賀 欣

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251）

0 引言

依托三維信息技術(shù)，軌道工程BIM技術(shù)是傳統(tǒng)軌道工程專業(yè)與信息技術(shù)的融合。在具體應(yīng)用中，BIM技術(shù)貫通軌道工程全生命周期，包括設(shè)計階段、施工階段及運營維護階段。而設(shè)計階段的軌道工程BIM技術(shù)是全生命周期應(yīng)用的基礎(chǔ)，因為后續(xù)施工階段及運營維護階段的BIM應(yīng)用均需在設(shè)計階段建立的幾何信息、功能信息、物理信息及價格信息等信息模型基礎(chǔ)上開展工作[1-3]。

達(dá)索系統(tǒng)包括設(shè)計建模模塊、施工仿真模塊、計算分析模塊及協(xié)同管理模塊，且支持IFC數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)索系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫存儲方式，適用于數(shù)據(jù)量龐大、需要全線實例化建模的軌道BIM設(shè)計。

1 設(shè)計階段的軌道工程BIM技術(shù)

在軌道工程施工圖設(shè)計階段應(yīng)用BIM技術(shù)，首先需要根據(jù)軌下基礎(chǔ)等因素確定軌道結(jié)構(gòu)形式，明確是采用有砟軌道還是無砟軌道。如果是無砟軌道，需要進(jìn)一步確定無砟軌道類型采用的是彈性支承塊式無砟軌道還是CRTSⅢ型板式無砟軌道。

無砟軌道BIM模型應(yīng)具備指導(dǎo)現(xiàn)場施工的功能，故在建立三維軌道模型時要嚴(yán)格按設(shè)計尺寸建立。無砟軌道BIM設(shè)計中應(yīng)根據(jù)劃分的不同工點建立相應(yīng)的三維實體鋼筋模型，因為設(shè)計方需將三維模型生成的二維圖紙或三維鋼筋模型移交給施工方用于指導(dǎo)施工。BIM的基礎(chǔ)是三維模型，核心是信息模型，需要按照不同軌下基礎(chǔ)，如路基段、橋梁段、隧道段及車站岔區(qū)等，將全線三維軌道模型實例化出來。全線實例化軌道模型的重要目的是將軌道工程BIM應(yīng)用延續(xù)到運營維護階段。在實例化全線無砟軌道過程中，考慮到模型數(shù)據(jù)量因素，可將具體鋼筋數(shù)量用IFC屬性表示，以此替代全線的三維鋼筋模型[4]。

無砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)計算也是軌道BIM設(shè)計階段需要解決的問題。在達(dá)索系統(tǒng)下的設(shè)計建模模塊中建立三維軌道幾何模型，然后在計算分析模塊中打開該模型，再進(jìn)行部分有限元前處理工作，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。當(dāng)設(shè)計模塊中建立的幾何模型發(fā)生尺寸改變時，計算分析模塊中的模型尺寸同步發(fā)生變化。在達(dá)索系統(tǒng)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，利用設(shè)計建模模塊的三維建模之“長”彌補了計算分析模塊的三維建模之“短”，比傳統(tǒng)二維設(shè)計中在單一的通用有限元軟件中建模、計算分析更有效率優(yōu)勢。

計算無砟軌道工程數(shù)量是設(shè)計工作中的重要部分。BIM設(shè)計中可充分利用全線軌道模型中的工程數(shù)量信息來統(tǒng)計工程數(shù)量。達(dá)索系統(tǒng)支持BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（如IFC標(biāo)準(zhǔn)），達(dá)索系統(tǒng)也有功能強大的協(xié)同管理模塊。但鑒于軌道工程BIM應(yīng)用是一個全新的領(lǐng)域，無法使用既有功能實現(xiàn)軌道工程BIM算量，需要開展深入的分步驟研究[5]。

表1 軌道工程BIM算量部分屬性集

2 擴展IFC標(biāo)準(zhǔn)

IFC標(biāo)準(zhǔn)為國際ISO標(biāo)準(zhǔn)，是由Building Smart組織開發(fā)的應(yīng)用最廣的BIM數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。既有IFC標(biāo)準(zhǔn)不能完全涵蓋鐵路行業(yè)特有的專業(yè)（如軌道專業(yè)），故首先需要擴展IFC標(biāo)準(zhǔn)以滿足軌道工程的實際應(yīng)用。

