BIM技術在魯南鐵路軌道設計中的應用

馬 彎

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）是在開放的工業標準下，對設施的物理和功能特性及其相關的項目生命周期信息的可計算或運算的形式表現，與建筑信息模型相關的所有信息組織在一個連續的應用程序中，并允許進行獲取、修改等操作[1]。BIM核心在于提取并組織從項目提出、規劃、設計、施工、運營乃至拆除的全生命周期的信息，以模型為載體，通過應用程序實現協同設計、三維展示、過程模擬和施工管理等功能。

鐵路設計是一項龐大的系統性工程，需線路、橋梁、隧道、軌道和站場等30多個專業之間協調合作，傳統設計方式旨在完成專業內單一任務，易造成專業間信息溝通不及時、設計意圖不明確，形成信息孤島。BIM技術包含的全生命周期信息有望解決以上問題，鐵路行業已加速BIM理論與應用研究速度。

自2013年12月17日，中國鐵路BIM聯盟成立以來，多次召開鐵路BIM標準研討會，組織研究并發布了《鐵路工程實體EBS分解指南》[2]、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[3]、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》[4]等多個BIM標準。同時，為推動BIM技術在鐵路工程設計中的應用，鐵路總公司先后開展了一系列試點項目，如新鼓山隧道BIM技術的應用研究[5]、武（漢）襄（陽）十（堰）鐵路全專業BIM試點研究[6]、滬通鐵路太倉港站綜合路基BIM設計[7]等。本文以魯南鐵路為試點，確定軌道工程BIM設計思路[8-9]，探索在Bentley平臺上的應用流程，為進一步研發軌道BIM設計系統提供參考。

1 工程概況

魯南鐵路試點長29.5 km，其中，含橋梁4座，車站2個。正線地段采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結構，主要由60 kg/m鋼軌、WJ-8B扣件、軌道板、自密實混凝土及限位結構、底座等組成；岔區采用軌枕埋入式無砟軌道結構，其組成為道岔鋼軌、扣件系統、岔枕、鋼筋混凝土道床板和支承層等；到發線采用有砟軌道，主要由60 kg/m鋼軌、彈條Ⅱ型扣件、Ⅲa型有擋肩混凝土軌枕、道床等組成。

2 平臺選擇及設計流程

2.1 平臺選擇

考慮到Bentley平臺軟件的數據格式統一，均為.dgn格式，不存在數據格式不統一的障礙，可基于ProjectWise進行三維協同設計，實現制造、設計、施工、運營全生命周期協同，防止屬性信息的丟失，且Bentley平臺運行效率高，適用大體量工程信息模型的建立。因此，采用Bentley平臺完成魯南鐵路軌道BIM設計。

Bentley平臺中，軟件包括Microstation V8i（MS）、PowerCivil（PC）、OpenRoads Designer、OpenRail Designer、LumenRT、ProStructures、i-model、ProjectWise（PW）、Bentley Navigator等。MS為基礎建模軟件，不具備專業模塊功能，其余軟件基于MS，以滿足不同專業、不同階段及不同功能需求的專業型軟件。曲阜南站軌道設計主要使用的軟件，如圖1所示。

圖1 Bentley平臺

2.2 設計流程

軌道專業的設計流程，如圖2所示。（1）依據線路、橋梁、路基等專業提供的資料，建立設計源文件，為設計骨架；（2）建立軌道構件庫，主要包括道床橫斷面庫、鋼軌型號斷面庫以及軌枕、扣件等特征信息不隨里程變化的軌道構件庫；（3）根據設計源文件，利用所建立的軌道標準庫進行軌道設計，形成軌道BIM；（4）以軌道BIM為基礎實現軌道的三維展示、碰撞檢測等功能。

圖2 軌道BIM設計流程

3 軌道BIM設計

3.1 建立源文件

利用PowerCivil軟件平面設計、縱斷面設計、里程標注等功能實現線路設計，生成線路三維模型，如圖3所示。基于線路模型，根據線下基礎設計參數進行軌道設計，如橋梁、隧道設置里程等信息。

3.2 構件庫

圖3 線路三維模型

采用PowerCivil軟件橫斷面模板的功能創建道床和鋼軌等斷面模型；利用MicroStation軟件創建扣件、軌枕、軌道板等構件模型，如圖4所示，構件模型的精度達到《鐵路BIM模型交付精度標準》中LOD350施工圖模型精度要求。其中，鋼軌與軌枕尺寸信息依據型號設置為固定值；道床橫斷面有砟軌道結構型式進行參數化設置，以實現在設計過程中通過調整線間距、軌道結構高度等值實現快速設計。同時以特征定義的方式為鋼軌、軌枕、道床等構件附加屬性信息，包含尺寸、材質、里程、坐標、元素模板、元素標識、文件位置、模型描述、工程特征屬性等信息，根據需求設置模型與信息的參數化。

