謝先當(dāng)，劉厚強(qiáng)，翟連吉

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

0 引言

相對于建筑行業(yè)，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用起步較晚，目前還處于初步發(fā)展階段。鐵路工程比建筑工程體量更大、專業(yè)更多、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對BIM技術(shù)的要求也更高［1］。隨著BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的深入應(yīng)用，鐵路BIM聯(lián)盟接連發(fā)布了《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，使鐵路工程信息模型在建設(shè)、傳遞和使用過程中有據(jù)可依［2-3］，鐵路工程設(shè)計將逐步由傳統(tǒng)的紙質(zhì)文檔向信息化過渡，BIM技術(shù)勢必在鐵路工程設(shè)計中占據(jù)主導(dǎo)地位［4］。

目前，市場上的BIM軟件僅提供基礎(chǔ)的設(shè)計平臺，而完全手動建模無法滿足鐵路路基專業(yè)的設(shè)計要求［5-6］，因此，需要明確鐵路路基BIM設(shè)計的應(yīng)用需求和價值點(diǎn)，并選擇合適的軟件平臺進(jìn)行二次開發(fā)。以麗香鐵路居都谷—香格里拉區(qū)間路基為依托，通過BIM軟件平臺比選，選擇基于Bentley軟件公司的OpenRail Designer軟件平臺進(jìn)行二次開發(fā)，對鐵路路基BIM正向設(shè)計開展深入研究。

1 BIM設(shè)計流程

新建麗香鐵路居都谷—香格里拉區(qū)間的路基BIM設(shè)計采用中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司基于Open?Rail Designer軟件平臺自主研發(fā)的鐵路路基BIM正向設(shè)計系統(tǒng)CREEC-Railway-Subgrade（簡稱設(shè)計系統(tǒng)）完成。在鐵路路基設(shè)計中，首先引用線路專業(yè)提供的線位數(shù)據(jù)、測繪專業(yè)提供的地面等高線數(shù)據(jù)以及地質(zhì)專業(yè)提供的地層信息和地質(zhì)參數(shù)；然后在設(shè)計系統(tǒng)中設(shè)置路基基本設(shè)計參數(shù)和橋、涵、隧、站接口數(shù)據(jù)，并進(jìn)行路基本體、支擋工程、邊坡防護(hù)、地基處理、排水工程等設(shè)計；最后基于模型進(jìn)行工程量計算和二維出圖。鐵路路基BIM設(shè)計流程示意見圖1。

圖1 鐵路路基BIM設(shè)計流程示意圖

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

OpenRail Designer是Bentley軟件公司專門為鐵路BIM設(shè)計打造的軟件平臺，為鐵路BIM設(shè)計提供解決方案，該軟件平臺包含鐵路線路、地形模型等基礎(chǔ)模塊。具體的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作如下：

（1）線路設(shè)計。通過在設(shè)計系統(tǒng)中開發(fā)線路數(shù)據(jù)接口，讀取線路平縱斷面要素，生成三維線位。線路設(shè)計界面見圖2。

圖2 線路設(shè)計界面

（2）地面模型設(shè)計。使用OpenRail Designer原生功能讀取1∶2 000圖中的等高線或高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成地面三角網(wǎng)模型（DTM），但實際使用過程中存在生成速度慢、數(shù)據(jù)預(yù)處理流程多等問題。為此設(shè)計系統(tǒng)自行開發(fā)了通過讀取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確生成地面三角網(wǎng)模型的工具。地面模型設(shè)計界面見圖3。

圖3 地面模型設(shè)計界面

（3）地質(zhì)參數(shù)設(shè)置。現(xiàn)階段鐵路路基專業(yè)無法直接使用地質(zhì)專業(yè)BIM模型進(jìn)行路基檢算，設(shè)計系統(tǒng)將地質(zhì)參數(shù)和地層信息綁定在線路上，在路基設(shè)計過程中讀取地質(zhì)參數(shù)和地層信息，用于路基工程檢算。地質(zhì)參數(shù)設(shè)置界面見圖4。

圖4 地質(zhì)參數(shù)設(shè)置界面

3 基本參數(shù)設(shè)置

路基設(shè)計的基本參數(shù)包括：路基設(shè)計原則、路基參數(shù)化構(gòu)件參數(shù)、橋涵隧站接口數(shù)據(jù)設(shè)置。

（1）在路基設(shè)計原則中，對路基路面設(shè)計原則、路塹設(shè)計原則和路堤設(shè)計原則等進(jìn)行設(shè)置，用于生成初始化的路基模型。

