BIM 技術(shù)在鐵路路基設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

沈均

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，BIM 技術(shù)發(fā)揮了非常重要的作用，各個(gè)鐵路項(xiàng)目應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、施工建設(shè)管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理等，慢慢實(shí)現(xiàn)了鐵路工程全生命周期中BIM 技術(shù)應(yīng)用。其中，在各專業(yè)中路基BIM 設(shè)計(jì)比較特殊，結(jié)構(gòu)多樣，與地形緊密結(jié)合且大多不規(guī)則，橫斷面形式多樣，與其他專業(yè)接口較多。因此，鐵路路基工程始終都是鐵路BIM 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而開展路基BIM 設(shè)計(jì)，能夠充分利用高精度三維地形、模型可視化、三維協(xié)同等特點(diǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)用效果。鐵路路基工程BIM 模型包括土石方工程（含基床及過渡段）、邊坡防護(hù)、支擋結(jié)構(gòu)、排水工程等內(nèi)容。利用BIM 協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，比選線路方案、措施優(yōu)化支擋、專業(yè)間接口深化設(shè)計(jì)，對(duì)二維基于橫斷面設(shè)計(jì)不易發(fā)現(xiàn)的問題，提供直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)化方案。與此同時(shí)，通過三維設(shè)計(jì)交底，可讓設(shè)計(jì)階段的信息模型傳遞到施工階段，進(jìn)而進(jìn)一步指導(dǎo)施工單位深化施工。

1 BIM 技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM 技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。BIM 技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)眾多，其中包括提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量、更符合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況從而減少因設(shè)計(jì)問題產(chǎn)生的變更，三維可視化優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工性能，減少了相互溝通的成本、提高了設(shè)計(jì)效率等。BIM 技術(shù)提供的施工過程設(shè)計(jì)概念、參數(shù)化模型建立不僅能縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)還可提高設(shè)計(jì)人員和施工人員的響應(yīng)能力[1]。應(yīng)用BIM 技術(shù)之后，對(duì)需要調(diào)整的部位設(shè)計(jì)人員能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行修改，同時(shí)也能保持設(shè)計(jì)和圖紙的協(xié)調(diào)性、一致性和完整性。此外，項(xiàng)目在規(guī)劃及前期設(shè)計(jì)期間需要溝通、交流和匯報(bào)，而聽取匯報(bào)方并非均為專業(yè)人士，因此，常規(guī)的圖紙很難將設(shè)計(jì)意圖表述清楚，而BIM 技術(shù)能夠讓設(shè)計(jì)人員在互動(dòng)的三維模型中直觀地展示和闡述項(xiàng)目，讓決策更加科學(xué)、高效，以此為數(shù)字化施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)項(xiàng)目協(xié)同管理的實(shí)現(xiàn)，有助于建設(shè)效率和質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

2 BIM 技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)流程

2.1 設(shè)計(jì)

BIM 技術(shù)在鐵路路基設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠借助Civil3D 軟件與Revit 軟件對(duì)項(xiàng)目模型進(jìn)行組裝。二次開發(fā)Revit 軟件，以路基數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，最大程度為模型建設(shè)質(zhì)量及效率提供充足的保障。對(duì)于內(nèi)容方面，可以對(duì)軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)以及模型出圖等，進(jìn)而獲取關(guān)于鐵路路基的模型。具體的操作流程如下：首先，鐵路路基以模型設(shè)計(jì)為依據(jù)，在放樣設(shè)計(jì)過程中，依照鐵路沿線道路的實(shí)際情況與實(shí)際地形交互。因鐵路路基與線路緊密相關(guān)，而Revit 軟件沒有線路功能，會(huì)致使路基本體的生成產(chǎn)生問題。而Civil3D 軟件可以對(duì)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成與沿線放樣的要素，從而獲取路基本體、附屬結(jié)構(gòu)物模型，并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。其次，借助數(shù)據(jù)庫(kù)所存儲(chǔ)的信息對(duì)模型進(jìn)行重建，以數(shù)據(jù)源信息為依據(jù)調(diào)取和使用路基系統(tǒng)庫(kù)存，對(duì)支擋結(jié)構(gòu)、地基處理以及路基邊坡防護(hù)等進(jìn)行設(shè)置，在布設(shè)期間獲取并統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)物體的信息數(shù)量，借助Revit 軟件對(duì)模型進(jìn)行切剖進(jìn)而生成剖面圖獲取路基圖，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)模型圖進(jìn)行拼裝以及檢查，借助GIS 系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)管理。最后，可以借助Navisworks 軟件或具有相似功能的軟件展示施工建模，讓設(shè)計(jì)成果直觀地表現(xiàn)出來。

