基于歐特克平臺(tái)的鐵路路基BIM設(shè)計(jì)技術(shù)研究

靳 猛

(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)

自從BIM概念提出以來(lái)，最早應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，因?yàn)橛休^為成熟的配套軟件支持，已有較多成功應(yīng)用案例[1-3]。在鐵路工程領(lǐng)域，近幾年來(lái)在，在中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟組織推動(dòng)下，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系逐步完善，各試點(diǎn)項(xiàng)目正在穩(wěn)步推進(jìn)，BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用得到快速發(fā)展[4-8]。

鐵路工程項(xiàng)目開展BIM以來(lái)，路基工程一直是鐵路BIM設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)[9]。鐵路路基設(shè)計(jì)在鐵路設(shè)計(jì)各專業(yè)中相對(duì)特殊，雖然在路基設(shè)計(jì)中將路基本體當(dāng)結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，但鑒于路基與地形結(jié)合的緊密性以及路基本體填料非剛性、非規(guī)則性結(jié)構(gòu)，路基本體設(shè)計(jì)隨地形變化，橫斷面形式多樣，不能像一般剛性結(jié)構(gòu)物那樣快速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，并且BIM設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化要求較高，對(duì)鐵路路基BIM設(shè)計(jì)帶來(lái)的困擾也較多。

在銀西高鐵BIM試點(diǎn)項(xiàng)目，選擇歐特克平臺(tái)進(jìn)行了鐵路路基BIM設(shè)計(jì)實(shí)踐，探索驗(yàn)證了鐵路路基BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線，探討該平臺(tái)在路基BIM設(shè)計(jì)的適用性，并系統(tǒng)研究了路基BIM設(shè)計(jì)各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行了平臺(tái)軟件二次開發(fā)，取得了較好的BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用效果。

1 路基BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線

初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，按《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》及《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，則需要更專業(yè)的軟件實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的模型設(shè)計(jì)[10]。在歐特克軟件平臺(tái)上鐵路路基BIM建模主要采用Civil3D軟件及Revit軟件實(shí)現(xiàn)。在Civil3D上實(shí)現(xiàn)路基本體結(jié)構(gòu)造型，用Revit軟件實(shí)現(xiàn)路基附屬結(jié)構(gòu)造型。將路基本體結(jié)構(gòu)模型dwg格式轉(zhuǎn)成Revit格式，實(shí)現(xiàn)路基專業(yè)的模型整合。

銀西高鐵BIM項(xiàng)目全專業(yè)均采用Revit軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，各專業(yè)模型坐標(biāo)系按線路專業(yè)絕對(duì)或相對(duì)坐標(biāo)系，進(jìn)行空間定位控制，在同一協(xié)同平臺(tái)上進(jìn)行組裝，并進(jìn)行專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)[11]。

路基BIM模型可以按照施工需要進(jìn)行分部創(chuàng)建，對(duì)于特殊的復(fù)雜的路基工點(diǎn)，可以使用歐特克平臺(tái)Navisworks軟件進(jìn)行模型渲染和施工模擬，也可以導(dǎo)入InfraWorks或其他3DGIS系統(tǒng)進(jìn)行拓展應(yīng)用[12]。

鐵路路基BIM設(shè)計(jì)的載體核心是路基模型，在模型完備的基礎(chǔ)上附加必要的工程信息，通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行信息傳遞及信息交換。信息模型完備后，以此為基礎(chǔ)，添加站后設(shè)備等其他信息模型，進(jìn)行運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理應(yīng)用[13]。

2 歐特克平臺(tái)下鐵路路基BIM設(shè)計(jì)方案

2.1 創(chuàng)建路基本體模型

路基本體模型的創(chuàng)建采用Civil3D軟件，基本思路是在設(shè)計(jì)好線路平縱斷面后，通過(guò)設(shè)計(jì)裝配進(jìn)行放樣等生成路基本體模型。裝配就相當(dāng)于路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。裝配由部件連接而成，部件指的是一些固定尺寸路基附屬結(jié)構(gòu)斷面，例如實(shí)體路肩、路肩電纜槽等(圖1)，一些可以通過(guò)設(shè)定目標(biāo)追蹤的進(jìn)行平面及高程變化的部件，例如多級(jí)邊坡(圖2)、加寬(圖3)、超高等，這樣就可以實(shí)現(xiàn)路基裝配相對(duì)固定的部件以及隨地形或設(shè)計(jì)要素相對(duì)變化的裝配(圖4)，適應(yīng)路基橫斷面根據(jù)地形曲面變化的設(shè)計(jì)要求。

