王英杰 常 宇 周亞坤 康彥波

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043；3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

隨著京張、京雄高鐵開通運營，我國高速鐵路進入了智能創(chuàng)新引領(lǐng)階段[1]。當(dāng)前建筑信息模型(Building Information Model，簡稱BIM)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)相融合，構(gòu)建鐵路規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維全壽命可追溯閉環(huán)體系，由此可見，BIM技術(shù)已成為構(gòu)建智能高速鐵路體系框架的核心手段之一[2]。

鐵路建設(shè)項目涵蓋線路、軌道、路基、橋梁、隧道等多個專業(yè)，BIM技術(shù)憑借其信息多元、三維可視、易于協(xié)同等優(yōu)勢逐漸被應(yīng)用到鐵路設(shè)計、建造的多個方面。王同軍提出，應(yīng)建立以工程數(shù)據(jù)對象為核心，基于BIM技術(shù)的鐵路工程建設(shè)協(xié)同管理模式，并形成我國鐵路工程建設(shè)協(xié)同管理的理論基礎(chǔ)[3]。劉為群介紹BIM鐵路聯(lián)盟組織制定和發(fā)布的中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，并將其應(yīng)用到多個線路、車站設(shè)計中[4]。靳猛依托銀西鐵路項目，利用Autodesk平臺開展了鐵路路基BIM設(shè)計實踐，探討了該平臺在路基設(shè)計中的重難點問題[5]。王欣睿以京張高鐵清河站為例，將BIM技術(shù)的碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計等功能應(yīng)用到了交通樞紐管線設(shè)計中[6]。張軒以Bentley平臺為技術(shù)支撐敘述了BIM技術(shù)在隧道建模中的應(yīng)用，同時對鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)進行了驗證[7]。

鐵路線路設(shè)計是鐵路建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，貫穿從設(shè)計、施工到運維的各個階段，是鐵路行業(yè)信息化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)?；贏utodesk Revit軟件開發(fā)了鐵路線路三維信息平臺，利用線路平面、縱斷面等資料生成線路中心線，進而構(gòu)建線路三維空間模型，將各種構(gòu)筑物族按照線路設(shè)計里程進行布設(shè)，完成線路三維信息平臺開發(fā)。所搭建的鐵路線路三維信息平臺可反映鐵路設(shè)計、建造、運維等全生命周期內(nèi)的各類工程信息，實現(xiàn)BIM技術(shù)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計及覆蓋全生命周期的特性。

1 鐵路線路三維信息平臺開發(fā)

鐵路線路設(shè)計平、縱斷面是鐵路建造的基礎(chǔ)資料，其決定了各種構(gòu)筑物(如路基、橋梁、隧道等)的具體空間位置。目前鐵路線路設(shè)計成果大多采用二維成果，同時以郵件、會議等形式來完成與各專業(yè)的協(xié)同工作。從理論上講，單純采用二維圖紙來描述鐵路三維空間位置并不合理，無法實現(xiàn)所見即所得，同時還帶來各專業(yè)間信息溝通不暢[8]。BIM技術(shù)可應(yīng)用于線路空間信息、工程結(jié)構(gòu)實體、功能特征信息等的數(shù)字化表達，為勘察、設(shè)計、施工、運營和維護等多部門提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺，進而完成設(shè)計、建造及運維的可追溯閉環(huán)管理[9]。通過搭建鐵路線路三維信息平臺，既可提升線路設(shè)計效率和質(zhì)量，還可為建造及后期運維等提供信息平臺。

1.1 平臺簡介

某鐵路線路三維信息平臺的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，鐵路線路三維信息平臺主要包含三部分：線路中心線、三維可視化模型和三維信息平臺。首先，由線路平、縱斷面圖紙等資料確定線路中心線三維空間線形，將其作為平臺搭建立體空間模型的基礎(chǔ)。其次是三維可視化模型，通過構(gòu)建沿線路里程分布的不同構(gòu)筑物三維模型，包括軌道、路基、橋梁、隧道、站場、通信、信號、機輛及其他設(shè)備設(shè)施等，完成三維信息平臺可視化的要求，從而得到完整直觀的三維空間實體模型。在三維可視化模型的基礎(chǔ)上，賦予線路設(shè)計、施工、運維各階段所需要的不同信息，包含幾何屬性、工程實體特征、工程管理信息、監(jiān)測維護數(shù)據(jù)等，最終生成鐵路線路三維信息平臺。

圖1 鐵路線路三維信息平臺組成

基于BIM技術(shù)的線路三維信息平臺覆蓋了鐵路設(shè)計、施工和運維的全生命周期，利用數(shù)字化、智能化、信息化技術(shù)可以在平臺上實現(xiàn)各種鐵路構(gòu)筑物數(shù)據(jù)模型的過渡與銜接。在設(shè)計階段基于線路三維空間模型可實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，從而避免信息溝通不暢，有效提高工程設(shè)計質(zhì)量。在施工階段，BIM技術(shù)包含豐富的施工信息，可應(yīng)用于工程量核算、施工進度可視化、施工組織安排等，對保證工期、節(jié)約成本意義重大，也為數(shù)字化建造提供了基礎(chǔ)。運維階段是BIM技術(shù)收益最大的階段，可用于設(shè)備管理、養(yǎng)護維修等。在線路三維信息平臺應(yīng)用中，要處理好設(shè)計、施工階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息向運維階段的移交和運用。

