鐵路工程BIM設(shè)計 涉及專業(yè)多、專業(yè)接口復(fù)雜、與地形地質(zhì)關(guān)系密切，在現(xiàn)階段，由于專業(yè)間BIM資源不能很好地相互利用，鐵路工程BIM仍以單專業(yè)翻模為主，各專業(yè)開展BIM正向設(shè)計困難。設(shè)計人員根據(jù)已有二維設(shè)計成果創(chuàng)建BIM模型，反向檢驗設(shè)計成果，而不能將設(shè)計中的“差錯漏碰”防范于未然，反而給設(shè)計帶來了額外的負擔，使BIM技術(shù)的推廣在“源頭”上出現(xiàn)了問題。

為了給大家開展鐵路工程全專業(yè)BIM設(shè)計提供參考，小編整理了這篇圖文，以Bentley平臺系列軟件為基礎(chǔ)，按照鐵路工程設(shè)計一般流程，提出一種鐵路工程BIM設(shè)計協(xié)同管理和正向設(shè)計方法，并對鐵路BIM 標準進行初步應(yīng)用。

平臺比選

目前，Autodesk、Bentley和Dassault三家公司的軟件產(chǎn)品占據(jù)了大部分BIM軟件市場份額。針對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)，每個平臺均提供了BIM解決方案，但從正向設(shè)計角度衡量，各軟件平臺又展現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性，各平臺對鐵路設(shè)計適應(yīng)情況對比見圖1。

圖1 三大軟件平臺對鐵路工程適應(yīng)性對比

從對各大軟件平臺的對比情況可以看出，Bentley平臺對于鐵路工程設(shè)計具有明顯的優(yōu)勢，比較符合鐵路工程設(shè)計的特點，故選取Bentley平臺進行鐵路BIM正向設(shè)計研究。

設(shè)計方案

BIM正向設(shè)計流程

BIM正向設(shè)計是指利用BIM技術(shù)，以地形、地質(zhì)為基本設(shè)計資料，按設(shè)計流程依次進行線路設(shè)計、站前工程設(shè)計和站后工程設(shè)計。設(shè)計過程與傳統(tǒng)二維設(shè)計過程類似，但需要有序的組織協(xié)同設(shè)計工作流和BIM數(shù)據(jù)流。工作流中規(guī)定了工作內(nèi)容的先后順序，BIM數(shù)據(jù)流中定義了BIM設(shè)計成果的傳遞方向。以站前隧道專業(yè)為例，從與其相關(guān)的上游專業(yè)開始，對鐵路工程BIM正向設(shè)計過程進行梳理見圖2。

圖2 基于BIM技術(shù)的鐵路正向設(shè)計流程

設(shè)計流程管理

目前，國內(nèi)各鐵路設(shè)計院基本上都有自主研發(fā)的流程管理軟件，但主要適用于二維設(shè)計，不能對BIM協(xié)同設(shè)計中的數(shù)據(jù)流做到有效的追蹤和管理。Bentley ProjectWise基于ModeIServer和Internet技術(shù)開發(fā)，可在設(shè)計過程中進行BIM資料互提，文件版本管理，參考關(guān)系記錄，確保數(shù)據(jù)源一致，使設(shè)計人員突破空間限制，跨區(qū)域進行協(xié)同設(shè)計。首先由管理員在服務(wù)器端創(chuàng)建項目和專業(yè)配置，設(shè)定工作流程、項目組成員、統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和符號等，再根據(jù)不同的設(shè)計角色設(shè)定權(quán)限。設(shè)計人員通過客戶端獲取本專業(yè)所需的項目資源，進行專業(yè)間互提資料。所有設(shè)計人員依靠統(tǒng)一的項目數(shù)據(jù)源開展設(shè)計工作。當工作狀態(tài)發(fā)生改變時，以信息的方式通知相關(guān)設(shè)計人員進入下一個工作節(jié)點，直至設(shè)計完成。

地形地質(zhì)建模

地形建模一般由測繪專業(yè)完成。首先，根據(jù)線位大致走向采用衛(wèi)星遙感和航空攝影手段獲取高分辨率的地理信息，然后加工成數(shù)字高程模型（DEM），正射影像（DOM），最后在PowerCivil中利用DEM和DOM文件生成地形模型。

