軌道BIM正向設(shè)計軟件研發(fā)與應(yīng)用

劉大園 龐 玲 姚 力 劉呈斌

（中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031）

BIM技術(shù)是一個系統(tǒng)性技術(shù)體系，不僅包含項目模型本身和建模過程，還包含各參與方協(xié)同作業(yè)、信息交換和信息共享的服務(wù)項目全生命周期的管理技術(shù)和一切與之相關(guān)聯(lián)的信息。BIM技術(shù)可運用到各行各業(yè)中，為項目的全生命周期服務(wù)。

近年來，鐵路行業(yè)依托鐵路個別工點和典型項目相繼開展了一系列從設(shè)計到施工的BIM技術(shù)應(yīng)用，主要包括：滬昆高速鐵路全線最大跨度的橋梁北盤江特大橋在設(shè)計建設(shè)過程中利用BIM技術(shù)構(gòu)建了全橋施工圖階段精細模型，結(jié)合地形、地質(zhì)模型進行了接口檢查、工程數(shù)量計算、制造數(shù)據(jù)協(xié)同、施工組織可視化設(shè)計等［1-3］；京張高速鐵路成立了BIM項目組，開展了三站三隧BIM參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用和BIM與GIS融合三維可視化管控應(yīng)用，實現(xiàn)了基于BIM技術(shù)的大數(shù)據(jù)綜合分析和展示等［4-5］；寶蘭客運專線石鼓山隧道、西成客運專線江油北站、海西鐵路東方站、京沈客運專線、陽大鐵路、連鎮(zhèn)鐵路等鐵路BIM技術(shù)也由工點到成段落的逐步深入應(yīng)用，取得了豐富的應(yīng)用成果［6-7］。

針對軌道工程專業(yè)的BIM設(shè)計，目前Bentley平臺的OpenRail Designer、Autodesk平臺的Civil3D以及Dassault平臺的3DExperience均提供部分功能支撐，比如鐵路平縱斷面設(shè)計、軌道超高計算、鐵路軌枕布置和鋼軌放置等。然而，以上平臺都缺少對中國鐵路軌道設(shè)計的基本類型、標準和場景的支持，特別是缺少對當前主流的無砟軌道設(shè)計標準的支持。因此，上述平臺無法滿足我國鐵路軌道方案設(shè)計和詳細設(shè)計需求，無法用于實際項目設(shè)計。

針對鐵路軌道專業(yè)的BIM應(yīng)用現(xiàn)狀和設(shè)計需求，本文依托實際試點進行了鐵路軌道BIM正向設(shè)計軟件研發(fā)和應(yīng)用，研發(fā)了基于中國標準的構(gòu)件設(shè)計器、超高計算、無砟軌道布板計算、軌道鋪設(shè)地段自動劃分、三維模型自動生成和工程數(shù)量統(tǒng)計等算法，將軌道設(shè)計中的主要工作業(yè)務(wù)難點和低附加值的重復勞動等解決方案集成到軟件中進行計算。該軟件系統(tǒng)力圖解決適用于我國鐵路標準的軌道BIM設(shè)計軟件缺乏的問題，并通過軟件的應(yīng)用提高設(shè)計人員的工作效率。

1 軟件框架

1.1 研發(fā)模式選擇

目前研發(fā)BIM三維模型設(shè)計軟件的模式主要有3種，分別為完全獨立研發(fā)三維設(shè)計軟件、基于成熟商業(yè)圖形核心的獨立三維設(shè)計軟件和基于成熟商業(yè)平臺的二次開發(fā)軟件。第一種模式需研發(fā)全新的圖形核心以及三維設(shè)計軟件，無需購買任何基礎(chǔ)圖形模塊，但所需研發(fā)周期太長；第二種模式需購買成熟的商業(yè)圖形核心，在此基礎(chǔ)上進行所有三維設(shè)計和專業(yè)功能模塊的研發(fā)，同樣需要較長的研發(fā)周期；第三種模式需要購買成熟的具有部分專業(yè)基礎(chǔ)模塊的商業(yè)軟件平臺，僅在此基礎(chǔ)上進行專業(yè)需求的特殊功能研發(fā)即可，開發(fā)周期最短。根據(jù)當前的設(shè)計實際需求以及既有商業(yè)軟件的使用情況，本文采取了第三種模式，即快速開發(fā)基于成熟商業(yè)平臺的軌道BIM設(shè)計軟件，并在適當?shù)臅r候研發(fā)獨立的圖形核心進行替換，最終實現(xiàn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)BIM軟件的開發(fā)。