（2）由于OpenRail Designer的實體參數(shù)化功能較弱，創(chuàng)建路基工程模型時存在大量重復(fù)工作，且隨著設(shè)計階段的改變，需要重新創(chuàng)建模型并重新附加信息，模型利用率低、功能單一。通過建立路基參數(shù)化構(gòu)件庫，可提高建模和信息附加的效率。設(shè)計系統(tǒng)采用SQLite數(shù)據(jù)庫對路基構(gòu)件數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，系統(tǒng)運(yùn)行時讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)開發(fā)的構(gòu)件生成模塊和信息附加模塊可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和計算，實現(xiàn)在創(chuàng)建模型的同時完成信息附加。路基參數(shù)化構(gòu)件數(shù)據(jù)庫見圖5。

（3）橋涵隧站接口數(shù)據(jù)主要包括橋涵隧站名稱、起止里程、排水方式等參數(shù)。路基接口專業(yè)工程變更與調(diào)整對路基工程造成影響的，可通過調(diào)整接口數(shù)據(jù)對路基模型進(jìn)行快速修改。

圖5 路基參數(shù)化構(gòu)件數(shù)據(jù)庫

4 路基工程設(shè)計

在設(shè)計系統(tǒng)中路基工程BIM設(shè)計的基本原則為：根據(jù)路基工程構(gòu)件設(shè)計的先后順序組織設(shè)計，即前一項工程設(shè)計結(jié)束的位置為后一項工程設(shè)計開始的位置［7-8］。設(shè)計中引入“連接線”的概念，“連接線”起到連接2個工程構(gòu)件的作用，將其設(shè)置于本工程構(gòu)件的結(jié)束邊界與后面的工程構(gòu)件相互連接的位置。采用這種設(shè)計方式，系統(tǒng)可對路基工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分解，并理清構(gòu)件之間的邏輯關(guān)系，將每個細(xì)節(jié)的設(shè)計做成1個功能模塊，從局部到整體層層裝配，最后設(shè)計出1套符合設(shè)計理念、精度高、易于修改的路基模型。

4.1 路基本體

依托三維線位和路面設(shè)計參數(shù)完成路基面、路肩及路肩線設(shè)計，路肩線作為后續(xù)工程設(shè)計的連接線。根據(jù)路肩線、地面模型和邊坡設(shè)計參數(shù)，生成路堤邊坡和路塹邊坡。根據(jù)邊坡坡腳連接線和排水溝、側(cè)溝參數(shù)，生成排水溝和側(cè)溝。路基本體設(shè)計模型見圖6。

圖6 路基本體設(shè)計模型

4.2 支擋工程

居都谷—香格里拉區(qū)間路基主要支擋工程為重力式擋土墻和衡重式樁基托梁擋土墻。設(shè)計系統(tǒng)將常用路基支擋工程參數(shù)置于SQLite中管理，在布置構(gòu)件時，系統(tǒng)通過調(diào)用參數(shù)，使用內(nèi)部算法計算生成模型，并在模型空間中顯示。創(chuàng)建模型時，選擇路肩線作為連接線，選擇起止里程生成擋土墻，生成時讀取保存在線路上的地質(zhì)參數(shù)和地層信息，檢算擋土墻埋深與范圍，擋土墻生成后邊坡與擋土墻自動擬合。支擋工程設(shè)計模型見圖7。

圖7 支擋工程設(shè)計模型

4.3 邊坡防護(hù)

試點(diǎn)項目的邊坡防護(hù)措施主要為人字形骨架護(hù)坡和土工格柵。護(hù)坡工程的參數(shù)管理與支擋工程一致，路堤地段骨架護(hù)坡創(chuàng)建以路堤邊坡的坡頂線為連接線、坡腳線為結(jié)束邊界線，并與坡面緊密貼合；路塹地段以路塹邊坡的坡腳線為連接線、坡頂線為結(jié)束邊界線，并與坡面緊密貼合。骨架護(hù)坡設(shè)計模型見圖8。土工格柵的創(chuàng)建與骨架護(hù)坡近似，不再贅述。

圖8 骨架護(hù)坡設(shè)計模型

4.4 地基處理

4.4.1 挖除換填

在路基設(shè)計中，挖除換填設(shè)計的靈活性較大，通過建立參數(shù)化構(gòu)件實現(xiàn)設(shè)計的難度較大，且設(shè)計合理性有待驗證，因此采用二、三維結(jié)合的手段開展設(shè)計。設(shè)計系統(tǒng)提供了橫斷面剖切功能，在指定里程處剖切路基，并將橫斷面保存在二維模型空間中。首先在橫斷面中繪制挖除換填線，再通過坐標(biāo)變換將挖除換填線放置于三維模型空間中，最后利用空間挖除換填線擬合生成新的挖除換填設(shè)計模型（見圖9）。

