。

（2）專業(yè)骨架

專業(yè)骨架具體內(nèi)容根據(jù)專業(yè)特點確定，如表1所示。專業(yè)骨架是對總骨架的進一步深化，其工程特征描述更精細，并與總骨架保持聯(lián)動，總骨架的修改將驅(qū)動專業(yè)骨架隨之更新。

表1 專業(yè)骨架設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)鐵路土建工程技術(shù)特點，結(jié)合BIM技術(shù)在三維參數(shù)化、協(xié)同化方面的優(yōu)勢，進行路基、橋梁、隧道工程數(shù)字化設(shè)計流程再造，明確每個設(shè)計環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的下序資料，并與骨架結(jié)構(gòu)進行映射。承載結(jié)構(gòu)化信息的土建工程各專業(yè)骨架如圖1所示。

圖1 承載結(jié)構(gòu)化信息的土建工程各專業(yè)骨架

1.1.2 非結(jié)構(gòu)化信息傳遞

非結(jié)構(gòu)化信息以各種數(shù)據(jù)文件承載，包括Word、Excel、AutoCAD等常用軟件生成的文件。

Enovia是Dassault平臺的B/S架構(gòu)應(yīng)用模塊，設(shè)計人員可通過Enovia模塊在瀏覽器端實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)庫、人員權(quán)限及任務(wù)分配、文件數(shù)據(jù)的遠程管理。有關(guān)責(zé)任人在啟動所負責(zé)的任務(wù)后，于Enovia端給每項任務(wù)分配設(shè)計文檔，并開展成熟度狀態(tài)和版本管理工作。

1.2 設(shè)計成熟度管理

為從源頭上保證鐵路土建工程設(shè)計的系統(tǒng)性，本文提出“三棵樹”的設(shè)計理念，用于區(qū)分表達不同的設(shè)計成熟度。

（1）骨架結(jié)構(gòu)樹：用于工程結(jié)構(gòu)的框架性設(shè)計和信息傳遞。

（2）設(shè)計結(jié)構(gòu)樹：用于設(shè)計過程和BIM組織。海量模型及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的存儲會帶來數(shù)據(jù)庫性能的下降，減少數(shù)據(jù)庫記錄可有效提高數(shù)據(jù)存取和索引效率，增強協(xié)同設(shè)計體驗。因此，在滿足設(shè)計檢查、優(yōu)化和工程數(shù)量統(tǒng)計的前提下，使用簡化特征表達標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，對組合后發(fā)揮特定作用的若干構(gòu)件按一個構(gòu)件進行設(shè)計，并從特征層面建立約束關(guān)系，以達到減少數(shù)據(jù)庫記錄、提升平臺運行效率的目標(biāo)。

（3）交付結(jié)構(gòu)樹：用于從設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為交付模型。按照《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，模型需按單體構(gòu)件存儲、組織。因此，在交付前需使用平臺工具將設(shè)計結(jié)構(gòu)樹升級至交付結(jié)構(gòu)樹，將以簡化特征或整體表達的模型升級成單體構(gòu)件，滿足建設(shè)管理、數(shù)字化施工等應(yīng)用需求。

2 骨架設(shè)計

2.1 橋梁骨架設(shè)計

“骨架-模板”是一種自上而下的設(shè)計方法，以橋梁工程為例，骨架定義了橋梁上下部各構(gòu)件的整體定位基準(zhǔn)，其本身是BIM的一部分，通常外在表現(xiàn)為點、線、面和坐標(biāo)系等形式?；谠摲椒ǎ蛔鶚蛄旱牧后w、橋墩、橋臺和基礎(chǔ)等組成部分在相對空間位置發(fā)生變化時，能夠繼承原有的設(shè)計框架，自動實現(xiàn)設(shè)計更改。

線位主骨架是創(chuàng)建橋梁定位骨架的基礎(chǔ)，在模型空間表現(xiàn)為一條空間曲線，既包含平面曲線信息，又包含縱斷面信息。 獲取線位主骨架后，為了完成對橋梁各部分構(gòu)件的定位，還需以表格形式輸入里程、高程、彎道布置及構(gòu)件類型等所需信息。

基于上述輸入信息，在Dassault軟件知識工程模塊的Knowledge Pattern工具中，使用EKL（Enterprise Knowledge Language）編寫腳本程序，調(diào)用Dassault軟件應(yīng)用程序接口（API，Application Program Interface）實現(xiàn)橋梁骨架運算算法，完成橋梁定位骨架批量建模。

2.2 路基骨架設(shè)計

路基骨架分為工點線位（一級骨架線）和路肩線（二級骨架線），是路基工程BIM建模的重要輸入元素。一級骨架線的創(chuàng)建方法是在每個路基工點范圍內(nèi)截取空間左線模型；二級骨架線的創(chuàng)建是以工點范圍作為邊界條件生成左右側(cè)路肩位置的三維空間曲線，需同時考慮軌道結(jié)構(gòu)形式、鐵路等級對曲線加寬的影響。

