劉厚強(qiáng)，易旭鵬，朱 聰

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

基于BIM的三維鐵路路基建模應(yīng)用研究

劉厚強(qiáng)，易旭鵬，朱 聰

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

為推進(jìn)鐵路工程建設(shè)信息化發(fā)展，鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)大力推進(jìn)BIM技術(shù)研究。通過對(duì)現(xiàn)階段鐵路站前專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例和路基二維輔助設(shè)計(jì)方法的廣泛調(diào)研，提出一種基于運(yùn)用自主研發(fā)的三維鐵路路基輔助設(shè)計(jì)軟件的建模方法，結(jié)合川藏線拉林段路基區(qū)間，完成建模流程和設(shè)計(jì)成果的展示。實(shí)踐表明，三維設(shè)計(jì)有助于設(shè)計(jì)人員更為全面直觀了解實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，新增可視化效果，提高設(shè)計(jì)精確性，為鐵路路基設(shè)計(jì)行業(yè)帶來新的設(shè)計(jì)理念和運(yùn)用基礎(chǔ)。

BIM；鐵路路基；三維模型；輔助設(shè)計(jì)

鐵路設(shè)計(jì)作為鐵路建設(shè)的基礎(chǔ)性和前提性工作，在很大程度上決定了鐵路建設(shè)的成果質(zhì)量，其影響貫穿鐵路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的生命全周期，也是促進(jìn)鐵路行業(yè)信息化、可持續(xù)發(fā)展與資源及環(huán)境友好的重要因素。目前，參與鐵路設(shè)計(jì)的各專業(yè)都有專業(yè)性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)輔助軟件，但在設(shè)計(jì)過程中以及最終的設(shè)計(jì)結(jié)果都采用的是傳統(tǒng)的二維圖形的形式，這種方式雖然在一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率，但用二維的手段來表達(dá)龐大復(fù)雜的空間三維鐵路實(shí)體本身并不符合人類的認(rèn)知和思維習(xí)慣，軟件只是起到輔助設(shè)計(jì)的作用，對(duì)于復(fù)雜空間設(shè)計(jì)，無法達(dá)到“可見即所得”的可視化效果，工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不能發(fā)揮最大的創(chuàng)造性。設(shè)計(jì)方在招投標(biāo)過程中，不能給業(yè)主和地方政府提供直觀的設(shè)計(jì)成果展示，在與業(yè)主、施工方的技術(shù)交底時(shí)，二維圖形式可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖表達(dá)不明確的現(xiàn)象，甚至有的附屬工程設(shè)計(jì)只有文字說明，施工方不能準(zhǔn)確理解，這將直接影響到工程建設(shè)的進(jìn)度和質(zhì)量，導(dǎo)致合理的設(shè)計(jì)意圖得不到實(shí)現(xiàn)，并造成人力物力財(cái)力的浪費(fèi)[1-2]?；谔岣哞F路設(shè)計(jì)文件可視化、信息化的迫切需求，行業(yè)內(nèi)逐步開展“建筑信息模型”(Building Information Model)技術(shù)的探索和實(shí)踐研究，勢(shì)必有助于推動(dòng)鐵路行業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展。

1 BIM在鐵路土建專業(yè)的應(yīng)用

1.1 BIM和相關(guān)軟件(圖1)

建筑信息模型是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程各種相關(guān)數(shù)據(jù)，以立體、聯(lián)動(dòng)、寫實(shí)的模型，把工程項(xiàng)目全生命周期的動(dòng)態(tài)可視化管理、信息共享和決策支持從理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[3-8]。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，首當(dāng)其沖的就是完成對(duì)項(xiàng)目實(shí)體的三維模型建立，目前市場(chǎng)上所運(yùn)用到的BIM核心建模軟件主要有Autodesk、Bentley、Nemetschek、Dassault等公司的相關(guān)產(chǎn)品。

1.2 鐵路土建專業(yè)應(yīng)用

2013年12月，中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟在北京正式成立，相繼開展了隧道、橋梁、路基、站房等土建專業(yè)的BIM應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究工作[9-10](表1)。

圖1 BIM核心建模軟件

表1 鐵路土建專業(yè)BIM應(yīng)用情況

2 鐵路路基三維設(shè)計(jì)

2.1 路基二維輔助設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段路基專業(yè)設(shè)計(jì)人員常用的二維路基輔助設(shè)計(jì)軟件適用于鐵路路基工程的設(shè)計(jì)以及工程數(shù)量計(jì)算，作擴(kuò)展后也可用于公路路基設(shè)計(jì)[11-12]。功能如表2所示。

表2 路基二維輔助設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用操作

2.2 路基三維輔助設(shè)計(jì)(圖2)

路基專業(yè)開展三維設(shè)計(jì)需要考慮如下問題。

(1)專業(yè)設(shè)計(jì)人員目前使用的二維輔助設(shè)計(jì)軟件多數(shù)時(shí)間的操作作用于橫斷面窗口下，使用方法和界面已被廣泛熟知，三維設(shè)計(jì)推廣時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)人員的上手難易程度和適用性。

(2)路基三維模型是貫穿路基項(xiàng)目的全生命周期模型，對(duì)模型的需求是形式多變的、內(nèi)容豐富的，時(shí)間跨度很大，因此，應(yīng)立足于模型平臺(tái)的自主開發(fā)。

(3)BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)的應(yīng)用目前尚處于起步階段，應(yīng)充分利用手中的優(yōu)勢(shì)資源，便于拓展和進(jìn)一步研發(fā)。

基于以上需求，在路基輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研發(fā)了三維版本，以O(shè)penGL開發(fā)包為基礎(chǔ)，完成路基本體及相關(guān)支擋附屬結(jié)構(gòu)物的模型開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了路基部件的參數(shù)化三維模型定制功能。