2.2 軟件應(yīng)用

基床、本體以及表層等是鐵路路基的本體模型，Civil3D 軟件自身具有裝配功能，因此可以借助此軟件對(duì)路基的橫截面進(jìn)行有效定制，便于軟件對(duì)信息的讀取，達(dá)到信息識(shí)別的目的。放樣期間，需結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)電纜槽、路肩、排水溝等進(jìn)行放樣工作，并將其納入路基數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于增加支護(hù)結(jié)構(gòu)、重力式擋土墻等裝配部件，可以結(jié)合具體的情況，在進(jìn)行操作期間對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，生成模型后，更加方便進(jìn)行過渡管理不同尺寸的相關(guān)工作。所以，要二次開發(fā)Civil3D 軟件，讓其模板適應(yīng)功能更加強(qiáng)大，線路模型的創(chuàng)建也能夠更加高效。除此之外，要有效讀取有關(guān)參數(shù)，才能在設(shè)計(jì)期間把數(shù)據(jù)作為依據(jù)。而參數(shù)來源于不同方面，例如，縱坡以及線路里程等模型信息是通過邊坡和基點(diǎn)坐標(biāo)獲取的，在進(jìn)行試用期間，存儲(chǔ)以及使用信息數(shù)據(jù)可以更加便捷。另外，通過此軟件生成路基模型之后，不僅可以有效提取路塹模型的曲面和剪切地質(zhì)模型，并且還能夠?qū)Ω鞣N開挖情況進(jìn)行模擬，從而計(jì)算出土石方的具體數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)這些數(shù)據(jù)，為地質(zhì)與地基的協(xié)同設(shè)計(jì)提供充足的保障[3]。

2.3 建模

為了實(shí)現(xiàn)更多的專業(yè)建模，需要充分利用BIM 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。鐵路路基的設(shè)計(jì)可以借助Revit 軟件進(jìn)一步提升優(yōu)化整合水平，運(yùn)用Revit 格式設(shè)計(jì)鐵路路基模型，然后使用Civil3D 軟件制作實(shí)體模型。但在實(shí)際運(yùn)用期間，兩者不能同時(shí)使用。受到信息等方面缺失的影響，有時(shí)難以構(gòu)建完整的結(jié)構(gòu)模型，會(huì)導(dǎo)致融合路基本體模型的過程中產(chǎn)生一些問題。與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的讀取方式相同，一方面，借助Revit 軟件并通過參數(shù)化信息設(shè)計(jì)鐵路路基的本體模型，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的目的。另一方面，借助Revit 軟件對(duì)模型進(jìn)行二次開發(fā)，能夠讓附屬結(jié)構(gòu)物體進(jìn)行參數(shù)化建模以及自動(dòng)拼裝。除此之外，還能夠在技術(shù)允許的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)路基模型以及路基的三維搭配鋼筋等。為了進(jìn)一步提高管理成效，三維建模流程如圖1 所示，設(shè)計(jì)流程及注意事項(xiàng)如下。

圖1 三維建模流程

（1）創(chuàng)建路基模型，路基本體模型的構(gòu)建可借助Revit 軟件以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，從而確保實(shí)際項(xiàng)目工程符合模型設(shè)計(jì)。在路塹模型邊坡設(shè)置薄面，有助于邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)。Revit 軟件平臺(tái)會(huì)制約建模，例如，大地坐標(biāo)不能對(duì)原點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，但是相對(duì)坐標(biāo)可以。在建模的時(shí)候，要提取模型中心位置的坐標(biāo)以及轉(zhuǎn)換角度，在進(jìn)行編輯期間，要將大地坐標(biāo)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成中心坐標(biāo)，以便后續(xù)的操作。

