鐵路站前工程BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)

齊成龍

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

BIM正向設(shè)計(jì)的本源目標(biāo)是代替原有CAD設(shè)計(jì)模式，將二維設(shè)計(jì)升級為基于BIM模型的數(shù)字化三維設(shè)計(jì)，即從概念設(shè)計(jì)階段開始，直接在三維環(huán)境下設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程不需要參考dwg格式的CAD文件，并能從BIM模型生成二維施工圖紙，交付整套設(shè)計(jì)成果［1-2］。在鐵路行業(yè)多年的BIM應(yīng)用實(shí)踐中，受技術(shù)、資源、管理等限制，BIM設(shè)計(jì)并未完成CAD設(shè)計(jì)的替代，很多項(xiàng)目的BIM應(yīng)用流程仍為：根據(jù)二維圖紙建模→開展碰撞檢測→通過檢測數(shù)據(jù)調(diào)整二維圖紙［3］。作為BIM技術(shù)發(fā)展的一個過渡階段，翻模不僅增加了設(shè)計(jì)人員的工作量，也不符合BIM技術(shù)的初衷。因此，應(yīng)從BIM技術(shù)與專業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合出發(fā)，通過漸進(jìn)式設(shè)計(jì)流程、多專業(yè)協(xié)同、設(shè)計(jì)校審等正向設(shè)計(jì)場景，實(shí)現(xiàn)“鐵路站前工程BIM正向設(shè)計(jì)”目標(biāo)，促進(jìn)BIM正向設(shè)計(jì)在鐵路行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

1 BIM與專業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合

1.1 與已有專業(yè)設(shè)計(jì)軟件結(jié)合

BIM正向設(shè)計(jì)要求直接應(yīng)用BIM模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)流程中，鐵路站前工程各專業(yè)已經(jīng)積累了成熟的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。其中，既包括某些與二維工程圖強(qiáng)關(guān)聯(lián)的軟件，如橋梁孔跨布置軟件以二維平曲線要素、豎曲線要素作為輸入條件，生成孔跨布置結(jié)果，并導(dǎo)出平、立面布置圖；也包括某些同時適用于二、三維設(shè)計(jì)環(huán)境的軟件，如配筋計(jì)算軟件，輸入梁截面的軸力、彎矩、扭矩、剪力和尺寸特性、力學(xué)屬性，調(diào)用橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算公式和判別標(biāo)準(zhǔn)，完成鋼筋配置。

當(dāng)從二維設(shè)計(jì)流程切換至BIM正向設(shè)計(jì)流程，就需要將BIM技術(shù)與專業(yè)設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合，充分發(fā)揮既有專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的作用，通過二維到三維的順暢過渡，實(shí)現(xiàn)真正的“正向”流程［4］。

1.2 與有限元計(jì)算軟件結(jié)合

出于異型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，以及與機(jī)械航空領(lǐng)域的交叉特性，有限元計(jì)算早已普及三維化，對于鐵路站前工程有限元計(jì)算來說，制約其一體化設(shè)計(jì)效率的重要因素是二維設(shè)計(jì)成果與計(jì)算分析模型的分離狀態(tài)。雖然一些設(shè)計(jì)人員在有限元計(jì)算到CAD出圖、CAD圖紙到有限元幾何模型這2條路徑上均進(jìn)行過嘗試，達(dá)到了提高計(jì)算效率的目標(biāo)，但尚未從根本上解決一體化設(shè)計(jì)的問題［5］。歸根結(jié)底，只有在三維環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算與鐵路站前工程設(shè)計(jì)的完美結(jié)合，而BIM技術(shù)的出現(xiàn)提供了解決方案。