1.2 軟件框架設(shè)計

對比Autodesk、Dassault和Bentley三大主要商業(yè)平臺的應(yīng)用能力，發(fā)現(xiàn)Bentley平臺對鐵路工程的支持較為系統(tǒng)和完善。功能方面，Bentley平臺從測繪、地質(zhì)、路線、土建結(jié)構(gòu)以及設(shè)備等方面均有不同程度的基礎(chǔ)圖形平臺，較符合鐵路工程設(shè)計工作內(nèi)容需求；性能方面，Bentley平臺具有較好的大數(shù)據(jù)處理和圖形顯示能力，能較好滿足鐵路工程大體量模型承載需求。因此，軌道BIM正向設(shè)計軟件以Bentley Open Rail Designer（簡稱“ORD”）平臺技術(shù)為基礎(chǔ)，采用C#.NET技術(shù)，搭建專業(yè)功能模塊框架，實現(xiàn)軌道BIM的全流程設(shè)計，如圖1所示。

圖1 軌道BIM正向設(shè)計軟件框架圖

1.2.1 主要模塊

軌道BIM正向設(shè)計軟件框架包含資源庫、管理、接口、軌道設(shè)計以及專業(yè)核心庫等主要模塊。

（1）資源庫模塊用于提供可共享和復用的軌道構(gòu)件庫和規(guī)范庫，為軌道BIM設(shè)計提供基礎(chǔ)支持。構(gòu)件庫可對BIM標準中所覆蓋的所有類型的軌道構(gòu)件進行管理，規(guī)范庫則對軌道設(shè)計所需要的規(guī)范進行管理。

（2）管理模塊包括項目管理、線路管理、工點管理等功能，主要提供軌道實際設(shè)計過程中的項目信息和線路技術(shù)標準等進行管理。

（3）接口模塊包括用戶界面與接口數(shù)據(jù)協(xié)同。用戶界面以O(shè)RD平臺界面為基礎(chǔ)進行擴展以滿足交互設(shè)計要求，接口數(shù)據(jù)協(xié)同提供各種接口數(shù)據(jù)的協(xié)同能力。

（4）軌道設(shè)計模塊包括軌道方案設(shè)計、工點自動設(shè)計、工點模型生成、成果輸出以及相關(guān)的輔助設(shè)計功能，實現(xiàn)軌道BIM設(shè)計的參數(shù)化和自動化。

（5）專業(yè)核心庫模塊包含BIM動態(tài)庫和專業(yè)算法庫，提供線路BIM模型操作、軟件通訊、三維通用變換、模型信息附加、ORD軟件流程控制和軌道設(shè)計專業(yè)算法等基礎(chǔ)功能。軟件框架中包含的主要算法有曲線軌道超高分析算法、無砟軌道布板算法、工程數(shù)量統(tǒng)計算法等。

曲線軌道超高分析算法中內(nèi)置了線路參數(shù)自動讀取、超高值自動計算和判別模塊，軟件將超高判別的欠超高、過超高和順坡率的標準數(shù)據(jù)化并集成到軟件中，設(shè)計人員直接根據(jù)線路標準選擇相應(yīng)的判別標準即可進行超高值計算。軟件根據(jù)設(shè)計人員選擇的判斷條件優(yōu)先順序直接分析得出最優(yōu)的超高設(shè)計值并輸出設(shè)計報告，解決了人為判斷和人工操作可能出現(xiàn)的誤差，同時較傳統(tǒng)設(shè)計方式顯著提高了效率。

無砟軌道布板算法中，軟件采用了基于非線性整數(shù)規(guī)劃的優(yōu)化算法。目前已有市場布板軟件一般采用了暴力算法和貪婪算法來進行無砟軌道布板。暴力算法是遍歷所有的可行布板方案然后確定合適的方案，時間復雜度高，若當配板長度較大時消耗的時間和內(nèi)存較多；貪婪算法是分階段進行最優(yōu)化選擇，先通過每一步貪婪選擇得到某個子問題最優(yōu)解，最終得到問題的整體最優(yōu)解，其時間復雜度優(yōu)于暴力算法；然而，貪婪策略的選擇需要適合待解問題，否則可能在某些條件下無法得到最優(yōu)解。本文建立了不同軌道板配置的數(shù)學模型并采用分支定界法計算非線性整數(shù)規(guī)劃問題最優(yōu)解，取得了良好的效果。

