基于達索平臺的鐵路土建工程BIM協同設計技術研究

齊成龍

（中國鐵路設計集團有限公司 土建院，天津 300308）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）可實現鐵路工程設計階段數據管理的協同共享，為工程建設全生命周期的各種決策及多方協同提供數字化基礎。近年來，BIM技術在鐵路工程領域得到了不斷的推廣和應用。鐵路BIM聯盟在標準制定方面進行了大量的基礎研究[1-3]，截至目前共發布了13項鐵路BIM標準，為BIM技術在鐵路工程中的應用提供了標準支撐。

目前，已有許多業內人士對鐵路土建工程BIM設計領域進行了技術研究與工程實踐。趙月悅等人[4]運用Revit軟件建立一整套高速鐵路橋梁構件庫，對拱橋、鋼—混組合梁斜拉橋及預應力混凝土部分斜拉橋等特殊復雜橋梁進行BIM設計；謝先當等人[5]基于OpenRail Designer二次開發，形成具備路基本體、支擋工程、邊坡防護、地基處理和三維排水等功能的路基正向設計系統；張軒[6]在北京—張家口高速鐵路隧道工程中，使用Bentley平臺開展了包括碰撞檢測、出圖算量、正向設計、協同設計在內的隧道工程BIM應用研究。從研究的廣度來看，BIM技術已應用于鐵路土建工程的各個專業，并得到了一些成功案例[7-8]；但從研究的深度來看，鮮有在協同設計環境下串聯起路基、橋梁、隧道3個專業的應用案例。

本文從基于達索（Dassault）平臺的三維協同設計環境出發，圍繞 “骨架-模板”設計方法，研究路基、橋梁、隧道工程各專業BIM設計及專業間接口設計技術，以期達到三維精細化設計與正向設計的目標。

1 三維協同設計環境

為了在三維BIM環境下實現土建工程設計各參與方之間的交互協同和信息共享，需要建立共同工作的基礎環境，包括信息傳遞和設計成熟度管理。三維協同設計環境為土建工程專業間和專業內的BIM設計創造了基礎條件。

1.1 信息傳遞

專業之間需要傳遞的信息分為2種類型：（1）可用結構化形式傳遞的信息，需滿足軟件自動讀取的要求并用于BIM設計；（2）只能以非結構化形式、通過管理平臺傳遞的信息，需人工讀取。

1.1.1 結構化信息傳遞

結構化信息依托設計骨架傳遞。骨架即對鐵路工程的主要位置及主要特征以輕量化的點、線、面和參數進行表達，在鐵路工程BIM設計中起著定位與專業間信息傳遞的作用。骨架設計的過程處處體現了多專業協同作業的過程，其成果可作為模型裝配和實例化的輸入參數。本文參考傳統鐵路工程設計過程，結合BIM設計特點，將骨架設計分為2個階段，即總骨架設計和專業骨架設計。

（1）總骨架

總骨架包括線路空間曲線及路基、橋梁、隧道各專業缺口里程。

（2）專業骨架

專業骨架具體內容根據專業特點確定，如表1所示。專業骨架是對總骨架的進一步深化，其工程特征描述更精細，并與總骨架保持聯動，總骨架的修改將驅動專業骨架隨之更新。

表1 專業骨架設計內容

根據鐵路土建工程技術特點，結合BIM技術在三維參數化、協同化方面的優勢，進行路基、橋梁、隧道工程數字化設計流程再造，明確每個設計環節所產生的下序資料，并與骨架結構進行映射。承載結構化信息的土建工程各專業骨架如圖1所示。

圖1 承載結構化信息的土建工程各專業骨架

1.1.2 非結構化信息傳遞

非結構化信息以各種數據文件承載，包括Word、Excel、AutoCAD等常用軟件生成的文件。

Enovia是Dassault平臺的B/S架構應用模塊，設計人員可通過Enovia模塊在瀏覽器端實現模型數據庫、人員權限及任務分配、文件數據的遠程管理。有關責任人在啟動所負責的任務后，于Enovia端給每項任務分配設計文檔，并開展成熟度狀態和版本管理工作。

1.2 設計成熟度管理

為從源頭上保證鐵路土建工程設計的系統性，本文提出“三棵樹”的設計理念，用于區分表達不同的設計成熟度。

（1）骨架結構樹：用于工程結構的框架性設計和信息傳遞。

（2）設計結構樹：用于設計過程和BIM組織。海量模型及其關聯關系的存儲會帶來數據庫性能的下降，減少數據庫記錄可有效提高數據存取和索引效率，增強協同設計體驗。因此，在滿足設計檢查、優化和工程數量統計的前提下，使用簡化特征表達標準構件，對組合后發揮特定作用的若干構件按一個構件進行設計，并從特征層面建立約束關系，以達到減少數據庫記錄、提升平臺運行效率的目標。

