BIM技術在鐵路工程正向設計中的應用研究

李建軍 （中鐵三局集團線橋工程有限公司,河北 廊坊 065201）

1 引言

當前，BIM技術發展迅速，正向設計受到人們越來越多的關注，日漸受到重視。BIM正向設計指的是在三維環境下完成工程項目的設計工作，BIM技術是工程管理建設行業創新性的表現之一，信息化和智能化均是BIM技術在鐵路工程建設中的優勢，其創新性進一步改變了傳統工程的建設理念，比如設計、施工及工程管理理念等方面。這些特點對促進工程發展的信息化、精細化與標準化等方面均具有十分重要的意義。

由于鐵路工程的特點是線路長、體量大且結構復雜，因此，BIM技術在鐵路工程中的應用程度相較于建筑業較少，但仍有很多學者對BIM技術在鐵路工程中的應用進行研究分析，并得出一些成果。比如：徐博[1]針對由于專業間BIM資源不能很好地相互利用,鐵路工程BIM仍以單專業翻模為主，研究了基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法，并對鐵路BIM標準進行了初步應用嘗試,為今后鐵路工程應用BIM設計提供了一定借鑒；張軒[2]對基于Bentley平臺的鐵路隧道BIM技術應用方面進行了相關研究，在一定程度上解決了不同精度要求導致的模型有時無法重復利用，以及模型的應用在設計、施工、運維間缺乏聯系等問題；曹政國等人[3]探討了BIM在鐵路施工組織設計中的應用，提出了通過協同平臺共享和傳遞數據信息的應用BIM技術的方法，為以后在鐵路施工組織設計中應用BIM技術提供一定理論基礎。除了以上學者外，還有一些學者對該領域進行了相關研究，并取得了一定成果，在此不再贅述。

盡管很多學者對BIM技術在鐵路工程中的應用進行研究分析，但現在BIM技術在鐵路工程中的應用仍處于以翻模為主的初期階段，因為技術人員在使用BIM技術的源頭上出現了問題，根據已有二維設計成果建模和檢驗成果，常常會使設計中存在差錯。因此對BIM技術在鐵路工程正向設計中的應用進行研究已經非常必要。通過實驗證明，此次設計的基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法比傳統方法施工時間短，提高了施工速度，具備實際應用意義。

2 基于BIM技術的鐵路工程正向設計流程

2.1 鐵路工程構件信息標識

鐵路工程中為了提高設計效率，在使用BIM技術時需要按照鐵路工程中的BIM標準。在BIM設計時根據設計階段和所要表達的信息力度，確定BIM技術構件組成，在標注控制構件的具體參數，將不同尺寸的構件及產品都進行參數化控制，在建模時可以減少工作量，實現提高設計效率的目的。在標識時，為了在后期能更容易地對BIM進行有效維護，需要使用各種精密程度較高的單元和屬性集組合表達設計意圖，并處理鐵路工程中的構件編碼處理，在處理過程中，區分構件模板，以形成獨立的構件，再按照專業領域、空間結構單元、構件等信息將其分類，最終完成唯一的身份標識。在分類完成后，將所有構件的屬性信息添加到模型中，添加方式為按照鐵路中擴展類和邏輯關系創建類，為其創建屬性集，以獲得構件的相關信息。

2.2 鐵路工程地形、地質模型創建

在上述鐵路工程構件信息標識完成后，以鐵路工程區域的地形、地質為基本的設計資料，按照相關流程對線路進行設計。在這一過程中將BIM技術與GIS（地理信息系統）相結合，確定最合理的走線方案，并將方案通過三維方式展現出來。在此基礎上，將鐵路改造工程構件中心位置與路線中心線相結合，將高程起點與路中心線高程關聯，以保證關聯的構件隨著道路中心線一起聯動，以保證快速建模。先運用BIM技術整合不同來源的測繪數據，用以保證建立模型的精度，并且為設計提供強有力的支撐。BIM的可視化技術功能，在檢驗和校核視距指標時起到很大的作用，其能夠起到輔助選線，優化路線平縱等作用。對空間視距測算的原因是在現有的工作模式下，對于鐵路工程的設計長度計算還不夠完善，鐵路工程是三維曲線，而計算時采用平面曲線，導致實際長度大于設計長度。因此在分割鐵路工程軸線前，利用下述公式對鐵路工程的距離數列的項進行修正：