工程數(shù)量統(tǒng)計算法中，軟件基于軌道信息模型數(shù)據(jù)進行了算法分析和優(yōu)化，進一步提高了計算效率。通常情況下，基于創(chuàng)建的軌道工點模型來提取和統(tǒng)計工程數(shù)量是最精確的方式，但是由于模型的創(chuàng)建過程需要消耗巨大的計算機資源，特別是線路規(guī)模較大時模型的創(chuàng)建過程比較緩慢。如果等到模型創(chuàng)建完成再進行工程數(shù)量的統(tǒng)計，其效率優(yōu)勢并不明顯。因此，本軟件采用通過讀取設(shè)計參數(shù)和信息并進行適當簡化的方法計算軌道工程的數(shù)量，可在模型生成之前計算得到精度滿足工程設(shè)計要求的工程數(shù)量清單，解決了效率與精度平衡的問題，符合實際生產(chǎn)需求。

1.2.2 基礎(chǔ)技術(shù)

基礎(chǔ)技術(shù)主要包含ORD基礎(chǔ)平臺、dotNet框架和第三方庫。ORD基礎(chǔ)平臺提供Dgn文件操作、三維基礎(chǔ)模型建立、信息附加與軟件運行框架等；dotNet框架提供文件讀寫、Windows窗體、基礎(chǔ)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基類等軟件運行公共基礎(chǔ)庫。

1.3 軟件業(yè)務(wù)流程

由于軌道工程基本由標準件構(gòu)成，軌道BIM設(shè)計軟件的基本業(yè)務(wù)流程設(shè)定為：創(chuàng)建軌道構(gòu)件庫和軌道規(guī)范庫，采用積木法創(chuàng)建軌道結(jié)構(gòu)三維設(shè)計方案，然后基于軌道結(jié)構(gòu)方案和線路條件創(chuàng)建線上軌道工點設(shè)計方案并自動生成軌道工點模型，最后基于軌道BIM模型進行軌道設(shè)計應(yīng)用。軟件應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 軌道BIM設(shè)計軟件整體應(yīng)用流程圖

2 軟件主要功能

根據(jù)前述分析，軌道BIM正向設(shè)計軟件的功能可分成項目管理、專業(yè)接口、軌道設(shè)計、成果輸出、設(shè)計輔助和資源庫6大功能模塊。

2.1 資源庫

資源庫包含構(gòu)件庫和規(guī)范庫。資源庫具備可擴展、共享和復用的功能；規(guī)范庫的作用是：當設(shè)計人員在進行軌道方案參數(shù)化設(shè)計時，選定特定參數(shù)后，軟件將自動檢索規(guī)范庫中的參數(shù)，將與當前設(shè)置參數(shù)相關(guān)的可用標準參數(shù)顯示出來供設(shè)計人員參考或者選用，以達到指導設(shè)計的目的；構(gòu)件庫用于軌道構(gòu)件的管理，可以設(shè)置構(gòu)件庫的位置，讀取構(gòu)件庫文件并以列表的形式顯示構(gòu)件列表，可對選定的構(gòu)件進行修改和屬性設(shè)定等操作。軌道構(gòu)件庫管理器如圖3所示。

圖3 軌道構(gòu)件庫管理器功能界面圖圖

2.2 軌道三維方案設(shè)計

軌道三維方案完全采用參數(shù)化的方式進行設(shè)計，如圖4所示。參數(shù)化的方式可供設(shè)計人員采用搭積木的方式創(chuàng)建和管理軌道設(shè)計方案，設(shè)計人員可以通過選取構(gòu)件庫中的鋼軌、扣件、軌枕、道床等基本軌道構(gòu)件，直接創(chuàng)建三維軌道設(shè)計方案，同時可以任意調(diào)整方案尺寸和材質(zhì)等參數(shù)。

圖4 軌道方案管理器功能界面圖

2.3 軌道工點設(shè)計

軌道工點設(shè)計根據(jù)線路條件、線下基礎(chǔ)分布和軌道特殊結(jié)構(gòu)分布自動計算軌道鋪設(shè)地段表，將軌道鋪設(shè)地段映射到實際的三維線路空間，自動為每個鋪軌地段關(guān)聯(lián)軌道設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，軟件進行無砟軌道排布計算并自動創(chuàng)建軌道工點模型，軌道工點及軌道排布計算如圖5所示，創(chuàng)建的軌道模型如圖6所示。