地質(zhì)建模一直以來是鐵路行業(yè)BIM的一大難題，但隨著近幾年來鐵路BIM軟件的發(fā)展，基于BIM基礎(chǔ)平臺開發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件已經(jīng)能夠基本滿足工程需要。基于Bentley MicroStation上開發(fā)的AglosGeo能夠利用地質(zhì)鉆孔、剖面，地質(zhì)構(gòu)造特征等數(shù)據(jù)創(chuàng)建地質(zhì)模型，有效簡化建模難度，提高建模效率。在Bentley軟件中創(chuàng)建的地形、地質(zhì)模型見圖3。

圖3 地形、地質(zhì)模型

線路設(shè)計

在鐵路工程設(shè)計中，線路平縱是所有專業(yè)空間定位的基準，線路數(shù)據(jù)能否被下游專業(yè)直接利用是實現(xiàn)BIM正向設(shè)計的關(guān)鍵。PowerCivil提供的線路平縱設(shè)計工具可直接在地形、地質(zhì)模型上進行線路設(shè)計。首先在平面視圖中設(shè)計線路平面，軟件會沿線路剖切地形模型生成地形縱剖面，在此基礎(chǔ)上進行線路縱斷面設(shè)計，最后在三維視圖中會自動擬合出線路空間曲線，見圖4。

圖4  PowerCivil線路設(shè)計

工點設(shè)計

下面以站前隧道工點設(shè)計為例，研究工點的BIM正向設(shè)計方法。

1、創(chuàng)建標準斷面模板庫

隧道BIM設(shè)計與路基、橋涵工程類似，均為特定形式斷面沿線路有序的組合與拉伸。首先創(chuàng)建工點所需的標準斷面庫。在PowerCivil中設(shè)計好隧道襯砌橫斷面，利用Bentley平臺第三方軟件CivilStationDesign將隧道襯砌斷面以構(gòu)件為單位導(dǎo)入廊道模板庫。為便于后面洞身設(shè)計，可在斷面庫中將各構(gòu)件組合為一個完整的隧道斷面，見圖5。

圖5 創(chuàng)建標準斷面庫

2、隧道洞身設(shè)計

隧道洞身設(shè)計是根據(jù)隧道埋深和地形地質(zhì)情況確定在不同工況下采用什么樣的襯砌斷面，最后沿線路裝配成隧道洞身模型。首先通過PW將地形、地質(zhì)、線路文件參考到隧道模型空間，依據(jù)地形情況初步確定隧道進出口里程，經(jīng)過PW互提資料流程得到相關(guān)專業(yè)確認。最后參照圍巖地質(zhì)情況在PowerCivil中用廊道工具將預(yù)先定義好的隧道襯砌斷面沿線路裝配，完成隧道洞身設(shè)計。

3、隧道洞口設(shè)計

隧道洞口設(shè)計主要包括洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計、邊坡開挖與防護設(shè)計、洞口排水設(shè)計。洞門結(jié)構(gòu)可直接在Microstation中進行三維設(shè)計。洞口排水溝與隧道洞身建模特征類似，設(shè)計方法同洞身設(shè)計。而隧道洞口開挖坡面是由兩側(cè)邊坡和拱部仰坡組成，在三維設(shè)計中，當采用不同坡率分臺階開挖時，邊、仰坡曲面的過渡設(shè)計是難點。對于此類特殊場地建模，嘗試將其導(dǎo)入GeoPak Site進行坡面設(shè)計能夠得到較為理想的效果。

首先將洞口地形文件導(dǎo)出為Tin格式，導(dǎo)入GeoPak Site進行洞口邊仰坡的參數(shù)化設(shè)計，利用引導(dǎo)線使隧道邊坡和仰坡自然過渡。最后將設(shè)計好的邊、仰坡曲面導(dǎo)出為DTM文件，在PowerCivil中與原始地形合并，形成開挖后的地形模型。剩余設(shè)計均可在PowerCivil中完成。

