劉彥明，朱肖，崔鳴

（1.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西 西安 710043；2.中國鐵建BIM工程實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西 西安 710043）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等五大特點(diǎn)，基于BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的全生命周期管理［1］。近年來，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，對BIM正向設(shè)計的研究探索也越來越多。楊海濤等［2］提出一種BIM正向設(shè)計出圖方案，通過中間數(shù)據(jù)文件，在CAD軟件下對由三維模型信息轉(zhuǎn)換而來的二維圖形信息進(jìn)行處理，形成施工圖；馬潤平等［3］依托滬通長江大橋項(xiàng)目進(jìn)行BIM正向設(shè)計應(yīng)用，在無圖紙情況下，由設(shè)計人員按照設(shè)計理念直接建立BIM模型，并生成可交付的施工圖；劉沛［4］以三維設(shè)計為核心，對Bentley OpenRail Designer軟件進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計并建立鐵路站場場坪高精度BIM模型，推動了鐵路站場場坪的數(shù)字化三維正向設(shè)計。

以上文獻(xiàn)雖對BIM正向設(shè)計表述不同，但均認(rèn)為正向設(shè)計是基于三維信息模型創(chuàng)建二維設(shè)計圖紙的過程模式。該模式難以保證二、三維表達(dá)的一致性、完整性，導(dǎo)致項(xiàng)目設(shè)計、施工、運(yùn)維過程中的信息流通不暢，難以滿足日益精細(xì)化的建造管理需求［5-7］。為了解決鐵路BIM技術(shù)發(fā)展困境，依托某重大鐵路橋涵工程開展BIM正向設(shè)計實(shí)踐，規(guī)范了三維環(huán)境中橋涵設(shè)計上游專業(yè)接口，并通過以數(shù)據(jù)為核心的二、三維同源的設(shè)計路線，有效提高了鐵路橋涵項(xiàng)目的設(shè)計效率和質(zhì)量。

1 實(shí)施目標(biāo)和平臺選擇

某特大橋?yàn)殡p線無砟軌道橋梁，線間距4.40 m，孔跨布置為：24-32 m簡支梁，橋長798.10 m，海拔4 300～4 400 m，橋址區(qū)域地勢平坦。該橋涵采用矩形實(shí)體橋臺、圓端形實(shí)體橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為100 cm。某涵洞中心里程：DK922+460.00，為1-6 m框架箱涵，為排水兼牦牛通道而設(shè)，凈高5.3 m，正交設(shè)計，全長21.10 m。以該橋涵為例，對鐵路開展正向設(shè)計的技術(shù)路線、實(shí)施過程、成果總結(jié)進(jìn)行具體說明。

1.1 實(shí)施目標(biāo)

利用測繪、線路、地質(zhì)等上游專業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展基于BIM技術(shù)的橋涵專業(yè)正向設(shè)計，探索建立適合鐵路站前工程正向設(shè)計的新模式。

1.2 平臺選擇

Bentley軟件二、三維表達(dá)基于統(tǒng)一的dgn格式，共享效率高，不僅有良好的操作性和開放性，提供豐富的應(yīng)用程序編程接口，而且對鐵路長大帶狀模型具有較強(qiáng)的承載能力，便于二次開發(fā)解決模型創(chuàng)建和應(yīng)用過程中的難點(diǎn)［8-10］，因此選擇Bentley MicroStation作為鐵路橋涵正向設(shè)計程序開發(fā)的基礎(chǔ)平臺。

2 設(shè)計提資

在橋涵BIM正向設(shè)計中，為滿足上游專業(yè)所需的文件數(shù)據(jù)需要，以及三維環(huán)境中的接口需要，分專業(yè)提出以下具體要求：

（1）測繪專業(yè)。

①地形BIM文件必須采用Bentley CE版本系列軟件支持的dgn格式。

②地形數(shù)據(jù)采用規(guī)定的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，位置準(zhǔn)確。

③地形數(shù)據(jù)精度不得低于傳統(tǒng)dwg工點(diǎn)平面圖的精度。

（2）線路專業(yè)。

①線路BIM文件必須采用Bentley CE版本系列軟件支持的dgn格式。

②線路數(shù)據(jù)采用規(guī)定的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，滿足空間定位（里程、高程）需求。

③包含線路空間線條、圖形元素。

④提供mdb格式線路數(shù)據(jù)庫文件，包含平、縱曲線要素信息，線路控制交點(diǎn)序號，每個交點(diǎn)的平面坐標(biāo)N、E。

（3）地質(zhì)專業(yè)。

①地質(zhì)BIM文件必須采用Bentley CE版本系列軟件支持的dgn格式。

②地質(zhì)數(shù)據(jù)采用規(guī)定的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，位置準(zhǔn)確。

