基于多源數(shù)據(jù)的鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺研究

戴林發(fā)寶,薛光橋,苑俊杰

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.武漢睿鴻四維科技有限公司,武漢 430014)

引言

近年來，鐵路工程BIM應(yīng)用取得了飛速的進(jìn)展。一方面，中國鐵路BIM聯(lián)盟成立，隨后發(fā)布了包括EBS、IFD、IFC等BIM核心數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的13項BIM標(biāo)準(zhǔn)，基本形成鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)框架體系[1-4]；另一方面，在此期間涌現(xiàn)了大量的鐵路工程BIM應(yīng)用項目，如鐵路隧道BIM技術(shù)應(yīng)用、鐵路站場BIM技術(shù)應(yīng)用以及鐵路路基工程BIM設(shè)計等[5-10]。BIM技術(shù)是鐵路工程建設(shè)信息化的重要技術(shù)發(fā)展方向，是數(shù)字鐵路建設(shè)的核心技術(shù)之一，同時鐵路BIM必將有力支撐鐵路優(yōu)質(zhì)設(shè)計、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、乃至智慧運營管理。

雖然鐵路工程BIM技術(shù)應(yīng)用取得了顯著的成績，但是由于鐵路工程投資龐大、專業(yè)多、技術(shù)復(fù)雜、涉及多源數(shù)據(jù)的軟件平臺，鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計仍然困難重重。針對BIM協(xié)同設(shè)計問題，目前大量的研究主要集中在基于同一個設(shè)計軟件的協(xié)同設(shè)計研究，對于多平臺的協(xié)同設(shè)計研究不多[11-13]。因此針對鐵路工程，提出一種基于多源數(shù)據(jù)的BIM協(xié)同設(shè)計平臺，結(jié)合鐵路BIM項目，闡述協(xié)同設(shè)計平臺的應(yīng)用流程，提出該平臺存在的問題和應(yīng)用前景。

1 鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺的構(gòu)建

鐵路工程專業(yè)眾多，涉及20余個專業(yè)，而各個專業(yè)根據(jù)本專業(yè)的特點往往選擇不同的BIM設(shè)計軟件，不同的設(shè)計軟件必然導(dǎo)致軟件間數(shù)據(jù)交互的困難。即使存在一個超級軟件(實際上不可能)能解決各專業(yè)的問題，由于鐵路工程體量巨大，直接采用原始模型協(xié)同仍然存在很大的障礙，而且在不同設(shè)計院或部門協(xié)同設(shè)計時存在知識產(chǎn)權(quán)的隱患。理想的方法是通過IFC實現(xiàn)各軟件的數(shù)據(jù)交換。事實上從IFC發(fā)布的第一個版本到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了二十多年，IFC標(biāo)準(zhǔn)在實施過程中仍然存在各種問題，包括顏色缺失、屬性缺失、關(guān)系缺失、幾何缺失、構(gòu)件類型不一致以及導(dǎo)出的IFC文件過大。而對于鐵路工程，鐵路IFC標(biāo)準(zhǔn)尚未成為國際標(biāo)準(zhǔn)，軟件廠商支持的動力不足，當(dāng)前階段，采用IFC標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計并不現(xiàn)實[14-16]。

結(jié)合鐵路工程特點和當(dāng)前BIM技術(shù)水平，本文提出鐵路工程多平臺BIM協(xié)同技術(shù)路線：協(xié)同設(shè)計分成兩個層次，數(shù)據(jù)層面的協(xié)同和模型層面的協(xié)同。首先各專業(yè)根據(jù)專業(yè)間協(xié)作的特點，共同創(chuàng)建協(xié)同共享數(shù)據(jù)庫。基于共享數(shù)據(jù)庫，各專業(yè)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)本專業(yè)的BIM設(shè)計軟件。然后統(tǒng)籌各專業(yè)不同需求，利用合適的圖形引擎將不同數(shù)據(jù)源的BIM設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)格式，并根據(jù)鐵路工程的項目特點建立企業(yè)級協(xié)同設(shè)計平臺。最后基于協(xié)同設(shè)計平臺開展專業(yè)間的模型層面的協(xié)同設(shè)計工作。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 鐵路工程多源數(shù)據(jù)協(xié)同設(shè)計技術(shù)路線