Dassault作為當(dāng)今主流BIM設(shè)計(jì)平臺之一，通過CATIA和SIMULIA兩個模塊的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了BIM設(shè)計(jì)和有限元仿真分析的無縫銜接。在基于Dassault平臺的橋墩BIM設(shè)計(jì)中，其有限元計(jì)算一體化過程見圖1。如圖所示，設(shè)計(jì)人員使用CATIA建立BIM模型，計(jì)算分析人員通過SIMULIA在同一數(shù)據(jù)庫環(huán)境下訪問BIM模型成果，由于BIM模型同時包含了結(jié)構(gòu)幾何信息、材料屬性等非幾何信息，分析人員直接利用信息劃分有限元網(wǎng)格，快速開展有限元計(jì)算，簡化了前處理過程。同時，設(shè)計(jì)過程中BIM模型的變化能同步反映至有限元幾何模型中，重新劃分網(wǎng)格即可重新開展有限元計(jì)算，節(jié)省了傳統(tǒng)二維環(huán)境下變更CAD設(shè)計(jì)成果造成的大量前處理工作。

圖1 橋墩BIM模型的有限元計(jì)算一體化過程

1.3 BIM輔助工程制圖

1.3.1 BIM制圖技術(shù)

是否將二維出圖作為BIM正向設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，是業(yè)內(nèi)廣泛爭議的話題之一。僅從當(dāng)前設(shè)計(jì)行業(yè)現(xiàn)實(shí)出發(fā)，在可預(yù)見的相當(dāng)長時期內(nèi)，BIM正向設(shè)計(jì)仍需考慮二維出圖的需求［6］。

目前，各主流BIM設(shè)計(jì)軟件均支持三維模型基礎(chǔ)上的二維表達(dá)。以Tekla為例，完成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)精細(xì)化BIM設(shè)計(jì)后，調(diào)用Tekla繪圖API，首先使用構(gòu)造函數(shù)View（ContainerView、CoordinateSystem、CoordinateSystem、ArrayList），對ArrayList包含的BIM模型構(gòu)件，創(chuàng)建特定坐標(biāo)系下的視圖；然后，使用LineSegmentToPlane（）函數(shù)計(jì)算鋼筋組和視圖平面的交點(diǎn)，得到鋼筋在二維視圖上的精確坐標(biāo)；根據(jù)交點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，分別使用Mark和Text類創(chuàng)建與鋼筋實(shí)體緊密關(guān)聯(lián)的注釋標(biāo)記及普通文本標(biāo)記；最后，使用StraightDimensionSetHandler類創(chuàng)建和編輯尺寸標(biāo)注，每個尺寸標(biāo)注結(jié)果是Tekla中的Straight-DimensionSet對象。通過創(chuàng)建視圖、標(biāo)記、標(biāo)注3個步驟，最終從BIM模型生成二維圖紙（見圖2）。

圖2 Tekla平臺下的簡支梁跨中截面視圖及二維出圖結(jié)果

通過上述流程創(chuàng)建的圖紙，其二維線條與三維構(gòu)件是關(guān)聯(lián)的，無法像AutoCAD一樣自由編輯。對類似平法制圖等專業(yè)化表達(dá)方式，往往需要花大量時間研究如何實(shí)現(xiàn)，或者修改構(gòu)件的二維表達(dá)。

1.3.2 BIM成果導(dǎo)出dwg文件

BIM正向設(shè)計(jì)與二維CAD設(shè)計(jì)之間并非簡單的替代關(guān)系。實(shí)際項(xiàng)目中，只有做到BIM模型結(jié)果與CAD二維圖紙之間的無縫對接，才能真正讓BIM正向設(shè)計(jì)落地。其中，無論各專業(yè)輔助設(shè)計(jì)軟件與BIM設(shè)計(jì)軟件之間的配合，還是審批、交付、歸檔等各環(huán)節(jié)的要求，均無法離開二維CAD這種設(shè)計(jì)成果表達(dá)方式。