③屬性中必須包含設(shè)計所需的關(guān)鍵信息：巖土名稱、密實(shí)程度、土石等級、基本承載力等，關(guān)鍵信息必須與所屬土層體匹配。

3 橋梁BIM正向設(shè)計

橋梁BIM正向設(shè)計流程：

（1）輸入橋梁總體設(shè)計信息。采用交互的方式輸入橋梁設(shè)計參數(shù)，如項(xiàng)目參數(shù)（荷載標(biāo)準(zhǔn)、梁部參考圖、墩臺參考圖、基礎(chǔ)參考圖）、工點(diǎn)參數(shù)（橋梁中心里程、孔跨布置、基礎(chǔ)形式、地震參數(shù)）等（見圖1）。

圖1 橋梁總體信息輸入界面

（2）線路數(shù)據(jù)輸入。讀取mdb格式線路數(shù)據(jù)庫文件，自動導(dǎo)入線路平、縱斷面設(shè)計信息。

（3）在平臺中參考引入地形、地質(zhì)BIM模型文件。

（4）初步生成橋梁BIM模型。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，計算橋梁曲線布置、軌面高程等；根據(jù)地形模型、線路縱坡、承臺埋深等，自動初步擬定橋墩高度，生成橋梁BIM模型（見圖2），并參考線路BIM線條進(jìn)行核對。

圖2 橋梁BIM模型

（5）調(diào)整模型。結(jié)合橋梁BIM模型和地形模型，核查孔跨布置、墩高（承臺埋深）等，提供承臺與地面360°方向相互關(guān)系功能，設(shè)計人員可手動調(diào)整墩高、承臺位置等參數(shù)；根據(jù)調(diào)整后參數(shù)，重新生成橋梁BIM模型。

（6）地質(zhì)參數(shù)自動獲取。根據(jù)地質(zhì)BIM模型及橋梁相關(guān)參數(shù)，自動獲取墩臺位置處地層物理力學(xué)參數(shù)，作為橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（見圖3）。

圖3 獲取地質(zhì)參數(shù)

（7）下部結(jié)構(gòu)檢算。根據(jù)提取的土層參數(shù)、結(jié)構(gòu)外部荷載、基礎(chǔ)布置形式，通過橋梁輔助設(shè)計系統(tǒng)不斷迭代進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)檢算，直至計算結(jié)果全部滿足規(guī)范要求；計算結(jié)果以交互方式呈現(xiàn)，若設(shè)計人員對計算結(jié)果不滿意，可調(diào)整設(shè)計參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)，由程序重新執(zhí)行下部結(jié)構(gòu)檢算；根據(jù)最終計算結(jié)果，重新生成橋梁BIM模型。

（8）吊籃模型。根據(jù)頂帽托盤參數(shù)，輸入吊籃相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，參數(shù)化生成三維模型并準(zhǔn)確定位（見圖4）。

圖4 吊籃模型

（9）鋼筋模型。根據(jù)項(xiàng)目參考圖，確定結(jié)構(gòu)配筋方式；統(tǒng)一鋼筋數(shù)據(jù)，生成鋼筋模型（見圖5）。

圖5 鋼筋模型

（10）空心墩檢查設(shè)施。通過設(shè)定空心墩內(nèi)檢查設(shè)施參數(shù)（檢查平臺間距；墩底距平臺的最小距離；檢查平臺、墩內(nèi)檢查梯、墩頂進(jìn)出梁部爬梯的細(xì)部構(gòu)件尺寸），能夠快速生成空心墩內(nèi)檢查設(shè)施及預(yù)埋件的BIM模型（見圖6），驗(yàn)證預(yù)留孔洞和預(yù)埋件的完整性、合理性，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，規(guī)避工期延誤風(fēng)險和質(zhì)量隱患。

圖6 空心墩預(yù)埋件模型

（11）刷方設(shè)計。基于地形模型進(jìn)行橋墩基礎(chǔ)的地形開挖、橋臺的刷方設(shè)計（見圖7），并生成CAD平面刷方圖，準(zhǔn)確統(tǒng)計挖方、刷方工程量。

圖7 刷方設(shè)計

（12）出圖。依托自主開發(fā)完成的橋梁輔助BIM設(shè)計系統(tǒng)，直接調(diào)取中心數(shù)據(jù)庫，完成二維全橋總布置圖創(chuàng)建（見圖8）。通過二、三維設(shè)計數(shù)據(jù)同源，實(shí)現(xiàn)三維模型與二維設(shè)計圖紙關(guān)聯(lián)，保證二、三維表達(dá)方式的一致性和準(zhǔn)確性。同時，可根據(jù)《鐵路工程設(shè)計信息表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》和設(shè)計相關(guān)要求，將BIM全橋模型生成常規(guī)二維剖面圖［11］，并將其放置于標(biāo)準(zhǔn)的圖框中。