圖9 挖除換填設(shè)計模型

4.4.2 復(fù)合地基

在DK129+900—DK130+710基床下方采用水泥土攪拌樁加固地基，在挖除換填設(shè)計生成新的地面模型的基礎(chǔ)上開展水泥土攪拌樁的設(shè)計，讀取地質(zhì)參數(shù)和地層信息，檢算地基處理長度與范圍。進(jìn)行水泥土攪拌樁加固處理的地段為軟黏土層較厚段落，地基處理樁基均打穿軟黏土層進(jìn)入粉質(zhì)黏土層，符合設(shè)計原則要求，設(shè)計樁長合理。復(fù)合地基設(shè)計模型見圖10。

圖10 復(fù)合地基設(shè)計模型

4.5 排水工程設(shè)計

路基排水設(shè)計是深化和優(yōu)化設(shè)計的需要［9］。在路基本體設(shè)計中，路堤邊坡的坡腳與地面緊密貼合，排水溝順著坡腳線布置，由于地面起伏不定，無法滿足排水要求。排水溝設(shè)計模塊可通過修改對應(yīng)里程處的溝底高程實現(xiàn)排水設(shè)計，符合設(shè)計習(xí)慣，操作方便、自動化程度高，有助于排水工程深化設(shè)計。排水工程設(shè)計模型見圖11。

4.6 信息附加

設(shè)計系統(tǒng)賦予構(gòu)件屬性，摒棄通過外部插件EC ClassEditor編輯信息再附加信息的方式，而是在系統(tǒng)內(nèi)部開發(fā)屬性信息模塊，實現(xiàn)信息附加。首先基于Open?Rail Designer編寫ECSchema信息附加的模塊，然后定義構(gòu)件屬性的參數(shù)類（任意屬性均可定義），并根據(jù)ECSchema基本架構(gòu)劃分屬性的層級關(guān)系。裝配構(gòu)件的同時，EC工具能夠動態(tài)創(chuàng)建ECSchema，并將屬性信息附加至構(gòu)件，實現(xiàn)創(chuàng)建模型的同時完成相關(guān)屬性信息的附加，提高信息附加效率，確保信息準(zhǔn)確性。查看衡重式擋土墻屬性信息的界面見圖12。

圖12 衡重式擋土墻屬性信息界面

5 文件輸出

5.1 工程量計算

Bentley軟件自帶的數(shù)量統(tǒng)計功能，只能簡單統(tǒng)計模型的體積、面積，不能滿足路基工程數(shù)量計算的需求。設(shè)計系統(tǒng)在路基工程數(shù)量計算模塊中，將所有需要統(tǒng)計的工程按部位進(jìn)行細(xì)分，統(tǒng)計時從已建立完成的模型中獲取工程結(jié)構(gòu)對應(yīng)的部位，并統(tǒng)計該部位的數(shù)量、材料類型和單位等數(shù)據(jù)，逐個統(tǒng)計完成后進(jìn)行匯總，即可得到該工程的工程數(shù)量，最終將計算結(jié)果按照特定格式輸出到Excel表格。

5.2 二維出圖

目前，基于Bentley平臺的鐵路路基BIM技術(shù)應(yīng)用，還無法直接使用三維模型指導(dǎo)施工，而Bentley軟件自帶的出圖功能還不能滿足路基二維出圖的需求。因此，設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)了1套采用基于三維模型的二維出圖工具，通過對模型進(jìn)行剖切、投影，生成二維圖紙，以輸出設(shè)計成果（見圖13）。

6 模型管理

鐵路路基工點(diǎn)項目包含眾多路基工程構(gòu)件，且沿線路布置距離較長。為方便對某一具體工程構(gòu)件進(jìn)行定位和修改，需要對工程項目中路基BIM構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一管理，給構(gòu)件附加定位信息，以便修改時能快速定位對應(yīng)構(gòu)件［10］。設(shè)計系統(tǒng)采用構(gòu)件IFD編碼+里程信息的方式識別項目中每個構(gòu)件［11］。定位信息是構(gòu)件的唯一識別碼，作為屬性附加于構(gòu)件上，程序遍歷所有構(gòu)件屬性信息中的定位信息，通過讀取預(yù)先定義好的構(gòu)件層級關(guān)系，最終按照層級關(guān)系生成路基工程項目結(jié)構(gòu)樹，并通過點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹中的節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)工程構(gòu)件的快速、準(zhǔn)確定位（見圖14）。