（2）建立參數(shù)化數(shù)據(jù)庫(kù)，借助Revit 軟件平臺(tái)，運(yùn)用參數(shù)化功能建立數(shù)據(jù)庫(kù)，把輪廓、支擋結(jié)構(gòu)、構(gòu)建等不一樣的要素進(jìn)行分類，相關(guān)參數(shù)可以通過族庫(kù)管理進(jìn)行調(diào)用，以此來進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)資源的使用，確保實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源與技術(shù)領(lǐng)域的共享。

（3）可以借助Revit 的開發(fā)功能對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行批量操作，而建筑模型設(shè)計(jì)質(zhì)量以及設(shè)計(jì)效率的提升，可借助拼裝建模實(shí)現(xiàn)。例如，借助拼裝建模設(shè)計(jì)路基邊坡的支擋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及防護(hù)系統(tǒng)等，結(jié)合參數(shù)化布置路基地基處理樁，能夠進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率。

（4）應(yīng)用Revit 平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)支擋結(jié)構(gòu)配筋、專業(yè)化的設(shè)計(jì)擋板墻等，還可以記錄并統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)模型鋼筋的具體數(shù)量。

（5）管理模型結(jié)構(gòu)時(shí)，要依照鐵路路基BIM 技術(shù)的相關(guān)規(guī)定，貫徹落實(shí)項(xiàng)目建模和信息，對(duì)于IFD 編碼、單元以及模型信息等，可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行儲(chǔ)存，也可以在模型管理中更改、優(yōu)化，顯示控制同一批結(jié)構(gòu)件。

2.4 出圖

Revit 軟件的切剖出圖與現(xiàn)代的規(guī)范有所區(qū)別，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，目前多以CAD 出圖為主。二次開發(fā)時(shí)再使用Revit 對(duì)標(biāo)注進(jìn)行添加、注重導(dǎo)出，而修改與整理最終出圖統(tǒng)一在CAD 內(nèi)進(jìn)行。出圖通過數(shù)據(jù)完成，所以一定要確保建模信息與出圖模型之間的數(shù)據(jù)做到同源，出圖時(shí)也要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。根據(jù)工程需要，完成上述流程后運(yùn)用模型和平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，在CAD 上面計(jì)算工程量，從而保障施工進(jìn)度。

3 BIM 技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 鐵路工程選址的應(yīng)用

由于鐵路工程的規(guī)模比較大，總里程數(shù)相對(duì)較長(zhǎng)，因此，在對(duì)鐵路路基進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)目的地選擇最佳的工程施工地點(diǎn)。而應(yīng)用BIM 技術(shù)可以使選址更加科學(xué)合理，鐵路工程的選址不僅要考慮到施工地形、施工難度，同時(shí)還要做好工程的預(yù)算造價(jià)工作，利用BIM技術(shù)的5D 造價(jià)分析功能，可以盡可能地將工程造價(jià)控制在預(yù)算范圍內(nèi)。應(yīng)用BIM 技術(shù)以及全球定位系統(tǒng)，可以將目的地錄入BIM 技術(shù)中，通過BIM 技術(shù)把目的地周邊的地勢(shì)地形模擬出來，然后，基于BIM 技術(shù)對(duì)鐵路工程進(jìn)行選址。

3.2 優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)方案的應(yīng)用

BIM 技術(shù)具備更好的指導(dǎo)能力，可以優(yōu)化管控鐵路路基結(jié)構(gòu)方案。BIM 技術(shù)能夠應(yīng)用結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)以及漫游檢查，使施工結(jié)構(gòu)方案的審核更加可靠到位，并且三維模式下的結(jié)構(gòu)分析更加精準(zhǔn)高效。在自動(dòng)碰撞施工和人工審核的雙重保障下，可以提升工作人員對(duì)路基結(jié)構(gòu)方案的問題識(shí)別能力以及科學(xué)優(yōu)化能力。因此，要在管控路基結(jié)構(gòu)方案期間，通過應(yīng)用BIM 技術(shù)提升實(shí)際的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化效果，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案中存在的問題，也可以通過分析結(jié)構(gòu)方案的工程量，為節(jié)約施工成本提供精確、高效的方案，進(jìn)而獲得施工層面上的指導(dǎo)作用。