雖然dwg是未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)設(shè)計(jì)交互、成果交付的通行格式，但主流BIM設(shè)計(jì)軟件對導(dǎo)出dwg格式的支持仍存在缺陷。對于Tekla，導(dǎo)出的dwg文件在使用AutoCAD軟件打開后，所有線條相互獨(dú)立，尺寸標(biāo)注值與尺寸線、尺寸界限沒有關(guān)聯(lián)；對于Revit，導(dǎo)出的dwg文件難以實(shí)現(xiàn)接近AutoCAD繪圖的效果，字體、圖層、標(biāo)注樣式、線型等方面的設(shè)定自由度低。作為站前工程BIM出圖解決方案的優(yōu)秀供應(yīng)商，上述2種軟件依然存在如此缺陷，造成dwg文件的后處理工作量巨大。因此，BIM成果導(dǎo)出dwg的實(shí)現(xiàn)，仍需要軟件企業(yè)大幅投入。

1.3.3 二、三維一體化設(shè)計(jì)

針對BIM軟件出圖的各種難題，有學(xué)者提出橋梁BIM二、三維一體化實(shí)現(xiàn)機(jī)制，通過唯一的設(shè)計(jì)信息輸入，并行驅(qū)動二維圖形和三維模型的自動化輸出。該機(jī)制以“一體信息、多維表達(dá)”為核心思想，即把各種專業(yè)對象看作一個包含設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的信息節(jié)點(diǎn)，圖形或模型只是該信息節(jié)點(diǎn)輸出的不同表達(dá)方式，可支持也可不支持。

該機(jī)制強(qiáng)調(diào)通過信息、圖形和模型的徹底分離，使三者之間形成松散的耦合關(guān)系，基于ObjectARX.NET開發(fā)并嵌在AutoCAD內(nèi)運(yùn)行，可直接生成各種二維圖紙內(nèi)容和三維BIM模型，還可輸出XML格式的信息交換文件，支持模型和信息的后續(xù)BIM應(yīng)用。該方式的優(yōu)點(diǎn)是信息修改靈活、計(jì)算更新高效、成果按需自動生成，有利于解決BIM軟件的出圖難題。如一體化橋梁的BIM軟件開發(fā)流程見圖3。

圖3 一體化橋梁BIM軟件開發(fā)流程

2 漸進(jìn)式專業(yè)設(shè)計(jì)流程

與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，BIM設(shè)計(jì)通過三維模型表達(dá)幾何信息，通過附著于BIM模型的數(shù)據(jù)表達(dá)非幾何信息，設(shè)計(jì)成果的數(shù)據(jù)量大幅增加，三維幾何拓?fù)溥\(yùn)算與數(shù)據(jù)負(fù)荷的加成使設(shè)計(jì)效率大打折扣［7］。因此，在BIM設(shè)計(jì)過程中，可采取漸進(jìn)式設(shè)計(jì)思路，將變更頻繁、變更規(guī)模較大的方案設(shè)計(jì)階段，與較穩(wěn)定的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段分離，分別采用低精度和高精度模型表達(dá)方式，最終形成適用于鐵路站前工程的漸進(jìn)式設(shè)計(jì)流程。

2.1 BIM方案設(shè)計(jì)

基于Dassault/CAA架構(gòu)，開發(fā)橋梁方案設(shè)計(jì)程序，嵌入Dassault軟件內(nèi)部，其用戶交互界面見圖4。該程序包含孔跨增、刪、改，自動布孔，橋位里程修改，平立交的增加、刪除，以及凈空檢算等功能。最終，根據(jù)設(shè)計(jì)成果創(chuàng)建特征級橋梁方案BIM模型。

圖4 橋梁方案設(shè)計(jì)程序用戶交互界面

使用User Defined Feature（UDF）簡化表達(dá)橋梁各構(gòu)件，僅保留足以影響方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵屬性。同時，采用三維空間曲面表達(dá)UDF模板的幾何形狀，與三維幾何體模型相比，建模效率更高。

