■ 艾山丁

BIM技術(shù)在軌道工程設計中的應用探討

■ 艾山丁

分析軌道工程BIM設計成果特點，結(jié)合京沈客專BIM試點軌道工程中的應用，研究軌道工程BIM設計方法；建立零件庫、模板庫、骨架線，進行零件裝配、模板實例化，對基于BIM模型的工程數(shù)量計算方法、有限元分析方法、二維圖紙生成方法進行初步研究；結(jié)合軌道工程設計特點，得出BIM設計技術(shù)在軌道工程中的適應性分析結(jié)論，為BIM技術(shù)在軌道工程設計中的應用奠定基礎。

BIM；軌道工程；京沈客專；適應性分析

近年來，BIM技術(shù)以其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、造價精確性及造價可控性等特點［1-2］，在工程生產(chǎn)效率，進度、質(zhì)量、成本控制，資產(chǎn)運維等領(lǐng)域起到了重要作用。由于鐵路行業(yè)工程的復雜性、參與專業(yè)的多樣性、專業(yè)接口與信息交換的高頻性及工程建設管理的精細化［3］等特點，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的探索、推廣、應用將為鐵路行業(yè)帶來一次技術(shù)革命。

1 軌道工程BIM設計成果特點

軌道工程作為鐵路工程項目中的一項站前工程，具有設計內(nèi)容精細、繁瑣、專業(yè)接口多、設計精度要求高等特點。

1.1 信息豐富化

當前軌道工程設計主要采用CAD計算機輔助設計，設計成果往往為文件說明與二維通用設計圖紙。首先，二維設計圖紙并不能充分表達三維實體結(jié)構(gòu)；其次，二維通用設計圖紙并不能表達某個具體工點的設計情況，而要輔以相應設計表格，進行查詢換算；此外，二維設計圖紙較難反映與相關(guān)專業(yè)設計接口信息。因此，利用目前軌道工程采用的設計形式并不能直觀、精確地表達設計成果，而軌道設計過程中大量信息也不能得以存儲，無法將豐富的信息傳遞至制造、施工及運營單位。

若利用BIM技術(shù)進行設計，將設計文件、BIM模型作為設計成果，并輔以關(guān)鍵工點的二維圖紙，則一定程度上可提高設計精度、深化設計成果。以BIM模型為載體，將豐富的設計信息存儲至模型上，則可提高信息傳遞利用率，為后續(xù)工作所用。

1.2 可優(yōu)化性

設計過程中運用BIM模型，經(jīng)過模型的簡化處理、網(wǎng)格劃分、邊界定義等，可利用常用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)初步分析，對設計成果進行優(yōu)化，從而達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、降低工程造價的目的。

1.3 協(xié)調(diào)性

軌道工程傳統(tǒng)設計一般在工程線位，橋、隧、路基形式及其缺口較為穩(wěn)定的情況下，才具備開展設計工作條件。但凡上述任何一個專業(yè)進行微小改動，軌道設計方案都需要隨之調(diào)整。

利用BIM技術(shù)進行設計，可保證上序來源的唯一性與同步性。當交付成果為具有可視化、協(xié)調(diào)性的BIM模型時，可對專業(yè)接口處設計成果進行重點檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整設計方案，降低差、錯、漏、碰出現(xiàn)概率，為保證施工工期、減少返工、提高施工質(zhì)量打下基礎。

2 BIM技術(shù)應用案例

鐵路行業(yè)BIM設計探索主要集中于橋梁、隧道工程等［4-8］，結(jié)合京沈客專BIM試點軌道工程進行分析。

2.1 工程概況

京沈客專BIM試點位于DK373+975—DK380+417.82處。含車站1座，長1 400 m（站內(nèi)橋梁231.75 m）；區(qū)間橋4座，總長2 502.87 m；區(qū)間隧道1座，長380 m；區(qū)間路基4段，總長2 159.95 m；線路全長6 442.82 m。雙線線間距按5.0 m設計。軌道工程區(qū)間采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，岔區(qū)采用軌枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)設計

2.2.1 零件庫建立

建模過程中，對于規(guī)格種類相對較少的構(gòu)件（如軌道板等），采用局部坐標系下獨立建模，并批量裝配的方式進行BIM模型建立。針對這一類構(gòu)件納入零件庫進行管理。

BIM試點建立的零件主要包括：軌道板、自密實混凝土層、隔離層、路基上18號單開岔區(qū)無砟道床、路基上18號單渡線岔區(qū)無砟道床及橋上18號單渡線岔區(qū)無砟道床等（見圖1）。

圖1 零件庫模型

2.2.2 模板庫建立

建模過程中，對于規(guī)格種類復雜多樣、構(gòu)件幾何和非幾何信息隨線路狀況變化而變化的構(gòu)件（如底座、底座伸縮縫泡沫塑料板、聚氨酯等），采用全局坐標系下建立骨架線，然后重復調(diào)用模板，批量生成構(gòu)件的方式進行建模。針對建模時用到的模板納入模板庫進行管理。