3.3 邊坡綠化方案比選

為了有效提升鐵路路基施工的邊坡護(hù)理效果以及生態(tài)綠化能力，在施工期間，需要建立施工綠化方案，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的三維渲染和場(chǎng)景比選優(yōu)勢(shì)，以三維呈現(xiàn)的方式，進(jìn)一步提升實(shí)際的綠化方案選擇指導(dǎo)能力，讓最終的綠化方案與周圍環(huán)境更加協(xié)調(diào)合理。

3.4 優(yōu)化排水設(shè)計(jì)

通過實(shí)施三維地形數(shù)據(jù)、降水量、土地滲透性、流速參數(shù)分析等多元分析機(jī)制，BIM 技術(shù)具有在排水方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的能力，同時(shí)還可以確保設(shè)計(jì)方案具備較高的可行性，滿足實(shí)際的施工需求。該功能能夠分析施工現(xiàn)場(chǎng)的降水量，建立BIM 技術(shù)分析模型，對(duì)排水方式以及排水能力進(jìn)行計(jì)算，明確排水方案的施工成本[4]。除此之外，BIM 技術(shù)也可以定性分析排水設(shè)計(jì)，提供專業(yè)化、指標(biāo)化的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行指導(dǎo)，進(jìn)而有效提升施工方案的選擇能力。

3.5 設(shè)計(jì)圖紙檢查碰撞

由于鐵路工程的施工線路相對(duì)較長(zhǎng)，因此，在鐵路路基設(shè)計(jì)期間，需要多個(gè)設(shè)計(jì)單位同時(shí)進(jìn)行，還要在固定位置進(jìn)行工程對(duì)接，以此加快鐵路工程的施工速度。但是，如果沒有仔細(xì)檢查設(shè)計(jì)圖紙，很有可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)際施工存在誤差，從而難以按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行工程對(duì)接。應(yīng)用BIM 技術(shù)后，可以基于BIM 技術(shù)搭建設(shè)計(jì)交流平臺(tái)，共享各個(gè)設(shè)計(jì)路段的位置和具體情況，參考其他設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)內(nèi)容，促進(jìn)鐵路路基設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性，避免設(shè)計(jì)碰撞。

3.6 設(shè)計(jì)圖紙自動(dòng)生成

在鐵路路基設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)，依靠其強(qiáng)大的三維信息模型功能，能夠構(gòu)建直觀立體的效果圖，并且還可以基于設(shè)計(jì)圖紙隨時(shí)切換平面、剖面、局部的效果圖，從而打破傳統(tǒng)CAD 技術(shù)設(shè)計(jì)的局限性[5]。

3.7 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

優(yōu)化性是BIM 技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)之一，在完成鐵路路基設(shè)計(jì)后，應(yīng)用優(yōu)化功能檢查設(shè)計(jì)圖紙的各個(gè)環(huán)節(jié)，并計(jì)算各施工位置的荷載力、抗震性能等數(shù)據(jù)，從而為施工方提供最佳的施工材料選擇。除此之外，還可以為設(shè)計(jì)圖紙中能夠進(jìn)一步優(yōu)化的部位提供設(shè)計(jì)方案，從而讓設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)合理。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過采用BIM 技術(shù)，以高精度三維地形為基礎(chǔ)對(duì)鐵路路基進(jìn)行三維精細(xì)化設(shè)計(jì)，可以精準(zhǔn)、高效地優(yōu)化路基高陡邊坡、支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使鐵路路基設(shè)計(jì)更為合理。在構(gòu)建BIM 模型及深化設(shè)計(jì)的同時(shí)，利用三維模型進(jìn)行技術(shù)交底，確保BIM 設(shè)計(jì)模型向施工階段進(jìn)行傳遞，能夠充分發(fā)揮BIM 模型三維可視化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完成施工工藝模擬，減少工程變更，提升鐵路路基的設(shè)計(jì)水平以及工程質(zhì)量。