賀 欣

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)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(jì)階段、施工階段及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。而設(shè)計(jì)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?yàn)楹罄m(xù)施工階段及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的BIM應(yīng)用均需在設(shè)計(jì)階段建立的幾何信息、功能信息、物理信息及價(jià)格信息等信息模型基礎(chǔ)上開(kāi)展工作[1-3]。

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

1 設(shè)計(jì)階段的軌道工程BIM技術(shù)

在軌道工程施工圖設(shè)計(jì)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(wú)砟軌道。如果是無(wú)砟軌道，需要進(jìn)一步確定無(wú)砟軌道類型采用的是彈性支承塊式無(wú)砟軌道還是CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。

無(wú)砟軌道BIM模型應(yīng)具備指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的功能，故在建立三維軌道模型時(shí)要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)尺寸建立。無(wú)砟軌道BIM設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)劃分的不同工點(diǎn)建立相應(yīng)的三維實(shí)體鋼筋模型，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(shí)例化出來(lái)。全線實(shí)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(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。在實(shí)例化全線無(wú)砟軌道過(guò)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(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算也是軌道BIM設(shè)計(jì)階段需要解決的問(wèn)題。在達(dá)索系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)建模模塊中建立三維軌道幾何模型，然后在計(jì)算分析模塊中打開(kāi)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(jì)算。當(dāng)設(shè)計(jì)模塊中建立的幾何模型發(fā)生尺寸改變時(shí)，計(jì)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(jì)建模模塊的三維建模之“長(zhǎng)”彌補(bǔ)了計(jì)算分析模塊的三維建模之“短”，比傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中在單一的通用有限元軟件中建模、計(jì)算分析更有效率優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算無(wú)砟軌道工程數(shù)量是設(shè)計(jì)工作中的重要部分。BIM設(shè)計(jì)中可充分利用全線軌道模型中的工程數(shù)量信息來(lái)統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量。達(dá)索系統(tǒng)支持BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)（如IFC標(biāo)準(zhǔn)），達(dá)索系統(tǒng)也有功能強(qiáng)大的協(xié)同管理模塊。但鑒于軌道工程BIM應(yīng)用是一個(gè)全新的領(lǐng)域，無(wú)法使用既有功能實(shí)現(xiàn)軌道工程BIM算量，需要開(kāi)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(kuò)展IFC標(biāo)準(zhǔn)

IFC標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)，是由Building Smart組織開(kāi)發(fā)的應(yīng)用最廣的BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(kuò)展IFC標(biāo)準(zhǔn)以滿足軌道工程的實(shí)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(duì)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(duì)象組成中的重要物理實(shí)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(gè)物理實(shí)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(shí)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?yàn)榧扔蠭FC表示數(shù)量的屬性集等不足以滿足工程數(shù)量計(jì)算匯總需求。目前自定義的屬性集主要有對(duì)應(yīng)于各擴(kuò)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(jiàn)表1。

針對(duì)軌道工程算量應(yīng)用將IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展后，在達(dá)索系統(tǒng)中建立軌道BIM模型時(shí)需要嚴(yán)格執(zhí)行IFC標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)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(guò)于繁多，編寫Rules以便在實(shí)例化模型過(guò)程中自動(dòng)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(shí)體模型自動(dòng)計(jì)算生成，隨著每次實(shí)例化模型的不同，這些屬性值也隨之自動(dòng)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(jì)模塊CATIA、SIMULIA結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成軌道BIM全生命周期的管理應(yīng)用。以ENOVIA為管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)軌道工程全生命周期管理，通過(guò)協(xié)作設(shè)計(jì)、后期管理、軌道信息一體化，幫助企業(yè)開(kāi)展項(xiàng)目工作并節(jié)約成本。與此相關(guān)的ENOVIA模塊包括項(xiàng)目管理模塊和配置管理模塊。在具體使用過(guò)程中為達(dá)到使用目的及方便操作必須進(jìn)行功能擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

對(duì)ENOVIA端進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)擴(kuò)展出其導(dǎo)出XML文件的功能。ENOVIA導(dǎo)出XML文檔的邏輯過(guò)程見(jiàn)圖1。通過(guò)ENOVIA擴(kuò)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(shí)的構(gòu)件父子結(jié)構(gòu)關(guān)系，同時(shí)也完整地保留了IFC擴(kuò)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(jì)算而自主開(kāi)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(jì)中的算量報(bào)表無(wú)縫銜接在一起。通過(guò)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(jì)需求設(shè)計(jì)工程算量Excel報(bào)表格式。匯總程序按照設(shè)計(jì)要求解析XML文件，最終在Excel報(bào)表中得出軌道工程BIM算量結(jié)果。

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

圖1 ENOVIA導(dǎo)出XML文檔的邏輯過(guò)程

4 算例分析

以隧道內(nèi)支承塊式無(wú)砟軌道為例對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。隧道內(nèi)支承塊式無(wú)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(jì)和BIM設(shè)計(jì)算量方法計(jì)算某段位于曲線范圍的無(wú)砟軌道工程數(shù)量（見(jiàn)表2）。

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

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，無(wú)砟軌道施工圖紙和工程算量是相互分離的，算量過(guò)程繁瑣且易出錯(cuò)。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(fèi)人力和時(shí)間。另外，對(duì)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(jì)算結(jié)果不夠精準(zhǔn)。

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

軌道BIM設(shè)計(jì)中計(jì)算工程數(shù)量，需要在建模過(guò)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(jì)算范圍涵蓋路基、橋梁、隧道、車站等，需要采用自動(dòng)化建模方法才可滿足設(shè)計(jì)要求。且在建模前需要確定好概算段落，若設(shè)計(jì)中途發(fā)生概算段落變更，需將模型節(jié)點(diǎn)與概算段落重新對(duì)應(yīng)并重新建立模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

在達(dá)索系統(tǒng)中開(kāi)展軌道工程BIM設(shè)計(jì)，需要以BIM模型為基礎(chǔ)計(jì)算工程數(shù)量。通過(guò)擴(kuò)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?gòu)倪_(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(jì)階段的工程算量。通過(guò)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，該方法的計(jì)算結(jié)果可信。該方法通用性強(qiáng)，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(shí)際工程中使用BIM技術(shù)進(jìn)行軌道工程設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。該算量方法可以計(jì)算出軌道工程絕大多數(shù)的工程數(shù)量，但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，對(duì)于部分附屬設(shè)施，如線路標(biāo)識(shí)、位移觀測(cè)樁及備品備料等，受建模精度等綜合因素影響，暫無(wú)法由BIM模型統(tǒng)計(jì)出工程數(shù)量。

表2 2種方法計(jì)算的無(wú)砟軌道工程數(shù)量對(duì)比