圖5 軌道工點管理器圖

圖6 軌道模型示意圖

若按照傳統(tǒng)方法（采用成熟的商業(yè)BIM設(shè)計平臺的通用功能）進行軌道專業(yè)BIM設(shè)計，需要按照線路敷設(shè)條件和曲線超高方案人工建模，250 km線路軌道BIM模型設(shè)計至少需要50天／人次。若采用本軟件建模，在接口數(shù)據(jù)齊全的情況下，約一天時間即可完成，但前提是將模型創(chuàng)建任務(wù)同時分派到多個電腦終端進行同步建模，因為模型的創(chuàng)建過程將消耗大量的計算機資源，這是目前軌道BIM設(shè)計過程中存在的客觀問題。

2.4 成果輸出

成果輸出主要包含工程數(shù)量統(tǒng)計和二維圖紙?zhí)崛?。設(shè)計人員可根據(jù)項目建設(shè)需求設(shè)置標段，隨后基于創(chuàng)建的軌道模型按標段精確地統(tǒng)計軌道工程數(shù)量，如圖7所示。在軌道方案管理器中，可基于參數(shù)化的軌道三維設(shè)計方案自動提取軌道二維設(shè)計圖紙，如圖8所示。經(jīng)測算，工程數(shù)量計算時間小于100 s／100 km，出圖時間小于30 s／冊，工程數(shù)量統(tǒng)計和出圖效率較傳統(tǒng)方法有顯著提高。

圖7 標段管理器界面圖

圖8 軌道二維圖紙生成參數(shù)設(shè)置圖

3 軟件應(yīng)用

為驗證軟件及其流程的正確性，在寧淮城際鐵路和魯南高速鐵路進行了CRTS雙塊式無砟軌道和有砟軌道BIM設(shè)計應(yīng)用，在成渝中線高速鐵路進行了CRTSⅢ型板式無砟軌道BIM設(shè)計應(yīng)用。

應(yīng)用效果表明，基于軌道BIM專用設(shè)計軟件快速創(chuàng)建了軌道結(jié)構(gòu)模型，并遵照鐵路BIM相關(guān)規(guī)范進行了結(jié)構(gòu)分解、構(gòu)件編碼和信息附加，形成了完整的包含三維幾何模型和非幾何信息的BIM模型。此外，基于BIM模型還進行了接口檢查、軌道數(shù)量統(tǒng)計、圖紙輸出和施工數(shù)據(jù)提取等應(yīng)用，驗證了軌道BIM正向設(shè)計軟件正確性和高效性，為鐵路軌道BIM設(shè)計積累了實戰(zhàn)的經(jīng)驗。

3.1 接口檢查

將軌道工點模型與線下基礎(chǔ)模型進行合模之后可以檢查軌道與線下基礎(chǔ)之間的接口是否產(chǎn)生沖突或者不匹配的問題。接口檢查主要內(nèi)容包含軌道板布設(shè)與橋梁梁縫是否匹配、車站道岔區(qū)無砟軌道底座與路基面層標高檢查、無砟軌道與隧道之間的變形縫和標高檢查、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器安裝位置合理性檢查和車站咽喉區(qū)道岔間軌道板配置方案檢查等。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)多處接口沖突，并根據(jù)檢查結(jié)果進行了優(yōu)化設(shè)計，減少了后續(xù)施工階段可能會出現(xiàn)的變更設(shè)計，提高了設(shè)計質(zhì)量和精度。

3.2 無砟軌道智能排布設(shè)計

采用軌道BIM設(shè)計軟件進行了路基、隧道、橋梁地段無砟軌道軌道排布設(shè)計，如圖9所示。對實踐項目中主要橋梁梁型進行軌道排布設(shè)計，主要包括24 m簡支梁、32 m 簡 支梁、（28 + 48 + 28） m 連 續(xù)梁、（60 +112 + 60） m 連 續(xù)梁 、（68 + 128 + 68） m 連 續(xù)梁 、（36 +64 + 36） m連續(xù)梁和（48 + 80 + 48） m連續(xù)梁等。同時，對任意長度的路基、隧道和特殊橋梁上的無砟軌道排布進行了自動化和智能化設(shè)計。無砟軌道的排布設(shè)計基于優(yōu)化的軌道板排布算法進行自動布置，該優(yōu)化算法遵循標準軌道板優(yōu)先布置的原則，最大程度減少非標準板和非標準扣件間距的使用。此外，無砟軌道的排布設(shè)計完全基于線路三維空間線形進行設(shè)計?；谲壍繠IM設(shè)計軟件的無砟軌道排布智能設(shè)計不僅提高了無砟軌道設(shè)計的效率，而且提高了設(shè)計的精度和合理性。