2 多源數(shù)據(jù)BIM協(xié)同設(shè)計平臺

2.1 圖形引擎

合適的圖形引擎是協(xié)同設(shè)計平臺的核心。目前鐵路工程BIM設(shè)計主要采用三大主流設(shè)計平臺：Autodesk、Bentley、Dassault。三大設(shè)計平臺側(cè)重點各不相同，各有所長，均擁有廣大的用戶群。因此，協(xié)同平臺的圖形引擎必須可以兼容三大主流平臺軟件格式[17-20]。

本文采用兼容Catia、Revit、Bentley、Inventor、Civil 3D、Tekla、IFC等軟件格式的圖形引擎，在保留原始模型的幾何、結(jié)構(gòu)及屬性等信息的基礎(chǔ)上，將模型轉(zhuǎn)換成輕量化格式文件，基本能滿足鐵路設(shè)計不同專業(yè)的需求。圖形引擎配備的轉(zhuǎn)換器采用“一次轉(zhuǎn)換”技術(shù)路線，針對每種軟件單獨開發(fā)轉(zhuǎn)換器，解決了輕量化模型“變形、信息丟失”的問題。

具體的方法為:采用C++/CAA/C#等語言(不同模型格式需采用不同的技術(shù)路線)開發(fā)，解析原始模型的構(gòu)件組織結(jié)構(gòu)，找到構(gòu)件最小單元，分析模型單元的頂點、面、實體幾何數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行Tessellation處理，獲得構(gòu)件的三角面片數(shù)據(jù)，通過控制Tessellation處理參數(shù)(邊線步長、曲線弦高等)，可獲得模型不同精度的三角面片數(shù)據(jù)結(jié)果，從而獲得不同的輕量化模型幾何數(shù)據(jù)。

2.2 平臺框架

平臺采用B/S和C/S混合架構(gòu)，可以分為數(shù)據(jù)管理層、基礎(chǔ)支持層、持久層、業(yè)務(wù)層、控制層、表示層，如圖2所示。

圖2 鐵路BIM協(xié)同設(shè)計平臺框架

2.3 功能設(shè)計

按鐵路工程協(xié)同設(shè)計需求，平臺功能包括用戶信息管理、項目管理、知識庫管理、項目資料、任務(wù)管理、資料互提、成果提交、設(shè)計管理、資料歸檔等，詳細(xì)功能如圖3所示。

圖3 鐵路BIM協(xié)同設(shè)計平臺功能

3 鐵路BIM協(xié)同設(shè)計平臺應(yīng)用實例

3.1 項目概況

羊臺山隧道群是贛深高鐵的控制性工程，場區(qū)地貌以丘陵為主，地形起伏，局部陡峭，隧道穿越花崗巖地層。該段線路復(fù)雜，羊臺山隧道進(jìn)口段為一般雙線隧道，受深圳北聯(lián)絡(luò)線接入影響，隧道中部先后出岔引出兩條聯(lián)絡(luò)線，正線隧道由普通斷面過渡為大跨斷面，再由大跨斷面過渡為燕尾分離式斷面。隧道大跨段部分地段四線并行，最大跨度達(dá)25.7 m，最大開挖斷面面積達(dá)370 m2。隧道燕尾分岔小間距并行段長度大；上行聯(lián)絡(luò)線DK430+653.81～DK430+868段為小間距并行段、兩隧道間中間巖柱厚1.76～8.00 m；下行聯(lián)絡(luò)線DK431+211.66～DK431+292段為小間距并行段，兩隧道間中間巖柱厚1.73～8.00 m。贛深高鐵羊臺山隧道群包含羊臺山隧道、羊臺山1號隧道、羊臺山2號隧道、 伯公坳2號隧道、羊臺山中橋等工點，其中羊臺山隧道全長3 524.57 m，最大埋深約345 m。