圖13 二維出圖界面

7 問題與建議

（1）由于Bentley軟件參數(shù)化功能較弱［12］，路基BIM設(shè)計軟件定制路基參數(shù)化構(gòu)件的方式，完全通過二次開發(fā)的程序驅(qū)動創(chuàng)建，對專業(yè)人員的軟件開發(fā)能力要求較高，開發(fā)工作量較大；路基工程構(gòu)件新增類型較多，要求構(gòu)件庫具有較強(qiáng)的可擴(kuò)充性，需要豐富構(gòu)件的生產(chǎn)方式，滿足一般設(shè)計人員對構(gòu)件庫進(jìn)行擴(kuò)充的需求［13］。針對這種情況，需要將參數(shù)化構(gòu)件與不可參變構(gòu)件結(jié)合使用，建立構(gòu)件時需對構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行分析、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，最后進(jìn)行組裝。

圖14 路基BIM結(jié)構(gòu)樹

（2）在復(fù)合地基設(shè)計中，復(fù)合地基模型還無法與地質(zhì)專業(yè)地層模型結(jié)合，以檢算地基處理長度與范圍。現(xiàn)階段只能用地層信息與地質(zhì)參數(shù)檢算，可視化效果較差。目前，路基工程檢算（包括沉降分析、邊坡穩(wěn)定分析等）均無法應(yīng)用于路基BIM設(shè)計，需要打通與地質(zhì)BIM的數(shù)據(jù)接口，并將傳統(tǒng)檢算方法應(yīng)用于三維模型，這需要路基專業(yè)人員與軟件研發(fā)人員進(jìn)一步深入研究。

（3）利用基于三維模型的二維出圖指導(dǎo)施工，與傳統(tǒng)設(shè)計方法無異。將三維模型作為交付成果，以三維模型和二維圖紙結(jié)合的方式指導(dǎo)施工，并且逐步取代二維圖紙，是未來路基BIM成果交付研究的重點(diǎn)。

（4）信息是BIM的靈魂，沒有賦予信息的三維模型不能稱為BIM模型。工程信息在各階段間的傳遞是BIM技術(shù)推廣應(yīng)用的一大瓶頸，要建立完善的信息附加與信息篩選機(jī)制確保信息準(zhǔn)確傳遞［14］。在設(shè)計階段，要篩選規(guī)劃階段有應(yīng)用價值的信息，利用這些信息設(shè)計、生成模型并附加相應(yīng)信息，再傳遞至施工階段。設(shè)計系統(tǒng)將信息附加的方法寫入程序，在模型創(chuàng)建時即實現(xiàn)了將信息綁定于模型，不僅節(jié)約了手動附加信息的時間，還方便了信息的篩選、修改和擴(kuò)充。

8 結(jié)束語

與傳統(tǒng)利用二維圖紙建立三維模型不同，正向設(shè)計是從無到有的過程，即在只有設(shè)計概念的狀態(tài)下，由工程設(shè)計人員收集各種原始資料，經(jīng)過計算分析、審核優(yōu)化等過程，最終得到相對合理的設(shè)計成果。隨著BIM在鐵路行業(yè)的深入應(yīng)用，逆向翻模的方式將逐漸淘汰，正向設(shè)計已成大勢所趨?；贐entley平臺的鐵路路基BIM正向設(shè)計研究表明，該鐵路正向設(shè)計路線現(xiàn)實可行，應(yīng)加大二次開發(fā)力度，使其滿足鐵路設(shè)計的習(xí)慣和需求，提高BIM設(shè)計效率。

依托麗香鐵路路基工程，結(jié)合BIM設(shè)計特點(diǎn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在OpenRail Designer軟件平臺上開發(fā)路基BIM設(shè)計系統(tǒng)，提高了設(shè)計的效率與精度，為路基BIM設(shè)計提供了有效的解決方案，其成果為后續(xù)應(yīng)用打下良好的模型與信息基礎(chǔ)，并為鐵路工程各專業(yè)開展BIM正向設(shè)計及BIM應(yīng)用提供了借鑒與指導(dǎo)。然而，BIM設(shè)計取代傳統(tǒng)二維設(shè)計需要一個長期發(fā)展的過程，有待鐵路工程設(shè)計單位進(jìn)一步研究，通過開展更加深入的二次開發(fā)工作，確保鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用走上可持續(xù)發(fā)展道路。