上述公式（1）中，L3D代表三維鐵路工程軸線的實際長度，L2D代表鐵路工程設計長度，L1代表修正前距離數列的項，L2代表修正后的鐵路工程距離數列的項。

在此基礎上，將地形曲面轉化為多重曲面[4]，向下拉伸特定長度生成處理地質實體，并對鐵路工程的鉆孔數據進行處理。鉆孔數量越多越好，數量越多所得曲面越平滑，在環境資金允許的情況下應獲取盡量多的鉆孔數。因此選用科學的方式，在已有鉆孔數據上進行加密處理，以獲得大量的鐵路工程新數據。其計算表達式為：

通過上述步驟完成鐵路工程地形、地質模型創建，為BIM在鐵路工程正向設計中的應用研究提供基礎。

2.3 工點設計

以鐵路工程地形、地質模型創建結果為基礎，結合地形地質條件對鐵路工點設計。以鐵路工程工點設計為例，利用BIM技術創建工點所需的標準斷面庫，利用本特利平臺第三方軟件將鐵路工程的構件為單位導入模板庫，然后通過PW將地形、地質與相關線路文件參考到模型空間中，以初步確定進出口里程[5-6]。最后進行工程數量統計，采用本特利軟件中自帶的工程數量計算與統計功能進行統計，以便于專業間模型和數據相互調用，提高設計速度。在此基礎上，對站場運營管理，站場是鐵路工程建設的節點，在選線確定后，對工點環境分析，以確定工點存放臨時設備的最優位置、危險區域與建筑材料等，從而實現全線路的BIM展示，以此完成BIM技術在鐵路工程正向設計中的應用研究。

3 實驗對比

為驗證基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法的有效性，進行實驗，并將傳統的方法與此次設計方法對比，對比兩種方法的施工時間。以某鐵路工程為實驗對象，選取其中四部分設計內容進行設計，對比結果如圖1所示。

圖1 不同方法時間對比實驗結果

分析圖1可知，在四個項目的設計上，此次研究的基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法的施工時間均比傳統方法施工時間短，并且相差較大。其中相差最大的是第二個項目，此次研究的方法比傳統方法施工時間短的原因：此次研究的方法采用BIM技術對鐵路工程正向設計，通過BIM技術對鐵路工程建模、對鐵路工程相關構件進行分類管理，減少了圖紙設計的時間。并通過建模減少了碰撞問題的發生，從而提高了鐵路工程施工速度，具有實際應用意義。

為了進一步驗證本文基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法的有效性，對該方法的效率做進一步的實驗研究，同樣采取傳統方法與本次設計的方法進行對比。實驗對象仍采取上一實驗中的某鐵路工程，選取其中四部分設計內容進行設計，對比結果如圖2所示。

圖2 不同方法效率對比實驗結果

分析圖2可知，在該四個項目的設計上，本文研究的基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法的施工效率均比傳統方法施工效率高，而且兩種方法的效率相差較大，比如當本文設計方法在第三個項目時效率達到了92%，但傳統方法效率僅在70%。從該分析可以看出本次設計的基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法比傳統方法施工效率高，可以提高鐵路工程施工速度，更加證實了該方法具有一定的實際應用意義。

根據以上兩組實驗的結果可以看出本文設計的基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法相較于傳統方法所用時間更短，效率更高，有效證明了本文方法能夠在鐵路工程設計領域取得更好的應用效果，證明了本文方法的合理性。

4 結語

隨著工程師們的不斷研究與探索，BIM技術在鐵路工程設計領域取得了較好的應用效果，本文首先建立了鐵路工程構件信息標識，區分構件模板，以形成獨立的構件，然后對鐵路工程的距離數列逐項修正，最后鉆孔數據進行加密處理，完成地形、地質模型的創建。通過對BIM技術在鐵路工程正向設計中的應用研究，能夠很好的解決BIM技術在鐵路工程中的問題，減少設計人員工作量，提高工作效率，縮短鐵路工程設計中將二維圖紙轉換為三維模型的時間。提高鐵路工程設計質量，實現BIM技術的真正價值。