1.2 開發(fā)平臺選擇

當(dāng)前常用的BIM建模軟件主要有Autodesk、Bentley、Dassault等幾家公司的相關(guān)軟件，如圖2所示[10-13]。

圖2 常用BIM建模軟件

對于線路線形建模，常用的軟件有Autodesk公司的Civil3D及Bentley公司的PowerCivil，二者均具有面向鐵路、道路等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計的特性，且對線形三維曲線、隧道帶狀模型支持能力強。與PowerCivil的輕量化處理能力相比，Civil3D在模型輕量化處理方面相對較差，且數(shù)據(jù)量過大會導(dǎo)致軟件運行遲緩，這也使得PowerCivil更適用于線路較長的鐵路工程。對于實體構(gòu)筑物建模而言，Dassault公司的CATIA雖在復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模方面優(yōu)勢顯著，但其操作復(fù)雜且價格昂貴，造成學(xué)習(xí)成本較高，不易推廣普及。與CATIA相比，Dassault公司的Solidworks和Autodesk公司的Revit操作相對簡單，在我國本土化應(yīng)用方面較好。在建模能力方面，Revit較Solidworks更為強大。另外，Revit具有參數(shù)化、族庫豐富、信息集成等諸多優(yōu)點，在參數(shù)化建模、多專業(yè)配合方面擁有事半功倍的優(yōu)勢。

根據(jù)鐵路線路特點及三維信息平臺開發(fā)要求，利用Bentley公司的PowerCivil完成三維空間線形模型，在此基礎(chǔ)上以Autodesk公司的Revit開發(fā)鐵路線路BIM信息平臺。

1.3 開發(fā)設(shè)計流程

鐵路線路三維信息平臺開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 線路三維信息平臺開發(fā)流程

鐵路線路三維信息平臺開發(fā)流程如下。

①確定工程信息：獲取搭建平臺所需的工程基本信息，包括線路平面和縱斷面圖紙、各種構(gòu)筑物圖紙等設(shè)計資料。

②建立線路中心線三維線形：利用平面和縱斷面圖紙等資料在PowerCivil中繪制線路中心線三維線形，并將其導(dǎo)入到Revit模型中，用于后續(xù)建模。

③建立三維構(gòu)筑物族：利用構(gòu)筑物設(shè)計資料中的尺寸信息，在Revit中建立各類構(gòu)筑物的三維模型，通過自適應(yīng)族建立三維族庫，為后續(xù)模型搭建做準(zhǔn)備。

④沿三維線路中心線布設(shè)各類構(gòu)筑物：根據(jù)各類構(gòu)筑物沿線位置，利用Dynamo命令將三維構(gòu)筑物族沿線路里程布設(shè)，搭建完整的線路三維模型。

⑤建立線路三維信息平臺：利用Revit平臺各族的信息提取與更新功能，為鐵路工程項目提供覆蓋全生命周期的信息支持。

2 工程設(shè)計案例

2.1 工程概況

以某區(qū)間鐵路線路三維信息平臺為例來說明開發(fā)過程。所選線路區(qū)間里程為K0+000～K18+600，共計18.6 km，包括車站3座。該段線路所經(jīng)區(qū)域地勢起伏較大且水域豐富，涉及多條河流及一座水庫。為避開相關(guān)水域，平面設(shè)計時設(shè)置了3處曲線。同時，結(jié)合地形特征縱斷面采用多種敷設(shè)方式，包含路基2段，共計4.7 km；橋梁5座，共計6.8 km；隧道2座，共計5.3 km。因此，在BIM建模中需要生成含平面曲線的三維中心線空間線形，并沿三維線形布置不同構(gòu)筑物族庫，這也是本項目信息平臺開發(fā)中的難點。

2.2 生成線路中心線

利用Bentley公司的PowerCivil，結(jié)合所建區(qū)間線路的平、縱斷面圖紙生成線路中心線三維線形。圖4為Bentley公司PowerCivil的操作界面，其具有強大的繪圖與線路設(shè)計功能，是一款針對交通線路專業(yè)的BIM軟件。

圖4 PowerCivil軟件操作界面

線路平面可以通過在參考工具中直接導(dǎo)入線路平面CAD文件或是運用PowerCivil平面幾何工具進行繪制，再將其添加到視圖中。線路縱斷面可以通過縱面幾何工具，依據(jù)樁號、高程、坡度、豎曲線等元素繪制縱斷面設(shè)計線形。圖5展示了利用PowerCivil創(chuàng)建的線路平、縱斷面線形，這為后續(xù)生成線路中心線三維線形提供了基礎(chǔ)。

