張高揚(yáng)

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)自產(chǎn)生以來,已在建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并產(chǎn)生大量的專業(yè)設(shè)計(jì)工具。 相較于建筑工程,鐵路工程專業(yè)更多、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,對(duì)BIM 技術(shù)要求也更高[1]。 目前,鐵路工程設(shè)計(jì)正處于傳統(tǒng)二維文檔化設(shè)計(jì)向信息數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)的過渡階段,BIM 技術(shù)將在后續(xù)設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位[2]。

在中國(guó)鐵路BIM 聯(lián)盟主導(dǎo)下,我國(guó)已經(jīng)初步建立較為完善的鐵路BIM 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系[3-4]。 目前常用鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)軟件有Autodesk 平臺(tái)下的Civil3D,Revit、Bentley 平臺(tái)下的OpenRailDesigner 和Dassault System 等[5-7],這些軟件中均有針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的部分功能,如軌枕布設(shè)、軌道超高設(shè)計(jì)、有砟道床設(shè)計(jì)、道岔設(shè)計(jì)等[8-9],但是這些軟件的設(shè)計(jì)功能、本地化及可定制性尚不能滿足我國(guó)高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)的要求,故部分學(xué)者對(duì)軌道BIM 設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的探索和研究,并基于常用的BIM 設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)功能的二次開發(fā)。 隨著我國(guó)高速鐵路各類無砟軌道結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用,迫切需要能夠滿足復(fù)雜情況下高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件。

利用Bentley 平臺(tái)文件格式統(tǒng)一、大體量模型支撐能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),基于MicroStation 開發(fā)適用于高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。 MicroStation 是Bentley 面向全球基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)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(jí)渲染和可視化以及擴(kuò)展的行業(yè)應(yīng)用。 MicroStation 的二次開發(fā)語言主要有: MicroStation VBA(簡(jiǎn)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(jié)合常用的線路、橋梁等專業(yè)數(shù)據(jù)成果,針對(duì)高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開發(fā),設(shè)計(jì)成果符合中國(guó)鐵路BIM 聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12-13],可實(shí)現(xiàn)專業(yè)間數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)及各類線下基礎(chǔ)上雙塊式無砟軌道模型的全自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

1 需求分析

鐵路軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)備等[14]。 為滿足高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)需求,將軌道專業(yè)構(gòu)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(jìn)行放置的構(gòu)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(shè)計(jì)首先需要建立完善的軌道專業(yè)構(gòu)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(shè)計(jì)特點(diǎn)來說,鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)可劃分為站場(chǎng)軌道BIM 設(shè)計(jì)和區(qū)間軌道BIM 設(shè)計(jì)兩部分,這兩個(gè)部分既有區(qū)別又有相通之處,需針對(duì)車站和區(qū)間軌道BIM 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分別進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展,無砟軌道結(jié)構(gòu)形式得到廣泛應(yīng)用,本次主要針對(duì)我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)中常用的雙塊式無砟軌道及CRTSⅢ型板式無砟軌道的BIM 設(shè)計(jì)開展研究。 其中,雙塊式無砟軌道的布設(shè)既有沿線路放置單元的特點(diǎn),也具有斷面輪廓拉伸放樣的特點(diǎn),故需針對(duì)雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)開發(fā)單獨(dú)的BIM 設(shè)計(jì)功能。 此外,針對(duì)CRTSⅢ型板式無砟軌道的設(shè)計(jì)特點(diǎn),還需開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)接口,以滿足CRTSⅢ型板式無砟軌道的BIM 設(shè)計(jì)需求[15]。

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

為充分實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道BIM 模型的應(yīng)用價(jià)值,模型內(nèi)各類軌道構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)》。 基于BIM 模型的相關(guān)信息,進(jìn)行軌道板配筋、軌道工程數(shù)量計(jì)算等方面的深入應(yīng)用,充分實(shí)現(xiàn)BIM 設(shè)計(jì)價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)功能分析

高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含工程管理、路線管理、有砟軌道設(shè)計(jì)、無砟軌道設(shè)計(jì)、工點(diǎn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)配筋和工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)7 大功能模塊,系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM 設(shè)計(jì)廣泛采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)手段,以標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn),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(duì)這種弊端,本次研究中,與線路、橋梁、站場(chǎng)等相關(guān)專業(yè)進(jìn)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(yīng)的專業(yè)間數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)格式,實(shí)現(xiàn)專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì),為軌道BIM 設(shè)計(jì)的信息化、自動(dòng)化打下基礎(chǔ)。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用組件選型

選擇Microstation 作為運(yùn)行和開發(fā)平臺(tái),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(yùn)行在Microstation 平臺(tái)上的插件來擴(kuò)展Microstation 的功能。