(1)以現(xiàn)有的路基輔助設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)當(dāng)下鐵路路基二維設(shè)計(jì)的需求。

(2)新增空間主窗口，能呈現(xiàn)地面信息和路基本體及支擋附屬結(jié)構(gòu)三維實(shí)體，并可實(shí)現(xiàn)空間視角變換，局部放大縮小，線路漫游功能，提供更為真實(shí)的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。

(3)主窗口下顯示橫斷面設(shè)計(jì)信息，根據(jù)前后斷面交互繪制路基三維實(shí)體，可對(duì)各結(jié)構(gòu)物參數(shù)進(jìn)行修改，提高適用性。并可通過已形成的三維路基結(jié)構(gòu)，生成二維斷面圖和正面圖。

(4)根據(jù)三維路基常用實(shí)體，生成工程數(shù)量表，較之二維設(shè)計(jì)工程量生成更為精確，并且便于分類查詢。

(5)生成文件接口可與CATIA、Civil 3D、Navisworks等軟件進(jìn)行信息交換，并為將來實(shí)現(xiàn)全生命周期管理提供模型基礎(chǔ)。

圖2 三維建模流程

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

川藏線拉林段噶扎至扎其單線鐵路，起訖里程DK83+887～DK93+100，途徑扎莫隧道、江達(dá)特大橋、藏中隧道，路基以填方為主，中心最大高度9 m，最大挖方4 m，地貌屬堆積高山寬谷區(qū)，地勢(shì)平坦，地表高程3 561.9～3 581 m，相對(duì)高差小于20 m，地表多為牧場(chǎng)、耕地。工程結(jié)構(gòu)物主要有：路基本體、復(fù)合地基、人字骨架護(hù)坡、側(cè)溝、排水溝、重力式擋土墻、L型路肩擋土墻、路塹樁板墻等。

3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

鐵路路基三維設(shè)計(jì)中的建模工作主要包括地形曲面建立，空間橫斷面骨架搭建，路基三維實(shí)體組裝，線路預(yù)覽。

準(zhǔn)備工作：錄入線路專業(yè)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，包括填挖表、曲線表、斷鏈表、大中橋表、隧道表、坡度表等信息，更新里程冠號(hào)；讀入地質(zhì)專業(yè)提供的地層線、地質(zhì)參數(shù)信息，生成SEC文件。

橫斷面設(shè)計(jì)和骨架搭建：準(zhǔn)備文件填挖表信息給出中樁和路肩高程，在橫斷面窗口下，直接添加左右側(cè)和基底工程，各工程結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)需求自行設(shè)定，滿足二維斷面設(shè)計(jì)需求，完成三維設(shè)計(jì)所需的空間搭建骨架。如圖3(a)所示。

三維實(shí)體組裝：在主斷面窗口下，顯示設(shè)計(jì)完成的橫斷面設(shè)計(jì)圖，通過前后相鄰斷面基準(zhǔn)點(diǎn)的捕捉，由線路中線向兩側(cè)添加所需路基工程結(jié)構(gòu)實(shí)體，并進(jìn)行拖拽、拉伸、偏移等操作；三維實(shí)體不受橫斷面設(shè)計(jì)圖的空間限制，根據(jù)設(shè)計(jì)者需求修改實(shí)體構(gòu)件參數(shù)，完成整條線路的三維模型搭建工作。如圖3(b)所示。

線路預(yù)覽：通過查看窗口，觀察該區(qū)段鐵路線路空間走向及線路周邊地形特征，并可將路基三維設(shè)計(jì)實(shí)體與地形曲面一并顯示，根據(jù)需要顯示橫斷面原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；使用漫游功能，可模擬列車機(jī)車視角通過設(shè)計(jì)區(qū)段，提供更為直觀的感覺。如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 三維設(shè)計(jì)展示

4 結(jié)論與展望

在高速鐵路快速發(fā)展的大趨勢(shì)下，對(duì)設(shè)計(jì)文件可視化、信息化的需求日益迫切，三維設(shè)計(jì)技術(shù)勢(shì)必是未來鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合川藏線拉林段實(shí)際路基區(qū)間，運(yùn)用自主研發(fā)的路基三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模工作。取得的成果體現(xiàn)了該三維設(shè)計(jì)方法有助于設(shè)計(jì)人員快速熟悉和操作應(yīng)用，更為全面直觀了解實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，以便于細(xì)節(jié)的更改和完善，模塊化實(shí)體更利于工程量的精確計(jì)算，為鐵路路基設(shè)計(jì)行業(yè)帶來新的設(shè)計(jì)理念，為推動(dòng)鐵路路基全生命周期BIM應(yīng)用的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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The Application of Three Dimensional Modeling with BIM Technology in Railway Subgrade

LIU Hou-qiang， YI Xu-peng， ZHU Cong

(China Railway ErYuan Engineering Group Co.， Ltd. Chengdu 610031， China)

In order to promote the informatization of railway engineering construction， researches on BIM technology are conducted extensively by railway design institutes. A modeling method is proposed based on self-developed three-dimensional design software for railway subgrade in the light of the BIM-based modeling process and extensive investigations in the railway from Lasha to Linzhi. The practices show that the three-dimensional design helps designers to understand the practical engineering structure comprehensively with additional visual effects， and improves design accuracy， which brings about a new design idea and lays applicable foundation for railway subgrade design．

BIM; Railway subgrade; Three dimensional modeling; Aided design

2014-11-04

劉厚強(qiáng)(1969—)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail：liu_hq_cdey@hotmail.com。

1004-2954(2015)07-0020-03

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.005