以U型槽為例，設(shè)計時以左線投影線作為基準(zhǔn)，根據(jù)U型槽單元長度和伸縮縫寬度，使用EKL腳本中的split函數(shù)批量切割空間左線，生成每個U型槽段落的空間骨架，作為模型實例化的輸入條件。

2.3 隧道骨架設(shè)計

以正洞和洞室為例，設(shè)計流程如下。

（1）確定骨架起終點里程

從設(shè)計信息表讀取各隧道節(jié)段的正洞起終點里程，以及各洞室所在里程、左右側(cè)信息及軸線長度。

（2）生成三維起終點

鐵路工程中的里程是平面左線長度的數(shù)值反映，因此，設(shè)計時需沿平面左線以里程值為度量生成臨時定位點，再通過該點沿豎直方向延伸與空間左線相交生成三維起終點。

（3）生成隧道骨架線

使用EKL編寫腳本程序，循環(huán)截取空間左線，并生成與洞室軸線長度相等且垂直于空間線位的短線，分別作為隧道正洞和洞室骨架。

3 構(gòu)件模板裝配設(shè)計

3.1 橋梁裝配設(shè)計

（1）簡支梁設(shè)計

綜合運用BIM軟件的等截面實體、多截面實體、拉伸、剪切、布爾運算等三維幾何造型功能創(chuàng)建簡支梁精細化BIM模板；在BIM生產(chǎn)項目實踐過程中，積累豐富的模板庫，使用Dassault-catalog功能高效管理模板設(shè)計成果；調(diào)用Dassault軟件Assembly Pattern功能，分別選擇簡支梁模板與裝載坐標(biāo)系的幾何圖形集，完成各類簡支梁模板的批量實例化。

（2）連續(xù)梁設(shè)計

基于Dassault/CAA架構(gòu)，開發(fā)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁BIM設(shè)計工具，嵌入Dassault軟件內(nèi)部，以用戶界面對話框和Excel表格作為數(shù)據(jù)輸入媒介。在模塊設(shè)計方面，通過界面模塊、特征模塊和節(jié)段拓撲模塊使用戶定義特征從虛擬的可派生基類逐步具體化為可視的拓撲形狀，最終組裝生成全橋BIM，設(shè)計界面如圖2所示。

圖2 連續(xù)梁BIM設(shè)計工具用戶交互界面

（3）橋墩設(shè)計

①通過Dassault軟件Component Family模塊將橋墩一級模板分解為離散于數(shù)據(jù)庫中的二級模板，并同時為二級模板的幾何參數(shù)和屬性賦值；②使用CAA進行二次開發(fā)，編制橋墩二級模板組裝程序，該程序從數(shù)據(jù)庫調(diào)取滿足屬性要求的二級模板，并將二級模板移動至與骨架坐標(biāo)系重合，通過循環(huán)操作實現(xiàn)全橋橋墩的快速、批量建模。

（4）基礎(chǔ)設(shè)計

使用Dassault/CAA架構(gòu)開發(fā)基礎(chǔ)批量BIM建模及審核程序，本程序具備批量創(chuàng)建基礎(chǔ)模型并以Excel表格的形式輸出設(shè)計數(shù)據(jù)以供審核的功能。從開發(fā)角度上講，本程序同樣分為界面模塊、特征模塊及幾何拓撲模塊。其中，幾何拓撲模塊用于生成承臺和樁的CATBody類型拓撲結(jié)果；特征模塊將樁和承臺各自封裝為一種面向?qū)ο蟮哪Ｐ?，并調(diào)用幾何拓撲模塊實現(xiàn)特征顯示；界面模塊調(diào)用特征模塊實現(xiàn)批量建模功能。

3.2 路基裝配設(shè)計

（1）基床設(shè)計

在進行路基基床BIM設(shè)計前，需要根據(jù)地形起伏情況分段調(diào)用路堤、路塹模板。為了有效判斷路堤、路塹分界位置，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況將每個工點范圍劃分成若干個段落，每個段落采用同一個路塹標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進行分界判別。具體過程為：①計算出每個段落判斷線與地形面的交點；②根據(jù)這些交點將段落劃分為多個部分，在地形面以上的范圍為路堤，地形面以下為路塹；③分別調(diào)用路堤、路塹BIM模板，與三維數(shù)字地形交互運算，完成基床BIM設(shè)計。設(shè)計成果如圖3所示。

圖3 路堤、路塹分界點與基床BIM設(shè)計

（2）支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計

路基支擋結(jié)構(gòu)主要包括樁板式擋土墻、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、U型槽（塢式擋土墻）等常見類型。本文采用Dassault知識工程等參數(shù)化手段，創(chuàng)建支擋結(jié)構(gòu)模板。