（3）交付結構樹：用于從設計模型轉換為交付模型。按照《鐵路工程信息模型交付精度標準》規定，模型需按單體構件存儲、組織。因此，在交付前需使用平臺工具將設計結構樹升級至交付結構樹，將以簡化特征或整體表達的模型升級成單體構件，滿足建設管理、數字化施工等應用需求。

2 骨架設計

2.1 橋梁骨架設計

“骨架-模板”是一種自上而下的設計方法，以橋梁工程為例，骨架定義了橋梁上下部各構件的整體定位基準，其本身是BIM的一部分，通常外在表現為點、線、面和坐標系等形式。基于該方法，一座橋梁的梁體、橋墩、橋臺和基礎等組成部分在相對空間位置發生變化時，能夠繼承原有的設計框架，自動實現設計更改。

線位主骨架是創建橋梁定位骨架的基礎，在模型空間表現為一條空間曲線，既包含平面曲線信息，又包含縱斷面信息。 獲取線位主骨架后，為了完成對橋梁各部分構件的定位，還需以表格形式輸入里程、高程、彎道布置及構件類型等所需信息。

基于上述輸入信息，在Dassault軟件知識工程模塊的Knowledge Pattern工具中，使用EKL（Enterprise Knowledge Language）編寫腳本程序，調用Dassault軟件應用程序接口（API，Application Program Interface）實現橋梁骨架運算算法，完成橋梁定位骨架批量建模。

2.2 路基骨架設計

路基骨架分為工點線位（一級骨架線）和路肩線（二級骨架線），是路基工程BIM建模的重要輸入元素。一級骨架線的創建方法是在每個路基工點范圍內截取空間左線模型；二級骨架線的創建是以工點范圍作為邊界條件生成左右側路肩位置的三維空間曲線，需同時考慮軌道結構形式、鐵路等級對曲線加寬的影響。

以U型槽為例，設計時以左線投影線作為基準，根據U型槽單元長度和伸縮縫寬度，使用EKL腳本中的split函數批量切割空間左線，生成每個U型槽段落的空間骨架，作為模型實例化的輸入條件。

2.3 隧道骨架設計

以正洞和洞室為例，設計流程如下。

（1）確定骨架起終點里程

從設計信息表讀取各隧道節段的正洞起終點里程，以及各洞室所在里程、左右側信息及軸線長度。

（2）生成三維起終點

鐵路工程中的里程是平面左線長度的數值反映，因此，設計時需沿平面左線以里程值為度量生成臨時定位點，再通過該點沿豎直方向延伸與空間左線相交生成三維起終點。

（3）生成隧道骨架線

使用EKL編寫腳本程序，循環截取空間左線，并生成與洞室軸線長度相等且垂直于空間線位的短線，分別作為隧道正洞和洞室骨架。

3 構件模板裝配設計

3.1 橋梁裝配設計

（1）簡支梁設計

綜合運用BIM軟件的等截面實體、多截面實體、拉伸、剪切、布爾運算等三維幾何造型功能創建簡支梁精細化BIM模板；在BIM生產項目實踐過程中，積累豐富的模板庫，使用Dassault-catalog功能高效管理模板設計成果；調用Dassault軟件Assembly Pattern功能，分別選擇簡支梁模板與裝載坐標系的幾何圖形集，完成各類簡支梁模板的批量實例化。

（2）連續梁設計

基于Dassault/CAA架構，開發預應力混凝土連續梁BIM設計工具，嵌入Dassault軟件內部，以用戶界面對話框和Excel表格作為數據輸入媒介。在模塊設計方面，通過界面模塊、特征模塊和節段拓撲模塊使用戶定義特征從虛擬的可派生基類逐步具體化為可視的拓撲形狀，最終組裝生成全橋BIM，設計界面如圖2所示。

圖2 連續梁BIM設計工具用戶交互界面

（3）橋墩設計

①通過Dassault軟件Component Family模塊將橋墩一級模板分解為離散于數據庫中的二級模板，并同時為二級模板的幾何參數和屬性賦值；②使用CAA進行二次開發，編制橋墩二級模板組裝程序，該程序從數據庫調取滿足屬性要求的二級模板，并將二級模板移動至與骨架坐標系重合，通過循環操作實現全橋橋墩的快速、批量建模。

（4）基礎設計

使用Dassault/CAA架構開發基礎批量BIM建模及審核程序，本程序具備批量創建基礎模型并以Excel表格的形式輸出設計數據以供審核的功能。從開發角度上講，本程序同樣分為界面模塊、特征模塊及幾何拓撲模塊。其中，幾何拓撲模塊用于生成承臺和樁的CATBody類型拓撲結果；特征模塊將樁和承臺各自封裝為一種面向對象的模型，并調用幾何拓撲模塊實現特征顯示；界面模塊調用特征模塊實現批量建模功能。