4、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括隧道錨桿，鋼筋網(wǎng)片，鋼架，二次襯砌鋼筋等?？衫媒Y(jié)構(gòu)設(shè)計軟件ProStructures完成，該軟件支持中國本地化技術(shù)規(guī)程設(shè)置。在鋼筋設(shè)計過程中，可調(diào)用常用鋼筋類型或自定義鋼筋類型。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程時，當選擇鋼構(gòu)件連接形式并設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，可自動生成鋼結(jié)構(gòu)連接件。設(shè)計完成的隧道錨桿、鋼筋、鋼架模型見圖6。

圖6 ProStructures隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

5、工程數(shù)量統(tǒng)計

Bentley軟件具有一定的工程數(shù)量計算和統(tǒng)計功能，具體可歸納為以下兩類：

1. 利用專用工具如ProStructure、PowerCivil生成的鋼結(jié)構(gòu)模型和廊道模型，這類對象能夠直接被軟件統(tǒng)計工程數(shù)量，見圖7。
2. 手工創(chuàng)建的模型，如隧道洞門、擋墻等，這類構(gòu)件數(shù)量只能通過手動查看屬性的方法獲取，不能被統(tǒng)一匯總。

第一類雖然實現(xiàn)了體積、數(shù)量、質(zhì)量的統(tǒng)計，但是形式比較簡單，項目類型離散，尚不能滿足實際工程需求。針對以上兩種情況，需要根據(jù)專業(yè)特點進行二次開發(fā)，對工程數(shù)量進行分類匯總后方可使用。

圖7 鋼架、二次襯砌工程數(shù)量表

標準實施

要使BIM信息在整個工程壽命周期內(nèi)有序的傳遞，在建模時就應(yīng)考慮合理的單元劃分、明確的構(gòu)件標識和規(guī)范的屬性格式。為此，鐵路BIM聯(lián)盟聯(lián)合各理事單位共同編寫并發(fā)布了《鐵路實體結(jié)構(gòu)分解指南1. 0)) (EBS)、《鐵路工程信息模型分類與編碼標準1. 0)) (IFD)和《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》(IFC)，在鐵路工程BIM設(shè)計時應(yīng)遵照執(zhí)行。

在BentleyV8i版本軟件中，一般是不允許用戶直接添加自定義屬性信息的，只能通過間接方式實現(xiàn)模型與信息的綁定。首先在Bentley Class Editor中按照鐵路IFC中擴展的類和邏輯關(guān)系創(chuàng)建類，并為其創(chuàng)建屬性集。在建模時利用Civil Station Design將模型對象與對應(yīng)的類進行綁定，這樣就實現(xiàn)了模型、類與屬性集的統(tǒng)一。

鐵路BIM正向設(shè)計有以下幾點建議：

1. 不宜脫離上下游專業(yè)獨立研究，專業(yè)間的數(shù)據(jù)交互是關(guān)鍵，設(shè)計時應(yīng)盡量選用數(shù)據(jù)格式互通的軟件，以便于專業(yè)間模型和數(shù)據(jù)相互調(diào)用。
2. 基于Bentley的鐵路BIM正向設(shè)計技術(shù)路線基本可行，但基礎(chǔ)平臺軟件對鐵路設(shè)計的專業(yè)化程度不足，一個專業(yè)的設(shè)計工作需要在多個軟件中完成，正向設(shè)計效率偏低。應(yīng)注重對基礎(chǔ)平臺的二次開發(fā)，使其符合鐵路設(shè)計習慣，提高設(shè)計效率。
3. 進行鐵路工程BIM設(shè)計時，只有遵循統(tǒng)一的技術(shù)標準才能使BIM信息在工程建設(shè)各階段有序的傳遞。目前鐵路工程BIM標準尚處于驗證和完善階段，需要業(yè)主、設(shè)計院、施工單位和軟件廠商多方共同努力方能推廣執(zhí)行。

BIM作為未來鐵路信息化建設(shè)的發(fā)展方向，已經(jīng)在業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，并取得了實質(zhì)性進展。隨著鐵路BIM標準的不斷完善，將促使BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計中更加廣泛的推廣和應(yīng)用。BIM設(shè)計手段作為鐵路信息化建設(shè)的一部分，融合了當今先進的計算機資源、 測繪技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，其優(yōu)越性必將給鐵路工程設(shè)計行業(yè)帶來一場巨大的變革。