圖9 CRTSⅢ型板式無砟軌道排布設(shè)計方案圖

3.3 工程數(shù)量統(tǒng)計

基于創(chuàng)建的軌道BIM模型，按標段劃分統(tǒng)計軌道工程數(shù)量。軌道工程數(shù)量主要包含軌道鋪設(shè)長度、軌道道床結(jié)構(gòu)數(shù)量以及附屬設(shè)施等。軌道鋪設(shè)長度完全依據(jù)模型創(chuàng)建的三維空間線形長度進行統(tǒng)計，提高了軌道鋪設(shè)長度計算精度。軌道道床結(jié)構(gòu)數(shù)量依據(jù)實際工點三維模型作為數(shù)據(jù)源進行統(tǒng)計，由于模型創(chuàng)建考慮了曲線超高和實際三維空間鋪設(shè)長度，其統(tǒng)計精度大幅提高如圖10所示?；谲壍滥Ｐ瓦M行工程數(shù)量計算，在計算精度和效率方面均得到提升。

圖10 基于BIM模型統(tǒng)計軌道工程數(shù)量圖

3.4 二維圖紙輸出

目前，二維施工圖紙仍舊是當前鐵路建設(shè)的重要依據(jù)。因此，基于BIM模型輸出二維施工圖紙是BIM設(shè)計應(yīng)用的關(guān)鍵要求之一。依據(jù)創(chuàng)建的參數(shù)化軌道設(shè)計方案和模型，通過讀取模型設(shè)計參數(shù)，直接生成標準的無砟軌道二維施工圖紙（如圖11所示）。其次，對道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器等特殊的參數(shù)化構(gòu)件進行了無砟軌道三維配筋設(shè)計，依據(jù)創(chuàng)建的詳細三維參數(shù)化構(gòu)件，直接生成相應(yīng)的二維施工圖紙。此外，根據(jù)三維模型創(chuàng)建了特殊軌道結(jié)構(gòu)的三維可視化軸測視圖圖紙，將其補充到現(xiàn)有二維施工圖紙中，豐富了傳統(tǒng)二維施工圖紙內(nèi)容，更加利于施工階段施工人員進行識圖和理解。

圖11 基于BIM模型輸出二維圖

3.5 施工數(shù)據(jù)自動提取

基于創(chuàng)建的軌道BIM模型，根據(jù)中國鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標準要求，按照EBS、IFD標準對模型進行了分解、編碼和信息附加。根據(jù)軌道工程無砟軌道施工需求附加相應(yīng)定位信息并通過軟件進行了施工數(shù)據(jù)自動提取。在項目應(yīng)用中通過軟件自動提取了無砟軌道道床板定位關(guān)鍵控制角點、底座施工模板安裝關(guān)鍵點的三維坐標信息以及相應(yīng)的里程和編碼信息，供下游施工階段鋪軌和鋪設(shè)無砟軌道道床結(jié)構(gòu)使用，避免施工階段因人為計算誤差或錯誤造成無砟軌道底座和道床板施工偏差問題。

4 結(jié)束語

本文依托研發(fā)的軌道BIM正向設(shè)計軟件，在多個項目軌道設(shè)計中進行了全流程的BIM設(shè)計應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)設(shè)計中的數(shù)據(jù)傳遞障礙、設(shè)計效率和設(shè)計可視化等問題，設(shè)計計算效率和三維模型繪制效率提高至少50倍。需注意的是，計算效率的提高需要強大的計算機資源的支撐，若采用一般設(shè)計電腦恐無法達到上述設(shè)計效率。然而，前述應(yīng)用效果表明軌道BIM正向設(shè)計流程和場景是正確的，軌道BIM正向設(shè)計軟件功能滿足當前鐵路軌道工程BIM設(shè)計的各項需求，其準確性、高效性和合規(guī)性等得到了實踐的驗證。后續(xù)研究將加強實踐和積累經(jīng)驗進一步優(yōu)化專業(yè)軟件，使之與硬件水平和設(shè)計習慣更加匹配，提高BIM技術(shù)在鐵路軌道工程的應(yīng)用深度和廣度，為鐵路工程新基建和數(shù)字化建設(shè)提供服務(wù)。