羊臺山隧道群工程復(fù)雜，參與專業(yè)較多，是一個理想的協(xié)同設(shè)計研究對象。本文依托羊臺山隧道群工程研究鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計。

3.2 協(xié)同設(shè)計平臺工作流程

協(xié)同設(shè)計平臺的工作流程如下：首先項目管理員在后臺web端設(shè)置項目，包括新建項目、人員安排、權(quán)限設(shè)置、審核流程類型設(shè)置等。前端項目總體及專冊根據(jù)項目時間節(jié)點要求和專業(yè)分工分配設(shè)計任務(wù)，包括成果任務(wù)和互提資料任務(wù)分配。設(shè)計人員完成分配任務(wù)后，提交模型至協(xié)同設(shè)計平臺。校審人員在線校審成果模型，包括專業(yè)內(nèi)校審和專業(yè)間校審，校審意見反饋和模型調(diào)整交叉進(jìn)行，直至完成所有的模型校審及修改。最后交付最終成果，資料自動歸檔。整體的流程如圖4所示。

圖4 BIM協(xié)同設(shè)計平臺工作流程

3.3 設(shè)計任務(wù)分解與工作流程

設(shè)計任務(wù)可以分為成果任務(wù)和資料互提任務(wù)。成果任務(wù)為模型及圖紙任務(wù)；資料互提任務(wù)為設(shè)計過程中需要的其他專業(yè)資料。羊臺山隧道群BIM設(shè)計成果任務(wù)以專業(yè)和空間位置為原則分解，分解盡量避免任務(wù)耦合，涉及的主要專業(yè)包括線路、航測、地質(zhì)、隧道、橋梁、軌道和接觸網(wǎng)等。主要專業(yè)成果任務(wù)分解如圖5所示。

圖5 贛深高鐵羊臺山隧道群主要專業(yè)成果任務(wù)分解

根據(jù)成果任務(wù)分解，在協(xié)同設(shè)計平臺上設(shè)置任務(wù)結(jié)構(gòu)樹，然后完成每個任務(wù)的人員分配、時間節(jié)點安排、工作流程配置等工作。

除了成果任務(wù)，各個專業(yè)在設(shè)計過程中還需要提供或接受其他專業(yè)的一些資料來完成設(shè)計工作，這部分任務(wù)我們稱之為資料互提。根據(jù)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)方式，在協(xié)同平臺上設(shè)置資料互提任務(wù)，包括任務(wù)名稱、任務(wù)描述、時間節(jié)點、指定上傳人員和接收人員。互提資料可能是圖紙、文檔或者模型，但是最重要的是數(shù)據(jù)互提，各個專業(yè)的數(shù)據(jù)互提如圖6所示。

圖6 各專業(yè)數(shù)據(jù)互提

3.4 專業(yè)BIM設(shè)計軟件及模型提交

本項目旨在研究多源數(shù)據(jù)協(xié)同平臺，因此未限制專業(yè)使用某一種軟件，各專業(yè)根據(jù)自身特點選擇合適的軟件開展BIM設(shè)計。線路、地形、地質(zhì)專業(yè)采用Civil3d軟件建立各專業(yè)模型；橋梁、隧道專業(yè)采用CATIAV6平臺建立隧道專業(yè)模型；軌道專業(yè)采用Bentley平臺建立軌道模型；接觸網(wǎng)專業(yè)采用了Revit軟件建立接觸網(wǎng)專業(yè)模型。各專業(yè)典型的模型成果如圖7～圖9所示。各專業(yè)通過開發(fā)圖形轉(zhuǎn)換軟件，將BIM模型轉(zhuǎn)換為輕量化模型，然后根據(jù)設(shè)計管理平臺任務(wù)樹，提交至協(xié)同設(shè)計管理平臺，設(shè)計管理平臺任務(wù)樹及總裝模型如圖10所示。

