張高揚

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

BIM(Building Information Modeling)技術自產(chǎn)生以來,已在建筑領域得到廣泛應用,并產(chǎn)生大量的專業(yè)設計工具。 相較于建筑工程,鐵路工程專業(yè)更多、結構更復雜,對BIM 技術要求也更高[1]。 目前,鐵路工程設計正處于傳統(tǒng)二維文檔化設計向信息數(shù)據(jù)化設計的過渡階段,BIM 技術將在后續(xù)設計中占據(jù)重要地位[2]。

在中國鐵路BIM 聯(lián)盟主導下,我國已經(jīng)初步建立較為完善的鐵路BIM 設計標準體系[3-4]。 目前常用鐵路軌道BIM 設計軟件有Autodesk 平臺下的Civil3D,Revit、Bentley 平臺下的OpenRailDesigner 和Dassault System 等[5-7],這些軟件中均有針對軌道結構設計的部分功能,如軌枕布設、軌道超高設計、有砟道床設計、道岔設計等[8-9],但是這些軟件的設計功能、本地化及可定制性尚不能滿足我國高速鐵路軌道BIM 設計的要求,故部分學者對軌道BIM 設計進行了相應的探索和研究,并基于常用的BIM 設計軟件進行軌道設計功能的二次開發(fā)。 隨著我國高速鐵路各類無砟軌道結構形式廣泛應用,迫切需要能夠滿足復雜情況下高速鐵路軌道BIM 設計的專業(yè)軟件。

利用Bentley 平臺文件格式統(tǒng)一、大體量模型支撐能力強的優(yōu)點,基于MicroStation 開發(fā)適用于高速鐵路軌道BIM 設計的專業(yè)設計軟件。 MicroStation 是Bentley 面向全球基礎設施的設計、建造和運營而開發(fā)的集二維繪圖、三維建模和工程可視化于一體的完整解決方案,包括參數(shù)化要素建模、專業(yè)照片級渲染和可視化以及擴展的行業(yè)應用。 MicroStation 的二次開發(fā)語言主要有: MicroStation VBA(簡稱MVBA)、Addin(基于C#語言或其他. NET 開發(fā)語言)和MDL(基于C/C++)[10-11]。 本程序基于MicroStation CE Update10,結合常用的線路、橋梁等專業(yè)數(shù)據(jù)成果,針對高速鐵路軌道BIM 設計要求進行開發(fā),設計成果符合中國鐵路BIM 聯(lián)盟相關標準[12-13],可實現(xiàn)專業(yè)間數(shù)據(jù)級協(xié)同設計及各類線下基礎上雙塊式無砟軌道模型的全自動化設計。

1 需求分析

鐵路軌道結構構件種類多樣,主要包含鋼軌、軌枕、扣件、道岔、伸縮調(diào)節(jié)器、有砟道床、無砟道床、無縫線路以及軌道附屬設備等[14]。 為滿足高速鐵路軌道BIM 設計需求,將軌道專業(yè)構件分為兩大類,一類是軌枕、扣件、道岔、無砟軌道板等沿線路或空間曲線進行放置的構件型單元;另一類是鋼軌、有砟道床等沿線路或空間曲線拉伸放樣的斷面輪廓型單元。 高速鐵路軌道BIM 設計首先需要建立完善的軌道專業(yè)構件單元庫和斷面輪廓庫,形成完整的軌道專業(yè)族庫。

從空間位置和設計特點來說,鐵路軌道BIM 設計可劃分為站場軌道BIM 設計和區(qū)間軌道BIM 設計兩部分,這兩個部分既有區(qū)別又有相通之處,需針對車站和區(qū)間軌道BIM 設計的特點分別進行詳細設計。

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,無砟軌道結構形式得到廣泛應用,本次主要針對我國高速鐵路設計中常用的雙塊式無砟軌道及CRTSⅢ型板式無砟軌道的BIM 設計開展研究。 其中,雙塊式無砟軌道的布設既有沿線路放置單元的特點,也具有斷面輪廓拉伸放樣的特點,故需針對雙塊式無砟軌道結構開發(fā)單獨的BIM 設計功能。 此外,針對CRTSⅢ型板式無砟軌道的設計特點,還需開發(fā)相應的設計接口,以滿足CRTSⅢ型板式無砟軌道的BIM 設計需求[15]。