3.2 路基裝配設計

（1）基床設計

在進行路基基床BIM設計前，需要根據地形起伏情況分段調用路堤、路塹模板。為了有效判斷路堤、路塹分界位置，應根據地質情況將每個工點范圍劃分成若干個段落，每個段落采用同一個路塹標準橫斷面進行分界判別。具體過程為：①計算出每個段落判斷線與地形面的交點；②根據這些交點將段落劃分為多個部分，在地形面以上的范圍為路堤，地形面以下為路塹；③分別調用路堤、路塹BIM模板，與三維數字地形交互運算，完成基床BIM設計。設計成果如圖3所示。

圖3 路堤、路塹分界點與基床BIM設計

（2）支擋結構設計

路基支擋結構主要包括樁板式擋土墻、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、U型槽（塢式擋土墻）等常見類型。本文采用Dassault知識工程等參數化手段，創建支擋結構模板。

以U型槽為例，將U型槽通用工程模板及設計信息表添加到資源表，利用Action功能調用模板，循環讀取空間骨架線及設計信息表中的U型槽尺寸參數，通過SetAttributeReal函數為U型槽工程模板賦值，使用InstantiateTemplate函數完成U型槽實例化。設計成果如圖4所示。

圖4 U型槽BIM及骨架設計

3.3 隧道裝配設計

不同類型隧道工程構件在幾何特征上存在差距，如：不同類型襯砌的內輪廓相同，初支和二襯厚度不同；大部分隧道洞室采用相同的結構型式，僅尺寸參數取值不同；對于使用通用楔形管片的盾構隧道，每一環管片通常都由封頂塊、臨接塊和標準塊3種形式拼裝而成，沿線路方向所有管片環只存在空間位置的區別，幾何特征完全相同。不同幾何特征的隧道工程構件的BIM模板如圖5所示。

圖5 各類隧道構件BIM模板

根據不同類型構件的幾何特征變化規律，創建以骨架為輸入元素的標準參數化模板庫。通過Dassault知識工程工具，讀取表格數據并識別構件骨架線特征，調用所需構件BIM模板并進行參數賦值，實現批量裝配并最終完成全隧道BIM設計。

4 土建工程專業間接口設計

在BIM協同設計環境下，不同專業人員基于同一數據庫、同一三維地形協同工作。該環境不僅為設計人員開展土建結構物、邊仰坡、電纜槽、排水溝等關聯構件的精細化設計提供條件，同時簡化了專業間資料和信息交換的過程，可提高設計質量、避免反復工作。

4.1 橋隧三維聯動設計

由隧道設計人員發布以三維空間平面代表的臨時缺口模型，土建工程其他專業人員以這些平面作為三維BIM設計的輸入參數，用以限定模型邊界范圍。當缺口里程調整時，三維空間平面移動，橋梁、隧道專業模型隨之自動更新，如圖6所示。上述流程實現了根據設計過程中的實際情況，綜合考慮安全、經濟、美觀等多種控制因素的交互式專業間接口動態設計。

圖6 橋隧三維聯動設計

4.2 路隧排水接口設計

傳統二維模式以平面布置圖及橫斷面圖作為設計手段綜合表達排水路徑，不適用于復雜空間地形及多專業系統排水設計場景。本文以實測三維地形曲面作為設計依據，發揮BIM技術的參數化優勢，在協同環境下開展路基、隧道工程系統排水設計，如圖7所示。隧道截水天溝匯集山坡水流排入路基天溝，保證了水流的有效、暢通。

圖7 路隧排水接口設計

4.3 路橋過渡電纜槽（井）設計

過渡電纜槽（井）是路橋過渡段的重要地上接口。由于路基電纜槽間距普遍大于橋梁電纜槽，導致2個專業間的電纜槽無法沿線路方向直接對接，需要在銜接處設置過渡電纜槽（井）將各自電纜槽內的線纜平順連接。三維BIM協同環境下的路橋過渡電纜槽（井）接口設計如圖8所示。

圖8 路橋過渡電纜槽（井）接口設計

5 結束語

本文結合BIM在鐵路土建工程中的應用實踐，從“骨架-模板”設計方法出發，圍繞三維協同設計環境、骨架設計、構件模板裝配設計和專業間接口設計，形成了一套鐵路土建工程BIM協同設計方案。該方案實現了土建工程不同專業間的協同設計及批量BIM建模功能，可為后續BIM技術在鐵路工程中的應用提供借鑒。目前鐵路土建工程BIM設計大多基于國外通用軟件平臺開展，未來將集中力量開發具有自主知識產權的BIM設計軟件，并積極進行工程驗證。