圖7 地質(zhì)模型

圖8 隧道專業(yè)模型

圖9 接觸網(wǎng)專業(yè)模型

圖10 總裝模型

3.5 模型校審管理

在線校審分為專業(yè)內(nèi)成果校審和專業(yè)間成果會審。專業(yè)內(nèi)成果校審在設(shè)計成果提交后即觸發(fā)，校審人員將在移動端APP上接收到校審任務(wù)，校審人員可以選擇在移動端瀏覽模型、批注，也可以在電腦端借助更多樣化的校審工具審閱提交的成果，最后簽名提交審查文檔駁回或提交至下一環(huán)節(jié)。

專業(yè)間成果會審在任務(wù)結(jié)構(gòu)樹節(jié)點任務(wù)提交后觸發(fā)。各專業(yè)通過測量工具、剖切工具、碰撞檢測工具等會審專業(yè)間的模型問題，通過互提資料的方式，提出成果會審意見。專業(yè)間成果會審，不是一個串行的協(xié)作流程，而是一個并行往復(fù)的過程，專業(yè)間會有意見的來往，各專業(yè)模型不斷調(diào)整并提交至平臺。此時如果遇到無法協(xié)調(diào)的問題，總體應(yīng)將沖突的意見通過平臺提交至院總工程師，由院總工程師裁定解決。會審流程結(jié)束后，提交最終成果，關(guān)閉任務(wù)結(jié)構(gòu)樹編輯功能。如圖11所示。

圖11 模型校審管理

4 結(jié)論與下一步工作

4.1 結(jié)論

(1)結(jié)合鐵路工程特點和當(dāng)前BIM協(xié)同設(shè)計難點，提出鐵路工程多平臺BIM協(xié)同技術(shù)路線，并進(jìn)一步提出了數(shù)據(jù)與模型兩個層次的協(xié)同方法。

(2)基于鐵路工程多平臺BIM協(xié)同技術(shù)路線，從圖形引擎、平臺框架、功能設(shè)計3個方面詳述了基于多源數(shù)據(jù)的鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺。

(3)以贛深高鐵羊臺山隧道群為試點項目，從工作任務(wù)分解、數(shù)據(jù)互提、模型提交、模型校審等方面驗證了鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺。

(4)該技術(shù)路線擺脫了對單一平臺的依賴，具有很強的可復(fù)制性，目前已經(jīng)順利應(yīng)用至江陰靖江長江隧道BIM設(shè)計和福廈高鐵BIM設(shè)計。

4.2 下一步工作

基于多源數(shù)據(jù)的鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺具有兼容多平臺、模型輕量化、保護(hù)各專業(yè)知識產(chǎn)權(quán)等優(yōu)點，還可以直接轉(zhuǎn)換到施工管理平臺。結(jié)合當(dāng)前的任務(wù)形勢，平臺下一步的研究工作重點如下。

(1)協(xié)同模型標(biāo)準(zhǔn)。目前的模型標(biāo)準(zhǔn)主要是面向交付的標(biāo)準(zhǔn)，如LOD3.5是面向施工圖階段的交付精度，但是對于協(xié)同的模型，采用這一標(biāo)準(zhǔn)不一定合適，因為協(xié)同設(shè)計的關(guān)注點往往在于專業(yè)接口，涉及專業(yè)接口的模型應(yīng)做細(xì)致，而其他模型達(dá)到LOD2.0可能就足夠了。因此，有必要研究協(xié)同模型標(biāo)準(zhǔn)，使BIM協(xié)同設(shè)計更高效。

(2)知識庫管理。目前的知識管理模塊包括圖紙、文檔、模型資源庫、案例分析、經(jīng)驗教訓(xùn)等靜態(tài)知識管理。有必要進(jìn)一步研究知識自主推送、模型智能檢查、圖檔自動審核等動態(tài)知識管理。

(3)與鐵路工程運維管理平臺接口研究。目前的建設(shè)管理模式宜分為兩級，一級為全路的運維管理平臺，二級為工點級的施工管理。工點級施工平臺包含最基礎(chǔ)的海量數(shù)據(jù)，宜由設(shè)計、施工單位完成。現(xiàn)有的協(xié)同設(shè)計平臺數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)入到二級平臺即我院開發(fā)的施工管理平臺，但是與一級平臺即鐵路工程運維管理平臺的數(shù)據(jù)接口需要進(jìn)一步研究。