以U型槽為例，將U型槽通用工程模板及設(shè)計信息表添加到資源表，利用Action功能調(diào)用模板，循環(huán)讀取空間骨架線及設(shè)計信息表中的U型槽尺寸參數(shù)，通過SetAttributeReal函數(shù)為U型槽工程模板賦值，使用InstantiateTemplate函數(shù)完成U型槽實例化。設(shè)計成果如圖4所示。

圖4 U型槽BIM及骨架設(shè)計

3.3 隧道裝配設(shè)計

不同類型隧道工程構(gòu)件在幾何特征上存在差距，如：不同類型襯砌的內(nèi)輪廓相同，初支和二襯厚度不同；大部分隧道洞室采用相同的結(jié)構(gòu)型式，僅尺寸參數(shù)取值不同；對于使用通用楔形管片的盾構(gòu)隧道，每一環(huán)管片通常都由封頂塊、臨接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊3種形式拼裝而成，沿線路方向所有管片環(huán)只存在空間位置的區(qū)別，幾何特征完全相同。不同幾何特征的隧道工程構(gòu)件的BIM模板如圖5所示。

圖5 各類隧道構(gòu)件BIM模板

根據(jù)不同類型構(gòu)件的幾何特征變化規(guī)律，創(chuàng)建以骨架為輸入元素的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模板庫。通過Dassault知識工程工具，讀取表格數(shù)據(jù)并識別構(gòu)件骨架線特征，調(diào)用所需構(gòu)件BIM模板并進行參數(shù)賦值，實現(xiàn)批量裝配并最終完成全隧道BIM設(shè)計。

4 土建工程專業(yè)間接口設(shè)計

在BIM協(xié)同設(shè)計環(huán)境下，不同專業(yè)人員基于同一數(shù)據(jù)庫、同一三維地形協(xié)同工作。該環(huán)境不僅為設(shè)計人員開展土建結(jié)構(gòu)物、邊仰坡、電纜槽、排水溝等關(guān)聯(lián)構(gòu)件的精細化設(shè)計提供條件，同時簡化了專業(yè)間資料和信息交換的過程，可提高設(shè)計質(zhì)量、避免反復(fù)工作。

4.1 橋隧三維聯(lián)動設(shè)計

由隧道設(shè)計人員發(fā)布以三維空間平面代表的臨時缺口模型，土建工程其他專業(yè)人員以這些平面作為三維BIM設(shè)計的輸入?yún)?shù)，用以限定模型邊界范圍。當(dāng)缺口里程調(diào)整時，三維空間平面移動，橋梁、隧道專業(yè)模型隨之自動更新，如圖6所示。上述流程實現(xiàn)了根據(jù)設(shè)計過程中的實際情況，綜合考慮安全、經(jīng)濟、美觀等多種控制因素的交互式專業(yè)間接口動態(tài)設(shè)計。

圖6 橋隧三維聯(lián)動設(shè)計

4.2 路隧排水接口設(shè)計

傳統(tǒng)二維模式以平面布置圖及橫斷面圖作為設(shè)計手段綜合表達排水路徑，不適用于復(fù)雜空間地形及多專業(yè)系統(tǒng)排水設(shè)計場景。本文以實測三維地形曲面作為設(shè)計依據(jù)，發(fā)揮BIM技術(shù)的參數(shù)化優(yōu)勢，在協(xié)同環(huán)境下開展路基、隧道工程系統(tǒng)排水設(shè)計，如圖7所示。隧道截水天溝匯集山坡水流排入路基天溝，保證了水流的有效、暢通。

圖7 路隧排水接口設(shè)計

4.3 路橋過渡電纜槽（井）設(shè)計

過渡電纜槽（井）是路橋過渡段的重要地上接口。由于路基電纜槽間距普遍大于橋梁電纜槽，導(dǎo)致2個專業(yè)間的電纜槽無法沿線路方向直接對接，需要在銜接處設(shè)置過渡電纜槽（井）將各自電纜槽內(nèi)的線纜平順連接。三維BIM協(xié)同環(huán)境下的路橋過渡電纜槽（井）接口設(shè)計如圖8所示。

圖8 路橋過渡電纜槽（井）接口設(shè)計

5 結(jié)束語

本文結(jié)合BIM在鐵路土建工程中的應(yīng)用實踐，從“骨架-模板”設(shè)計方法出發(fā)，圍繞三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境、骨架設(shè)計、構(gòu)件模板裝配設(shè)計和專業(yè)間接口設(shè)計，形成了一套鐵路土建工程BIM協(xié)同設(shè)計方案。該方案實現(xiàn)了土建工程不同專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計及批量BIM建模功能，可為后續(xù)BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供借鑒。目前鐵路土建工程BIM設(shè)計大多基于國外通用軟件平臺開展，未來將集中力量開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BIM設(shè)計軟件，并積極進行工程驗證。