圖8 二維全橋總布置圖

（13）工程量統(tǒng)計。對于有BIM實(shí)體模型構(gòu)件，直接從BIM模型提取工程數(shù)量［12-13］；對于沒有BIM實(shí)體模型構(gòu)件的，可依托橋梁輔助BIM設(shè)計系統(tǒng)，從中心數(shù)據(jù)庫提取工程數(shù)量。

4 涵洞BIM正向設(shè)計

涵洞BIM正向設(shè)計流程：

（1）輸入涵洞總體設(shè)計信息。采用交互的方式輸入涵洞設(shè)計參數(shù)，如線路參數(shù)（軌底標(biāo)高、線間距、線路坡度）、工點(diǎn)參數(shù)（涵洞中心里程、孔徑、凈高、基礎(chǔ)信息、上下游信息）等（見圖9）。

圖9 涵洞總體信息輸入界面

（2）生成BIM模型。程序讀取設(shè)計參數(shù)創(chuàng)建涵洞BIM模型［14］（見圖10）；若對設(shè)計結(jié)果不滿意，可調(diào)整設(shè)計參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后參數(shù)重新執(zhí)行涵洞計算生成涵洞BIM模型；達(dá)到設(shè)計要求后，根據(jù)設(shè)計參數(shù)創(chuàng)建涵洞BIM鋼筋模型（見圖11）。

圖10 涵洞BIM模型

圖11 涵洞BIM鋼筋模型

（3）出圖和工程量統(tǒng)計。二、三維設(shè)計數(shù)據(jù)同源，利用涵洞輔助BIM設(shè)計系統(tǒng)調(diào)取中心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，完成涵洞平立面布置圖的創(chuàng)建（見圖12）。涵洞數(shù)量計算統(tǒng)計原理和大中橋梁相同。

圖12 二維圖紙生成

5 正向設(shè)計成果

在橋涵專業(yè)正向設(shè)計中，集合以往設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和BIM技術(shù)，取得了以下成果：

（1）橋梁BIM模型構(gòu)件的創(chuàng)建全部由程序自動完成，包括橋面系、梁部、橋墩、橋臺、基礎(chǔ)、橋墩附屬吊籃、空心墩檢查設(shè)施等，均有實(shí)體模型與之對應(yīng)。

（2）對于承臺埋深、樁長，提供與橋梁BIM模型交互操作的模式。即選擇構(gòu)件后，直接通過輸入數(shù)據(jù)，調(diào)整承臺埋深、樁長；修改后的構(gòu)件模型隨之發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)BIM模型“所見即所得”，并根據(jù)修改后的結(jié)果，自動修改二、三維同源設(shè)計數(shù)據(jù)。

（3）參數(shù)化自動生成橋墩、基礎(chǔ)的鋼筋模型。

（4）根據(jù)基礎(chǔ)信息，自動從地質(zhì)模型中提取橋梁下部結(jié)構(gòu)計算需要的土層參數(shù)，再與其外部荷載結(jié)合，實(shí)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)自動計算。

（5）自動從地形模型中提取數(shù)據(jù)，計算基礎(chǔ)開挖數(shù)量；根據(jù)規(guī)則自動對地形模型進(jìn)行修改，計算橋臺刷方量。

（6）整個設(shè)計過程中，設(shè)計人員只需要在交互界面操作，無需手動創(chuàng)建任何BIM模型。

6 結(jié)論

隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，開啟了改造傳統(tǒng)設(shè)計手段的進(jìn)程。結(jié)合2017年中國國家鐵路集團(tuán)有限公司《鐵路信息化總體規(guī)劃》要求和部署，利用BIM技術(shù)開展正向設(shè)計，系統(tǒng)化解決專業(yè)存在的各項(xiàng)問題，達(dá)到BIM成果交付目標(biāo)，探索站前工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)流程。主要實(shí)踐結(jié)論歸納如下：

（1）采用二、三維數(shù)據(jù)同源的設(shè)計模式，通過數(shù)據(jù)間的有效融合，快速創(chuàng)建三維信息模型，生成二維圖紙和工程數(shù)量表，有效提高設(shè)計效率，保證BIM模型與二維圖紙的一致性、準(zhǔn)確性，具有創(chuàng)新性強(qiáng)、實(shí)用水平高等特點(diǎn)。

（2）通過大量的程序開發(fā)，參數(shù)化快速生成橋涵檢查設(shè)施及預(yù)埋件、鋼筋、刷方等BIM模型，可驗(yàn)證預(yù)留孔洞和預(yù)埋件的完整性、合理性，以及工程數(shù)量的準(zhǔn)確性，提高了設(shè)計質(zhì)量，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場施工，并規(guī)避了工期延誤風(fēng)險和質(zhì)量隱患。

（3）對三維環(huán)境下橋涵設(shè)計上游專業(yè)的數(shù)據(jù)接口內(nèi)容及格式進(jìn)行了規(guī)范，為后續(xù)鐵路項(xiàng)目開展BIM正向設(shè)計工作奠定了基礎(chǔ)。