雖然橋梁構(gòu)件類型眾多，但是該程序通過有限數(shù)目的簡化模板，滿足了低精度方案的設(shè)計(jì)需求。梁體模板有2種：連續(xù)梁、簡支梁，這2種模板僅梁高、梁寬尺寸為精確數(shù)值；橋墩模板有3種：圓端形、方形、圓形；橋臺模板有2種：一字臺、T臺。由于方案設(shè)計(jì)階段主要關(guān)注基礎(chǔ)平面尺寸需求，基礎(chǔ)模板只采用立方體表達(dá)。可將上述UFD模板存儲于Data Setup數(shù)據(jù)庫，以供程序調(diào)用。

2.2 BIM詳細(xì)設(shè)計(jì)

將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論、BIM軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其開發(fā)框架，與專業(yè)化的鐵路站前工程設(shè)計(jì)流程融合，進(jìn)行BIM詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)。由于該系統(tǒng)以施工圖精度作為模型標(biāo)準(zhǔn)，建模效率低于方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)，適用于變更較少的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

以路基工程為例，其骨架分為工點(diǎn)線位（一級骨架線）和路肩線（二級骨架線），2種骨架均為路基工程BIM建模的重要輸入元素。將基床橫斷面沿工點(diǎn)線位、路肩線拉伸，可得基床BIM模型。

一級骨架線的創(chuàng)建方法是在每個路基工點(diǎn)范圍內(nèi)截取空間左線模型；二級骨架線是以工點(diǎn)范圍作為邊界條件，生成左右側(cè)路肩位置三維空間曲線，創(chuàng)建該三維空間曲線時考慮了軌道結(jié)構(gòu)形式、鐵路等級對曲線加寬的影響。

在進(jìn)行路基基床BIM設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)地形起伏情況，分段調(diào)用路堤、路塹模板。因此，合理確定路堤、路塹分界點(diǎn)，是基床BIM設(shè)計(jì)的前提。路基采用路堤還是路塹形式，通常以路塹標(biāo)準(zhǔn)橫斷面中側(cè)溝與邊坡交點(diǎn)的位置作為判斷依據(jù)。當(dāng)該點(diǎn)位于地形面以上，采用路堤形式；位于地形面以下時，采用路塹形式。但是，不同地質(zhì)條件適用的路塹標(biāo)準(zhǔn)橫斷面不同。

因此，為了有效判斷路堤、路塹分界位置，首先應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)情況，將每個工點(diǎn)劃分為若干段落，每個段落采用同一個路塹標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行路堤、路塹分界判別（見圖5）。如圖所示，依據(jù)上述流程，計(jì)算出每個段落判斷線與地形面的交點(diǎn)，這些交點(diǎn)將段落劃分為多個部分，地形面以上為路堤，地形面以下為路塹，以此為原則，分別調(diào)用路堤、路塹BIM模板，與三維數(shù)字地形交互運(yùn)算，完成基床BIM設(shè)計(jì)。

圖5 路堤、路塹分界點(diǎn)與基床BIM設(shè)計(jì)成果

3 BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM協(xié)同設(shè)計(jì)指基于BIM模型和BIM軟件，進(jìn)行各專業(yè)的交互與協(xié)作，目的是取代或部分取代常規(guī)流程中以“上下序資料單”為渠道的專業(yè)間交互手段，充分利用BIM模型數(shù)據(jù)的可視化、可傳遞性，各專業(yè)實(shí)時掌握其他專業(yè)的設(shè)計(jì)進(jìn)展，并隨時引用、參照其他專業(yè)設(shè)計(jì)成果。同時，由于BIM具備參數(shù)化特性，參照目標(biāo)的更新能及時反映至設(shè)計(jì)成果，從而提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)錯誤［8］。

對于鐵路站前工程，在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)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(xì)化設(shè)計(jì)提供條件，也簡化了專業(yè)間資料和信息的交換流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免反復(fù)工作。