高速鐵路軌道BIM 設計需要綜合考慮線路、站場、路基、橋梁及隧道等相關專業(yè)的資料,為最大程度實現(xiàn)信息化、協(xié)同化設計,本次研究將軌道專業(yè)與相關專業(yè)的數(shù)據(jù)成果進行整合,無縫銜接相關專業(yè)的設計成果數(shù)據(jù),實現(xiàn)專業(yè)間協(xié)同設計。

為充分實現(xiàn)高速鐵路軌道BIM 模型的應用價值,模型內(nèi)各類軌道構件的信息深度及幾何精度參照CRBIM 1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標準》。 基于BIM 模型的相關信息,進行軌道板配筋、軌道工程數(shù)量計算等方面的深入應用,充分實現(xiàn)BIM 設計價值。

2 系統(tǒng)設計思路

2.1 系統(tǒng)功能分析

高速鐵路軌道BIM 設計系統(tǒng)包含工程管理、路線管理、有砟軌道設計、無砟軌道設計、工點自動化設計、結構配筋和工程數(shù)量統(tǒng)計7 大功能模塊,系統(tǒng)功能架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能架構

2.2 協(xié)同設計

BIM 設計廣泛采用先進計算機手段,以標準化的數(shù)據(jù)為其核心特征,高速鐵路涉及專業(yè)多,專業(yè)間數(shù)據(jù)傳遞需求較大。 目前,以AutoCAD 圖紙、Word 文檔以及Excel 文檔為主,缺乏相應的數(shù)據(jù)格式標準,成為阻礙專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)信息化水平提高的主要障礙。 針對這種弊端,本次研究中,與線路、橋梁、站場等相關專業(yè)進行溝通協(xié)商,基于各專業(yè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)成果格式,制定相應的專業(yè)間數(shù)據(jù)傳遞標準格式,實現(xiàn)專業(yè)間協(xié)同設計,為軌道BIM 設計的信息化、自動化打下基礎。

3 程序設計

3.1 開發(fā)平臺和應用組件選型

選擇Microstation 作為運行和開發(fā)平臺,使用VisualStudio 2012 作為開發(fā)工具。 Microstation 提供了基于. NET 的二次開發(fā)接口,通過C#編寫運行在Microstation 平臺上的插件來擴展Microstation 的功能。

目前比較流行的單機版數(shù)據(jù)庫主要有Access 和Sqlite,從運行性能、SQL 標準支持的程度和軟件發(fā)布便捷程度等方面來看,Sqlite 是更好的選擇,故決定采用Sqlite 作為后臺數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

高速鐵路軌道BIM 設計需要的數(shù)據(jù)類型較多,按照專業(yè)類別可劃分為路基、橋梁、隧道及站場等專業(yè)間數(shù)據(jù),此外,還有軌道專業(yè)設計過程中確定的設計原則及設計方案等專業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)。

根據(jù)各類數(shù)據(jù)的具體組成及其特點,分別設計相應的數(shù)據(jù)表。 以線路數(shù)據(jù)為例,數(shù)據(jù)庫Alignments.db主要存儲線路信息及項目的基本信息,包括線路基準點、線路平面信息、線路縱斷面信息、線路斷鏈信息等,其數(shù)據(jù)庫結構見圖2。

圖2 Alignments.db 數(shù)據(jù)庫示例

3.3 族庫創(chuàng)建

族庫創(chuàng)建時,參照CRBIM 1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標準》,軌道結構模型均以mm 為單位,按照1 ∶1 的比例進行建模。 軌道結構族庫按照國鐵和地鐵分別創(chuàng)建,主要包含鋼軌、接頭、扣件、軌枕、道岔、伸縮調(diào)節(jié)器以及無砟軌道各類標準軌道板/段、加強設備及附屬設備等構件。 另外,需要注意對各類構件設定合適的放置基點,如道岔一般以岔心作為布設基點。