圖5 PowerCivil創(chuàng)建的平、縱斷面線形

利用PowerCivil創(chuàng)建完線路平、縱斷面線形后，再利用廊道模型工具欄中的創(chuàng)建廊道工具將平、縱斷面線形結(jié)合起來生成廊道線形。而后將廊道線形通過PowerCivil導(dǎo)出為三維線形，即為線路中心線三維線形?？蓪⑵鋵?dǎo)出為dwg格式文件，利用Autodesk CAD打開該文件，即得到線路中心線三維線形，如圖6所示。

圖6 線路中心線三維線形

2.3 三維建模

首先在Revit中建立項目所需的族庫，通過將dwg格式的二維設(shè)計圖紙導(dǎo)入Revit中建立各種構(gòu)筑物的族，如路基族、橋梁族、隧道族等，將其作為線路上各構(gòu)筑物的三維模型基礎(chǔ)元件，如圖7所示。而后通過建立自適應(yīng)族將構(gòu)筑物元件布設(shè)在線路上，即在族內(nèi)插入自適應(yīng)點，使構(gòu)筑物族隨自適應(yīng)點自由移動。當(dāng)自適應(yīng)點移動到分割好的線路路徑上時，便自動捕捉路徑上的控制點，進而將構(gòu)筑物族放置到線路上進行拼接，得到完整的構(gòu)筑物模型。

圖7 不同構(gòu)筑物構(gòu)件族

以曲線段隧道構(gòu)筑物的創(chuàng)建為例進行說明。采用Revit自帶的開源可視化編程平臺Dynamo將構(gòu)建好的隧道族布設(shè)在線路上[14]。通過在Dynamo工作空間內(nèi)創(chuàng)建一系列節(jié)點指令，利用其參數(shù)化建模優(yōu)勢來完成隧道族部件的布設(shè)工作，如圖8(a)所示。首先在Revit中選擇線路中心線三維模型，獲取隧道區(qū)段對應(yīng)的曲線，再以等距離長度在曲線上劃出一定數(shù)量的點，利用新劃分的點將曲線分割成一系列新的短曲線。通過獲取短曲線的起點和終點，將其坐標(biāo)列于坐標(biāo)列表中，再根據(jù)每段曲線的坐標(biāo)點放置隧道族，便得到隧道構(gòu)筑物模型，如圖8(b)所示。需要注意的是，由于曲線地段存在超高，導(dǎo)致線路中心線和隧道中心線存在一定偏差，在布設(shè)隧道族時同樣需要考慮超高的影響。

圖8 通過Dynamo建立曲線隧道

同樣，將路基、橋梁等各類構(gòu)筑物在Revit中沿線路中心線三維線形進行布設(shè)，可得到完整的線路三維信息平臺，如圖9所示。

圖9 線路三維信息平臺

2.4 平臺功能演示

鐵路線路三維信息平臺具有覆蓋項目全生命周期信息的功能。利用Revit平臺中視圖選項下的明細表工具，既可以提取項目所有構(gòu)件的清單列表，還能對所需信息進行修改和統(tǒng)計。在設(shè)計階段(即三維信息模型建立初期)可通過屬性編輯器定義各構(gòu)件的初始屬性及信息。在完成全部線路三維模型后，通過選擇統(tǒng)計對象并創(chuàng)建明細表，可以生成同一種構(gòu)件的完整統(tǒng)計明細[15]。圖10為Revit平臺建立構(gòu)筑物明細表的過程。

圖10 在Revit中建立明細表

從初步設(shè)計到施工圖設(shè)計階段，由于設(shè)計條件發(fā)生變化，可能導(dǎo)致構(gòu)筑物信息更改，如調(diào)整橋跨設(shè)置等，這些變化都可以在三維信息平臺中完成，如圖11所示。同樣，在后續(xù)的施工、運維階段，可建立構(gòu)件基本信息動態(tài)鏈接庫，一旦構(gòu)件信息發(fā)生變化，便可在三維信息平臺中自動更改，從而實現(xiàn)構(gòu)筑物全生命周期信息跟蹤的動態(tài)管理。

3 結(jié)論與展望

智能高鐵是我國高速鐵路發(fā)展的趨勢，符合交通強國建設(shè)戰(zhàn)略。BIM技術(shù)融合智能化、信息化等手段，可實現(xiàn)鐵路項目的全生命周期管理，有效支撐我國智能高鐵建設(shè)。在利用PowerCivil得到線路中心線三維

圖11 不同階段項目信息更新

線形的基礎(chǔ)上，運用Autodesk Revit建立了鐵路線路三維信息平臺，對線路構(gòu)筑物三維建模、工程信息提取等提供了一種可行的解決方案，為鐵路項目在設(shè)計、施工、運維各階段實現(xiàn)信息化管理搭建可操作的平臺基礎(chǔ)，具有一定的實用性和參考價值。同時，在三維信息平臺基礎(chǔ)上，通過對各構(gòu)筑物族庫及其信息進行二次開發(fā)，可進一步豐富平臺功能，實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)調(diào)互通，有效提升管理水平和工作效率。