目前比較流行的單機(jī)版數(shù)據(jù)庫主要有Access 和Sqlite,從運(yùn)行性能、SQL 標(biāo)準(zhǔn)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(tái)數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)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(chǎng)等專業(yè)間數(shù)據(jù),此外,還有軌道專業(yè)設(shè)計(jì)過程中確定的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)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(diǎn),分別設(shè)計(jì)相應(yīng)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(chǔ)線路信息及項(xiàng)目的基本信息,包括線路基準(zhǔn)點(diǎn)、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(jié)構(gòu)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(shí),參照CRBIM 1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》,軌道結(jié)構(gòu)模型均以mm 為單位,按照1 ∶1 的比例進(jìn)行建模。 軌道結(jié)構(gòu)族庫按照國(guó)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(biāo)準(zhǔn)軌道板/段、加強(qiáng)設(shè)備及附屬設(shè)備等構(gòu)件。 另外,需要注意對(duì)各類構(gòu)件設(shè)定合適的放置基點(diǎn),如道岔一般以岔心作為布設(shè)基點(diǎn)。

道岔及伸縮調(diào)節(jié)器建模較為復(fù)雜,首先需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的扣件、軌枕等結(jié)構(gòu)部件,然后根據(jù)道岔/伸縮調(diào)節(jié)器布設(shè)圖進(jìn)行鋼軌、軌枕及扣件的布設(shè),最后進(jìn)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(shè)計(jì)

高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)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(gòu)件模塊

圖7 工點(diǎn)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(yīng)用過程中,對(duì)于平臺(tái)的承載能力要求較高,故采用“大場(chǎng)景軌道模型+參考模型”的方式進(jìn)行軌道BIM 模型的全方位展示,并很好地減輕平臺(tái)承載壓力。 大場(chǎng)景模型主要展示軌道的設(shè)計(jì)方案,不包含道床板、底座等各類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋及構(gòu)件的構(gòu)造細(xì)節(jié)等內(nèi)容;參考模型一般為各類線下基礎(chǔ)工點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)段軌道模型,包含鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型及各類構(gòu)造細(xì)節(jié)。 大場(chǎng)景模型通過在屬性信息中鏈接相應(yīng)參考模型進(jìn)行相應(yīng)細(xì)部模型展示。大場(chǎng)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(chǎng)景模型

圖11 雙塊式無砟軌道參考模型

高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)分為區(qū)間軌道BIM 設(shè)計(jì)和站場(chǎng)軌道BIM 設(shè)計(jì)兩大部分[16],均按照準(zhǔn)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料、進(jìn)行BIM 設(shè)計(jì)、屬性信息添加、軌道工程數(shù)量計(jì)算、BIM 模型校核等流程進(jìn)行(見圖12、圖13)。

圖12 站場(chǎng)軌道BIM 設(shè)計(jì)流程

圖13 區(qū)間軌道BIM 設(shè)計(jì)流程

區(qū)間軌道BIM 設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)備的設(shè)計(jì)資料有:線路數(shù)據(jù)、線下基礎(chǔ)工點(diǎn)表、軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、軌道族庫等;需要進(jìn)行的軌道BIM 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有:有砟軌道設(shè)計(jì)、CRTS 雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)、CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計(jì)等。 站場(chǎng)軌道BIM 設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)備的設(shè)計(jì)資料有:站場(chǎng)數(shù)據(jù)、線下基礎(chǔ)工點(diǎn)表、軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、軌道族庫等;需要進(jìn)行的軌道BIM 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有:站線有砟軌道設(shè)計(jì)、站線無砟軌道設(shè)計(jì)、站場(chǎng)道岔布設(shè)等。

作為軌道BIM 設(shè)計(jì)的最終成果,軌道BIM 模型除了包含軌道結(jié)構(gòu)各部件的幾何形體外,還需要包含各個(gè)構(gòu)件的屬性信息(幾何屬性和非幾何屬性信息)。為便于對(duì)BIM 模型進(jìn)行管理和使用,針對(duì)各類軌道構(gòu)件均設(shè)置相應(yīng)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(guān)規(guī)范要求來實(shí)現(xiàn),用戶僅需選擇相應(yīng)的構(gòu)件類型即可,同時(shí)用戶可通過修改配置文件來進(jìn)行屬性信息的定制。

4 結(jié)論

針對(duì)高速鐵路軌道專業(yè)BIM 設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行研究,基于MicroStation 軟件進(jìn)行二次開發(fā),形成高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)能夠自動(dòng)導(dǎo)入并處理線路、軌道、站場(chǎng)、路基、橋梁、隧道等多專業(yè)數(shù)據(jù),并建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫,在此基礎(chǔ)上,完成區(qū)間及站場(chǎng)內(nèi)的高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)。 相較于國(guó)內(nèi)其他BIM 設(shè)計(jì)軟件,可實(shí)現(xiàn)多專業(yè)間數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì),軟件內(nèi)置中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,可由設(shè)計(jì)人員靈活定制使用。

高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)系統(tǒng)已在鐵路BIM 設(shè)計(jì)項(xiàng)目中應(yīng)用,并得到實(shí)際工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)。 研究表明,該系統(tǒng)可有效提高高速鐵路軌道BIM 設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和高效性。