圖4 構件模型

3.3 軌道設計

設置項目的特征定義與元素模板，添加軌枕、鋼軌、道床等不同構件的層、線型、線寬、材質等屬性信息；用于預定義各模型的屬性信息，規范具體工程項目中的操作。通過工程項目屬性的規范，將構件模型與工程項目結合，實現構件模型的實例化。便于自動化實現因構件模型、橫斷面模板修改引起的變更，即可實現工程模型的參數化，同時便于軟件對模型的識別及后期工程算量、碰撞檢測、施工過程模擬。

利用廊道模型功能，通過指定項目線路、起始里程、終止里程、橫斷面模板實現軌道設計，如圖5所示；對于軌枕、扣件等構件模型，通過讀取線路信息模型，結合橋梁、隧道等數據，以及輸入不同段速度區間實現超高計算，進行軌道設計，最終形成軌道模型，如圖6所示。

圖5 軌道設計

圖6 有砟軌道、雙塊式無砟軌道、Ⅲ型板式無砟軌道

3.4 應用

（1）碰撞檢測

采用Navigator實現專業內與專業間模型的碰撞檢測，及時避免道岔區轉轍機與軌道碰撞、橋隧結構與軌道結構的匹配性、軌道板布置的不合理等問題出現；除上述硬碰撞外，需對設計中的軟碰撞進行檢測，如鋼軌伸縮調節器設置、無縫線路是否滿足規范要求等。

（2）施工過程模擬與進度管理

在BIM設計成果的基礎上，模擬計劃施工，分析施工計劃的合理性，與施工方聯合展開更為全面的施工組織深化模擬。便于明確各專業施工中遇到的問題，以及進行施工前的培訓演示等。在施工過程中，記錄實際施工進度，智能對比分析進度偏差，實時預警進度偏差等。

4 軌道BIM設計系統構想

基于BIM技術在魯南鐵路的應用，提出鐵路軌道BIM設計系統構想，如圖7所示。系統擬實現的目標如下[8-9]：

圖7 軌道BIM設計系統構想

（1）制定軌道BIM的工作環境，用于存儲界面、構件庫、圖形標準、數據標準等信息。

（2）統一創建模型與附加信息所需遵循的標準文件，以規范構件的信息內容、存儲方式，模型的精度等。在具體項目中，通過構件樹將構件模型與項目連接。

（3）建立鐵路軌道構件信息模型庫，實現對構件信息模型與信息的管理。

（4）實現軌道BIM設計，可通過輸入基本設計信息、快速讀取線橋隧等專業設計成果進行軌道正向設計。

（5）生成的軌道設計成果可供相關專業輔助設計，含數據和模型，其信息內容與深度、模型精度等達標準要求。

（6）能夠自動出圖、算量、三維設計成果展示。

（7）實現各階段的協同設計，將設計成果用于施工、運營以及養護維修階段，各階段重要數據可反饋至設計成果中，實現設計、施工、運營期間數據交互。

（8）能夠實現工程管理，對工程模型與數據進行管理。

5 結束語

以魯南鐵路為試點，探索Bentley平臺實現軌道BIM設計的流程及在軌道專業的可行性。（1）設計中完成了扣件系統、雙塊式軌枕、Ⅲa型長枕等構件庫的建立，創建了鋼軌、參數化有砟道床等橫斷面模板庫，建立不同跨橋梁Ⅲ型板軌道結構、道岔區長枕埋入式無砟軌道等軌道組合構件庫，以提高復用性；（2）設計過程中，定義特征、元素屬性等，規范基礎的工程屬性；（3）進行簡要的軌道設計、超高計算等；（4）探索軌道模型的后續應用；（5）目前，Bently平臺的功能尚未達到軌道BIM設計的需求，提出軌道BIM設計系統的構想，仍需利用Bentley平臺完善軌道構件庫并實現構件庫的管理；（6）創建并定制軌道專業模塊，通過界面輸入以人機交互方式快速實現軌道BIM設計；（7）需進一步探索擴展應用，利用工程BIM，深度探索施工模擬、碰撞檢測等以驗證方案與指導施工。

在此基礎上，以BIM為載體，有效地與監測系統、設計建造一體化平臺結合，存儲并管理數據信息，實現模型與現場工程的實時連接等。