圖1 路肩電纜槽部件

圖2 挖方邊坡部件

圖3 路塹部件

圖4 路基裝配

通過(guò)對(duì)不同里程段落的路基賦予不同的裝配，生成不同段落的路基本體結(jié)構(gòu)。通過(guò)提取道路實(shí)體命令提取路基本體結(jié)構(gòu)模型(圖5)含基床表層、基床底層、基床以下及側(cè)溝、電纜槽等。路基本體模型提取后，可以將地形曲面與路基模型本體邊坡曲面含路基模型頂面或底面進(jìn)行剪切、粘貼等操作，將路基本體模型曲面與地形曲面有機(jī)結(jié)合在一起。對(duì)于路塹，用路塹地面對(duì)地形曲面剪切后形成類似開挖后的地質(zhì)模型體(圖6)。

圖5 路基本體模型

圖6 剪切后地質(zhì)模型

2.2 創(chuàng)建路基附屬結(jié)構(gòu)模型

路基附屬結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建主要在Revit平臺(tái)上進(jìn)行創(chuàng)建，通過(guò)Revit平臺(tái)族工具創(chuàng)建常規(guī)模型的族文件達(dá)到參數(shù)化建模，采用參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)及重復(fù)利用的效果。鐵路路基BIM設(shè)計(jì)的族類型常用的有兩種，公制常規(guī)模型和公制輪廓模型。公制常規(guī)模型族一般應(yīng)用于單體結(jié)構(gòu)物，比如擋土墻、單樁、樁板結(jié)構(gòu)、集水井、排水槽、骨架、樁板墻、扶壁墻、吊溝、蒸發(fā)池、防護(hù)柵欄等(圖7)。公制輪廓模型族一般用于隨線路進(jìn)行放樣的路基附屬結(jié)構(gòu)物，如水溝、路肩、鑲邊、護(hù)腳、平臺(tái)截水溝、腳墻等。

圖7 路基族庫(kù)(部分)

族完成創(chuàng)建后可以納入鐵路路基專業(yè)族庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。使用Revit族創(chuàng)建路基模型后可對(duì)模型進(jìn)行信息添加，添加體積、材質(zhì)、IFD代碼、EBS信息等幾何信息、非幾何信息，對(duì)這些屬性添加進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，以更好地利用模型信息[14]。

令R1=R2=0.5，I0=1，在Matlab中畫出干涉光強(qiáng)和腔長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線,見(jiàn)圖4.圖4中光強(qiáng)隨著腔長(zhǎng)周期性變化，且兩者之間為多值關(guān)系，即一個(gè)光強(qiáng)對(duì)應(yīng)多個(gè)腔長(zhǎng)，這種狀態(tài)下無(wú)法確定腔長(zhǎng).但根據(jù)式(2)可知光強(qiáng)隨腔長(zhǎng)變化的周期為λ/4.因而，將腔長(zhǎng)的變化范圍選擇在半個(gè)周期之內(nèi)時(shí)，光強(qiáng)-腔長(zhǎng)曲線是單調(diào)的，可以保證干涉光強(qiáng)與腔長(zhǎng)之間具有一一對(duì)應(yīng)的值.

2.3 路基本體模型及附屬結(jié)構(gòu)模型的拼裝

在Revit軟件完成路基本體模型創(chuàng)建后，利用鐵路路基專業(yè)族庫(kù)中的路基附屬結(jié)構(gòu)如支擋結(jié)構(gòu)、樁基、邊坡防護(hù)、防護(hù)柵欄、路基排水設(shè)施等進(jìn)行拼裝，與路基本體模型有機(jī)結(jié)合，共同形成路基總裝結(jié)構(gòu)模型。

路基邊坡防護(hù)設(shè)施中拱形骨架是最常用的一種邊坡防護(hù)形式，并且形式變化較多，在邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)中，還要考慮側(cè)溝、平臺(tái)截水溝、鑲邊、護(hù)腳、腳墻、邊坡平臺(tái)、檢查梯、踏步等。如果需要實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)措施的三維化設(shè)計(jì)而不僅僅是對(duì)邊坡進(jìn)行貼圖的情況，人工進(jìn)行這些邊坡防護(hù)措施的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)及拼裝會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。但是這些邊坡防護(hù)措施布設(shè)又比較規(guī)則，要實(shí)現(xiàn)精確化的設(shè)計(jì)出圖及數(shù)量計(jì)算，是可以實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)措施的自動(dòng)化拼裝的，所以在Revit平臺(tái)上進(jìn)行了二次開發(fā)，完成了路基邊坡拱形骨架的自動(dòng)化拼裝，對(duì)路基邊坡防護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)化布置(圖8)。

同理，對(duì)于一般單樁或長(zhǎng)短樁防護(hù)的地基處理，由于樁的設(shè)置規(guī)律性較強(qiáng)，通過(guò)參數(shù)化設(shè)置，同樣通過(guò)二次開發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)化布置。