道岔及伸縮調(diào)節(jié)器建模較為復雜,首先需要創(chuàng)建相應的扣件、軌枕等結構部件,然后根據(jù)道岔/伸縮調(diào)節(jié)器布設圖進行鋼軌、軌枕及扣件的布設,最后進行道岔及伸縮調(diào)節(jié)器部分的道床創(chuàng)建。

3.4 程序界面設計

高速鐵路軌道BIM 設計軟件各模塊界面見圖3～圖9。

圖3 工程管理模塊

圖4 路線模塊

圖5 通用模塊

圖6 構件模塊

圖7 工點布置模塊

圖8 鋼筋模塊

圖9 其他模塊

3.5 程序處理流程

鐵路軌道BIM 模型體量大,在展示和應用過程中,對于平臺的承載能力要求較高,故采用“大場景軌道模型+參考模型”的方式進行軌道BIM 模型的全方位展示,并很好地減輕平臺承載壓力。 大場景模型主要展示軌道的設計方案,不包含道床板、底座等各類鋼筋混凝土結構的配筋及構件的構造細節(jié)等內(nèi)容;參考模型一般為各類線下基礎工點上的標準段軌道模型,包含鋼筋混凝土結構模型及各類構造細節(jié)。 大場景模型通過在屬性信息中鏈接相應參考模型進行相應細部模型展示。大場景軌道模型和參考模型見圖10、圖11。

圖10 雙塊式無砟軌道大場景模型

圖11 雙塊式無砟軌道參考模型

高速鐵路軌道BIM 設計分為區(qū)間軌道BIM 設計和站場軌道BIM 設計兩大部分[16],均按照準備設計數(shù)據(jù)及相關資料、進行BIM 設計、屬性信息添加、軌道工程數(shù)量計算、BIM 模型校核等流程進行(見圖12、圖13)。

圖12 站場軌道BIM 設計流程

圖13 區(qū)間軌道BIM 設計流程

區(qū)間軌道BIM 設計需要準備的設計資料有:線路數(shù)據(jù)、線下基礎工點表、軌道設計數(shù)據(jù)、軌道族庫等;需要進行的軌道BIM 設計內(nèi)容主要有:有砟軌道設計、CRTS 雙塊式無砟軌道設計、CRTSⅢ型板式無砟軌道設計等。 站場軌道BIM 設計需要準備的設計資料有:站場數(shù)據(jù)、線下基礎工點表、軌道設計數(shù)據(jù)、軌道族庫等;需要進行的軌道BIM 設計內(nèi)容主要有:站線有砟軌道設計、站線無砟軌道設計、站場道岔布設等。

作為軌道BIM 設計的最終成果,軌道BIM 模型除了包含軌道結構各部件的幾何形體外,還需要包含各個構件的屬性信息(幾何屬性和非幾何屬性信息)。為便于對BIM 模型進行管理和使用,針對各類軌道構件均設置相應圖層和材質(zhì)。 模型的屬性信息、圖層及材質(zhì)均采用軟件內(nèi)置相關規(guī)范要求來實現(xiàn),用戶僅需選擇相應的構件類型即可,同時用戶可通過修改配置文件來進行屬性信息的定制。

4 結論

針對高速鐵路軌道專業(yè)BIM 設計內(nèi)容進行研究,基于MicroStation 軟件進行二次開發(fā),形成高速鐵路軌道BIM 設計系統(tǒng)。 該系統(tǒng)能夠自動導入并處理線路、軌道、站場、路基、橋梁、隧道等多專業(yè)數(shù)據(jù),并建立相應的設計數(shù)據(jù)庫,在此基礎上,完成區(qū)間及站場內(nèi)的高速鐵路軌道BIM 設計。 相較于國內(nèi)其他BIM 設計軟件,可實現(xiàn)多專業(yè)間數(shù)據(jù)級協(xié)同設計,軟件內(nèi)置中國鐵路BIM聯(lián)盟相關標準要求,可由設計人員靈活定制使用。

高速鐵路軌道BIM 設計系統(tǒng)已在鐵路BIM 設計項目中應用,并得到實際工程項目的檢驗。 研究表明,該系統(tǒng)可有效提高高速鐵路軌道BIM 設計的準確性和高效性。