軌道IFC數(shù)據(jù)架構(gòu)主要由空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件、組合件及零件4種類型組成?？臻g結(jié)構(gòu)單元從空間概念上分解研究對象，其代表抽象的概念。軌道空間結(jié)構(gòu)單元定義有：軌道（Ifc Track）、軌道段（Ifc Track Part）；構(gòu)件表示研究對象組成中的重要物理實體，軌道構(gòu)件主要有：鋼軌（Ifc Track Rail）、扣件（Ifc Track Fastening）、軌枕（Ifc Track Sleeper）、軌道板（Ifc Track Slab）、底座（Ifc Track Base）、道砟層（IfcTrack Ballast Layer）等；由多個物理實體構(gòu)件結(jié)合而成的集合稱為組合件。組合件定義有：軌排（Ifc Track Panel）、有砟道床（Ifc Ballast Bed）；零件同樣是物理實體，雖然依附于構(gòu)件存在但是不可或缺。軌道零件有：鋼軌接頭（Ifc Track Rail Joint）等[6-7]。

將軌道工程按如上標(biāo)準(zhǔn)定義分類后，為滿足應(yīng)用需求，需要繼續(xù)定義軌道IFC分類所擁有的屬性集（Property Set），因為既有IFC表示數(shù)量的屬性集等不足以滿足工程數(shù)量計算匯總需求。目前自定義的屬性集主要有對應(yīng)于各擴展類的通用屬性集和為滿足工程算量需求的算量屬性集。軌道工程BIM算量部分屬性集見表1。

針對軌道工程算量應(yīng)用將IFC標(biāo)準(zhǔn)擴展后，在達(dá)索系統(tǒng)中建立軌道BIM模型時需要嚴(yán)格執(zhí)行IFC標(biāo)準(zhǔn)以實現(xiàn)后續(xù)檢索數(shù)據(jù)。通用屬性集以及算量屬性集所包含的具體內(nèi)容過于繁多，編寫Rules以便在實例化模型過程中自動添加各屬性集。如體積、質(zhì)量、表面積等算量的屬性值可根據(jù)實體模型自動計算生成，隨著每次實例化模型的不同，這些屬性值也隨之自動變化。

3 生成及解析XML文件

ENOVIA是達(dá)索系統(tǒng)中的工程協(xié)同管理模塊。將ENOVIA模塊和軌道BIM設(shè)計模塊CATIA、SIMULIA結(jié)合起來，構(gòu)成軌道BIM全生命周期的管理應(yīng)用。以ENOVIA為管理平臺可實現(xiàn)軌道工程全生命周期管理，通過協(xié)作設(shè)計、后期管理、軌道信息一體化，幫助企業(yè)開展項目工作并節(jié)約成本。與此相關(guān)的ENOVIA模塊包括項目管理模塊和配置管理模塊。在具體使用過程中為達(dá)到使用目的及方便操作必須進(jìn)行功能擴展開發(fā)。

對ENOVIA端進(jìn)行二次開發(fā)擴展出其導(dǎo)出XML文件的功能。ENOVIA導(dǎo)出XML文檔的邏輯過程見圖1。通過ENOVIA擴展功能按照用戶所選擇的軌道工程結(jié)構(gòu)樹導(dǎo)出XML格式的文件。該XML文件保留了建模時的構(gòu)件父子結(jié)構(gòu)關(guān)系，同時也完整地保留了IFC擴展屬性集。

匯總程序是為解析XML文件進(jìn)行軌道工程數(shù)量計算而自主開發(fā)的小程序。匯總程序?qū)④壍拦こ藼IM模型和傳統(tǒng)軌道設(shè)計中的算量報表無縫銜接在一起。通過ENOVIA端導(dǎo)出XML文件，軌道工程BIM模型的算量信息以XML文件格式表達(dá)。按照傳統(tǒng)設(shè)計需求設(shè)計工程算量Excel報表格式。匯總程序按照設(shè)計要求解析XML文件，最終在Excel報表中得出軌道工程BIM算量結(jié)果。