BIM試點建立的模板主要包括：鋼軌模板、底座模板、底座伸縮縫模板等（見圖2）。

圖2 模板庫模型

2.2.3 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)化設計

BIM試點以總骨架線為基礎，實現(xiàn)了軌道結(jié)構(gòu)超高設計（見圖3）及CRTSⅢ型板布板設計。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)超高設計表達

參數(shù)化建模主要體現(xiàn)在骨架線和各構(gòu)件之間相互關(guān)聯(lián)，以及利用模板自動批量化生成所需構(gòu)件。

BIM試點初步實現(xiàn)骨架線和各構(gòu)件之間相互關(guān)聯(lián)，利用已建成的模板，完成近90個工點模型的建立工作（見圖4）。

圖4 工點模型

2.3 工程數(shù)量計算

利用已建成的BIM模型進行工程數(shù)量計算探索。初步實現(xiàn)了鋼軌、軌道板、自密實混凝土層、底座工程數(shù)量計算［9-11］。

2.4 有限元模型

在設計過程中遇到特殊工況時，通常需要利用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)檢算。

在已建成的BIM模型中，選取個別計算單元，對影響網(wǎng)格劃分的模型細部尺寸進行簡化處理。然后進行網(wǎng)格劃分，邊界條件定義后，即可得到初步可用的有限元模型（見圖5、圖6）。

圖5 BIM模型

圖6 有限元模型

2.5 生成二維圖紙

利用已建成的區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)模型進行生成二維圖紙軌道結(jié)構(gòu)布置圖的探索（見圖7）。

圖7 軌道結(jié)構(gòu)二維布置圖

3 BIM技術(shù)在軌道工程中的適應性分析

可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可出圖性、設計精確性是BIM設計的的5大特

點。

（1）可視化特點：軌道工程對于路橋過渡段、CRTSⅢ型板地段、伸縮調(diào)節(jié)器地段、岔區(qū)地段等特殊工點的軌道結(jié)構(gòu)設計，在BIM設計模式下可以得到更清晰、更直觀的表達。

（2）協(xié)調(diào)性特點：軌道專業(yè)與上下序各專業(yè)間的配合更加順暢。如在接收上序?qū)I(yè)的缺口里程時，將橋、隧、路基等專業(yè)的缺口點直接作為上序來接收，省去從上序?qū)I(yè)提供的電子或紙質(zhì)文件中讀取缺口里程再轉(zhuǎn)換至本專業(yè)設計成果中的過程。

（3）優(yōu)化性特點：軌道工程在接口較多的岔區(qū)地段、設備較復雜的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器地段完成BIM模型后，設計人員可以更直觀地看到設計成果。利用BIM技術(shù)可以為設計優(yōu)化創(chuàng)造更大便利條件。

（4）可出圖性特點：軌道工程對于復雜的設計工點，可以利用BIM模型進行二維圖紙的輔助輸出，能夠更清楚更豐富地表達設計成果。

（5）設計精確性特點：軌道專業(yè)相對其他土建專業(yè)來講設計精度較高。如采用BIM設計技術(shù)后，模型中已經(jīng)體現(xiàn)了施工坐標系下軌道板的位置、底座的位置等，與原有通用圖設計模式相比，設計內(nèi)容更加豐富、設計成果更加精確。

［1］ 何關(guān)培.BIM總論［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］ 何關(guān)培，李剛.那個叫BIM的東西究竟是什么［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］ 劉延宏. EBS在鐵路工程建設管理中的應用探討［J］.中國鐵路，2015（7）：62-65.

［4］ 李麗，馬婷婷，袁竹.BIM技術(shù)在鐵路隧道設計中的應用［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：45-48.

［5］ 魏州泉.BIM技術(shù)在鐵路橋隧工程中的應用研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：9-13.

［6］ 劉彥明，李志彪.BIM技術(shù)在鐵路設計中的推廣應用［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（3）：51-54.

［7］ 張雪才.BIM技術(shù)在鐵路設計行業(yè)的應用研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：14-18.

［8］ 楊詠漪，徐勇，陳列.滬昆客專北盤江特大橋BIM應用研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：54-58.

［9］ 朱丹.鐵路行業(yè)EBS分解研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（3）：21-23.

［10］ 李華良，楊緒坤，沈東升.鐵路工程信息模型分類和編碼標準研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（3）：17-20.

［11］ 朱純瑤，楊緒坤.建筑信息分類編碼體系對鐵路BIM的借鑒作用［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：35-38.

艾山?。鸿F道第三勘察設計院集團有限公司，工程師，天津，300142

責任編輯 高紅義

U213.2；TP39

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1672-061X（2016）03-0062-03