鐵路橋、隧專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)見圖6。如圖所示，隧道設(shè)計(jì)人員發(fā)布以三維空間平面代表的臨時缺口模型，橋梁、隧道設(shè)計(jì)人員分別基于此平面開展專業(yè)模型設(shè)計(jì)，當(dāng)缺口里程調(diào)整時，橋梁、隧道專業(yè)模型隨之自動更新。上述流程實(shí)現(xiàn)了根據(jù)設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際情況，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、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(jì)。

圖6 鐵路橋、隧專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

4 BIM設(shè)計(jì)校審

在傳統(tǒng)二維CAD模式中，校審人員通過圖紙標(biāo)記、批注的方式，向設(shè)計(jì)人員傳遞校審信息。而BIM正向設(shè)計(jì)成果既包括傳統(tǒng)意義上的圖紙，也包括各專業(yè)的BIM模型，以及模型中的信息。因此，與傳統(tǒng)二維模式相比，其校審過程針對的都是整體設(shè)計(jì)成果，而非打印的圖紙，這對校審過程提出了更高要求。根據(jù)審查內(nèi)容，BIM正向設(shè)計(jì)校審分為BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性審核、專業(yè)設(shè)計(jì)信息審核2個層級。

4.1 BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性審核

作為BIM正向設(shè)計(jì)的成果，BIM模型需要滿足鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)的要求。為了提高BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化核查效率，開發(fā)了IFC數(shù)據(jù)自檢工具（見圖7）。

圖7 IFC數(shù)據(jù)自檢工具界面

該自檢工具首先解析IFC文件，獲取所有BIM構(gòu)件的實(shí)體關(guān)系樹和屬性聚合關(guān)系，將每個節(jié)點(diǎn)送入規(guī)則檢查器，自動分析模型結(jié)構(gòu)樹裝配是否正確、屬性集是否掛接準(zhǔn)確、屬性是否填寫完整等檢查項(xiàng)目，并即時輸出檢查結(jié)果。用戶根據(jù)程序提供的錯誤信息修改原始模型信息，直至正確。

4.2 專業(yè)設(shè)計(jì)信息審核

4.2.1 模型檢查標(biāo)注

幾乎所有主流BIM軟件都提供了三維標(biāo)注功能。以Dassault軟件為例，其Design Review功能賦予審核人員在BIM模型中直接查看設(shè)計(jì)工作文件，并以三維批注的方式從專業(yè)角度提出審核意見的權(quán)限，該方式適合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部互校、專業(yè)負(fù)責(zé)人審核本專業(yè)設(shè)計(jì)成果［9］。

4.2.2 模型干涉檢查

干涉檢查功能主要用于檢查模型和模型之間、模型和曲面之間的空間位置關(guān)系。Dassault平臺將模型之間的位置關(guān)系分為碰撞（Clash）、基礎(chǔ)（Contact）、間隙（Clearance）3種狀態(tài)（見圖8）。

圖8 Dassault平臺下構(gòu)件的3種空間位置關(guān)系狀態(tài)

Dassault平臺對BIM設(shè)計(jì)成果中的所有構(gòu)件進(jìn)行空間位置關(guān)系分析，使用表格形式過濾出所有碰撞情況并區(qū)分3種不同的干涉狀態(tài)［10］（見圖9）。

圖9 Dassault平臺下的干涉檢查結(jié)果報表界面

5 結(jié)論

BIM正向設(shè)計(jì)無法在粗放的管理模式下生存，沒有強(qiáng)有力的企業(yè)級管理，則難以形成技術(shù)迭代，無法從根本上發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢。真正的BIM正向設(shè)計(jì)模式，應(yīng)該是整個設(shè)計(jì)過程的流程再造與優(yōu)化升級，是可落地的、可形成持續(xù)生產(chǎn)力的設(shè)計(jì)模式［11-13］，而不僅是嘗試性的技術(shù)探索。因此，需要技術(shù)與管理兩方面的總體規(guī)劃，需要企業(yè)層面的體系化支撐。