圖8 路基拼裝模型

2.4 路基排水設(shè)計(jì)應(yīng)用

將路基本體模型曲面與地形曲面通過(guò)剪切合并等布爾運(yùn)算后生成新的地形曲面，在該地形曲面進(jìn)行匯水情況分析，結(jié)合地形直觀地顯示出匯水范圍[15-16]。再根據(jù)其他水文資料，計(jì)算出降雨徑流量并進(jìn)行相應(yīng)的水力計(jì)算，以確定過(guò)水?dāng)嗝嫘问郊俺叽?，確定路基排水結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸。路基排水與其他排水設(shè)計(jì)模型(圖9)進(jìn)行對(duì)接，體現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)思路，相比傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)排水設(shè)計(jì)圖，實(shí)用性更強(qiáng)，并能根據(jù)地形直觀顯示設(shè)計(jì)成果，用來(lái)指導(dǎo)施工。

圖9 路基排水模型

3 鐵路路基BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用的重難點(diǎn)分析

3.1 路基工程項(xiàng)目異形結(jié)構(gòu)較多，BIM建模困難

鐵路路基邊坡防護(hù)、支擋結(jié)構(gòu)、地基處理、排水用地系統(tǒng)、綠化防護(hù)系統(tǒng)、防護(hù)柵欄系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)物單元較多，與地形結(jié)合緊密且大多數(shù)不規(guī)則，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)表達(dá)要求較高，結(jié)構(gòu)物布設(shè)及工程計(jì)算數(shù)據(jù)量非常大，需要更專業(yè)的軟件。因?yàn)槁坊O(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)雜，有可能需要不同的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件之間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)也需要得到鐵路IFC標(biāo)準(zhǔn)的支持，但目前難度比較大，主要因?yàn)閲?guó)際IFC標(biāo)準(zhǔn)schema尚未納入鐵路工程構(gòu)件類型及相應(yīng)的屬性集，信息無(wú)法傳遞，導(dǎo)致軟件廠商對(duì)IFC支持難以滿足目前的設(shè)計(jì)要求，不同軟件進(jìn)行模型信息交流與傳遞時(shí)無(wú)法傳遞非幾何設(shè)計(jì)信息[17-18]。

目前BIM軟件國(guó)產(chǎn)化程度較低，不能完全滿足路基設(shè)計(jì)，完全在歐特克平臺(tái)進(jìn)行路基設(shè)計(jì)也受限較多，需要進(jìn)行難度較大的二次開發(fā)，并且開發(fā)項(xiàng)目較多，周期較長(zhǎng)，成果轉(zhuǎn)化實(shí)際生產(chǎn)還需要較長(zhǎng)的過(guò)程。

3.2 路基BIM設(shè)計(jì)與地質(zhì)協(xié)同難度大

鐵路路基工程是整個(gè)鐵路項(xiàng)目的一部分，是同地形結(jié)合最為緊密的專業(yè)之一，路基工程既包含隨地形反復(fù)變化的土石方，也包含隨地形變化的支擋防護(hù)、復(fù)合地基和各種形式的附屬結(jié)構(gòu)物。復(fù)雜巖土地層對(duì)路基各構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)形式影響較大，這也導(dǎo)致在BIM設(shè)計(jì)中，路基與地質(zhì)的協(xié)同關(guān)系最常見(jiàn)也最重要。

挖方路基開挖地層地質(zhì)體，不但形成新的地層曲面，開挖部分巖土分層特性也需要提取出來(lái)進(jìn)行工程數(shù)量計(jì)算，但在軟件平臺(tái)上，一旦對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行剪切，地質(zhì)體信息的繼承較為困難，無(wú)法獲取完整的信息。

路基本體設(shè)計(jì)、邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)及路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都同地質(zhì)參數(shù)有較大的關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在互相影響的問(wèn)題。例如路基支擋結(jié)構(gòu)擋土墻設(shè)計(jì)，擋土墻的設(shè)計(jì)高度影響路基邊坡高度，反過(guò)來(lái)路基邊坡高度、坡率等以及邊坡巖土地質(zhì)特性又影響擋土墻高度等尺寸設(shè)置。目前鐵路行業(yè)范圍內(nèi)，一般是獨(dú)立做地質(zhì)模型，模型難以與路基支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行互動(dòng)，做參數(shù)化關(guān)聯(lián)，對(duì)路基BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)及地質(zhì)模型的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)性帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

3.3 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)支撐不夠

協(xié)同設(shè)計(jì)是BIM重要的理念之一，通過(guò)及早發(fā)現(xiàn)和解決沖突，從而避免在施工期間的變更設(shè)計(jì)、返工等問(wèn)題，達(dá)到降低造價(jià)、縮短工期、提高工程質(zhì)量的目的[19]。