采用上述計算思路可大大降低程序計算的耦合性，提高程序應(yīng)用的靈活性，方便設(shè)計人員使用及利于后期應(yīng)用擴展。由于軌道工程算量報表可以脫離匯總程序自行設(shè)計形式，該算量方法適用于現(xiàn)有各種類型無砟軌道和有砟軌道。

圖1 ENOVIA導(dǎo)出XML文檔的邏輯過程

4 算例分析

以隧道內(nèi)支承塊式無砟軌道為例對該方法進(jìn)行驗證分析。隧道內(nèi)支承塊式無砟軌道主要包括鋼軌、扣件、支承塊式軌枕、混凝土道床、道床伸縮縫等部分。分別按照傳統(tǒng)設(shè)計和BIM設(shè)計算量方法計算某段位于曲線范圍的無砟軌道工程數(shù)量（見表2）。

由表2可知，利用該BIM算量方法得出的計算結(jié)果與傳統(tǒng)計算方法得出的結(jié)果相比，大部分計算項目的差值百分率在1%之內(nèi)。對于受曲線因素影響的工程數(shù)量，如無砟道床及伸縮縫工程數(shù)量，采用該方法所得計算結(jié)果會更小。

在傳統(tǒng)二維設(shè)計中，無砟軌道施工圖紙和工程算量是相互分離的，算量過程繁瑣且易出錯。當(dāng)施工圖紙發(fā)生變化后，需要人工錄入和修改算量文件，耗費人力和時間。另外，對于幾何形體不規(guī)則地段（如圓曲線及緩和曲線地段）的混凝土數(shù)量、伸縮縫數(shù)量等，采用估算包絡(luò)值的方法得出的計算結(jié)果不夠精準(zhǔn)。

在軌道工程BIM設(shè)計中計算工程數(shù)量，其計算能力要強于傳統(tǒng)二維設(shè)計。例如，對于曲線及緩和曲線地段道床板混凝土及伸縮縫，BIM設(shè)計中按照設(shè)計超高建立模型，可以精確地計算出工程用量；對于預(yù)制的CRSTⅢ型軌道板，由于已將全線軌道板實例化出來，不會出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致的數(shù)量統(tǒng)計錯誤，進(jìn)而避免了實際工程浪費。同時，基于BIM模型計算工程數(shù)量的效率更高。程序可按照選擇的模型節(jié)點自動計算出工程數(shù)量。軌道BIM設(shè)計與工程算量工作可同步開展，當(dāng)發(fā)生設(shè)計變更后，重新實例化模型即可立即計算得出相應(yīng)的工程數(shù)量。

軌道BIM設(shè)計中計算工程數(shù)量，需要在建模過程中按照IFC分類給全線各種類型軌道賦予通用屬性集和算量屬性集。計算范圍涵蓋路基、橋梁、隧道、車站等，需要采用自動化建模方法才可滿足設(shè)計要求。且在建模前需要確定好概算段落，若設(shè)計中途發(fā)生概算段落變更，需將模型節(jié)點與概算段落重新對應(yīng)并重新建立模型。

5 結(jié)束語

在達(dá)索系統(tǒng)中開展軌道工程BIM設(shè)計，需要以BIM模型為基礎(chǔ)計算工程數(shù)量。通過擴展IFC標(biāo)準(zhǔn)自定義得出適用于軌道工程的IFC標(biāo)準(zhǔn)，包括IFC分類及各種屬性，再從達(dá)索系統(tǒng)中導(dǎo)出含有軌道工程基本屬性以及算量屬性的XML文件，利用匯總程序解析XML文件，可以得到軌道BIM設(shè)計階段的工程算量。通過與傳統(tǒng)設(shè)計計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，該方法的計算結(jié)果可信。該方法通用性強，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于其他站前專業(yè)，其成功應(yīng)用為在實際工程中使用BIM技術(shù)進(jìn)行軌道工程設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。該算量方法可以計算出軌道工程絕大多數(shù)的工程數(shù)量，但在實際設(shè)計工作中，對于部分附屬設(shè)施，如線路標(biāo)識、位移觀測樁及備品備料等，受建模精度等綜合因素影響，暫無法由BIM模型統(tǒng)計出工程數(shù)量。

表2 2種方法計算的無砟軌道工程數(shù)量對比