路基結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建過(guò)程中，為了使路基模型適應(yīng)鐵路項(xiàng)目的協(xié)同設(shè)計(jì)，除了附加IFC信息、IFD信息、EBS信息外，對(duì)于不同專業(yè)創(chuàng)建的模型，還需要通過(guò)IDM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型信息進(jìn)行交換傳遞[20]。

路基專業(yè)BIM模型幾乎與所有鐵路站前站后專業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，模型的信息化應(yīng)用不只是簡(jiǎn)單的傳入傳出，還要進(jìn)行交互運(yùn)算、專業(yè)協(xié)調(diào)，更需要協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)及統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加大了路基模型協(xié)同應(yīng)用的難度。目前尚缺少一個(gè)能夠貫徹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的綜合管理協(xié)同平臺(tái)，需要各個(gè)BIM應(yīng)用單位自行搭建，難度較大。

3.4 平臺(tái)軟件對(duì)路基出圖及計(jì)算工程數(shù)量支持不夠

目前采用的BIM平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件不能輸出符合國(guó)內(nèi)專業(yè)設(shè)計(jì)習(xí)慣和規(guī)范要求的設(shè)計(jì)成果圖紙。在圖紙成果自動(dòng)輸出、工程數(shù)量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)方面，需要與國(guó)內(nèi)CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對(duì)接或直接進(jìn)行傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)，這樣勢(shì)必帶來(lái)重復(fù)設(shè)計(jì)。如果基于模型直接進(jìn)行繪圖或工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)需要進(jìn)行大量的二次開發(fā)，這就所謂BIM落地的“最后一公里”。但是在研發(fā)的工作量上，絕對(duì)不是一般理解層面的“最后一公里”，投入的大量人力和時(shí)間成本往往對(duì)現(xiàn)狀的改變有限，也是成為制約BIM應(yīng)用價(jià)值的“瓶頸”和難點(diǎn)。

4 結(jié)論及展望

通過(guò)銀西高鐵BIM試點(diǎn)項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐，BIM設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)上較為直觀，尤其對(duì)于與地形結(jié)合變化較大的路基加固防護(hù)措施，可以實(shí)時(shí)根據(jù)地形進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)表達(dá)更為準(zhǔn)確。在結(jié)構(gòu)過(guò)渡上也能夠直觀地與橋隧等專業(yè)較好順接。

試點(diǎn)項(xiàng)目研究了歐特克平臺(tái)對(duì)路基BIM設(shè)計(jì)的適用性，也對(duì)BIM應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了一定的探索，對(duì)鐵路路基BIM設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)論如下。

(1)本次工程實(shí)踐，先后對(duì)歐特克平臺(tái)下 InfraWorks、Civil3D、Revit、Navisworks等軟件進(jìn)行了使用。研究認(rèn)為，歐特克平臺(tái)軟件基本能滿足路基工程BIM設(shè)計(jì)要求，可以基本解決路基BIM設(shè)計(jì)建模問(wèn)題，也能夠有較好的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)，但還需要按路基工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行修改完善，以滿足鐵路行業(yè)BIM發(fā)展的需求。

(2)鑒于路基BIM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及難點(diǎn)以及目前BIM平臺(tái)軟件的功能概況，需要進(jìn)行有針對(duì)性的二次研發(fā)，以使軟件更符合路基設(shè)計(jì)的使用習(xí)慣。通過(guò)軟件二次研發(fā)提高路基工程的建模質(zhì)量及效率，同時(shí)添加完備的屬性信息，再利用模型及信息，進(jìn)行CAD出圖及工程數(shù)量計(jì)算，這也是BIM設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值突破口。

(3)體現(xiàn)BIM概念的協(xié)同設(shè)計(jì)價(jià)值，需要研究并貫徹好中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，更好地進(jìn)行信息傳遞及交換，更好地進(jìn)行專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)。

BIM 作為未來(lái)鐵路信息化建設(shè)的發(fā)展方向，已經(jīng)在業(yè)內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可和發(fā)展應(yīng)用。BIM路基結(jié)構(gòu)模型結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算、設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為施工模型施工應(yīng)用，路基本體模型作為站后設(shè)備模型的承載體進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，還需要不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐。雖然目前路基BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景與BIM概念有差距，但對(duì)路基BIM技術(shù)的發(fā)展宜持有積極的態(tài)度，不斷探索在路基專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，挖掘BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，是非常必要和具有現(xiàn)實(shí)意義的，達(dá)到最終應(yīng)用BIM設(shè)計(jì)工具，系統(tǒng)化解決專業(yè)BIM設(shè)計(jì)的各項(xiàng)問(wèn)題，達(dá)到BIM設(shè)計(jì)成果交付的目標(biāo)，加快實(shí)現(xiàn)鐵路工程設(shè)計(jì)的數(shù)字化及信息化。