基于BIM的鐵路軌道工程三維數字化設計構想

朱福典

（西安鐵一院工程咨詢監理有限責任公司，陜西 西安 710065）

1 軌道設計現狀及問題

隨著我國交通行業的迅速發展，我國鐵路軌道的規模也逐漸龐大，對于高速鐵路軌道的設計工程面臨著前所未有的機遇和挑戰，因此，應該用最高的效率設計出高質量的鐵路軌道。實際上，目前我國高速鐵路軌道的設計技術中仍然缺乏系統且專業的軟件，并且軟件的交互性和設計成果等方面仍然存在著缺陷。在我國目前的鐵路軌道的設計技術中，仍然存在許多問題等待解決。（1）在實際的設計過程中，所有的設計圖紙都是二維的圖紙，實際上二維這種表示模式并不能夠形象地反映出想設計出來的實際鐵路軌道的結構，也無法被廣大群眾所理解，只能由專業的工程師進行分析和解讀，影響了圖紙的設計意圖的表達以及工程建造的理解；（2）二維圖紙無法直觀地表現出軌道各個接口之間部件的實際連接關系，無法對軌道中的各個部件進行碰撞檢查，影響建造過程的實際運行；（3）設計的成果不能夠有效地為線路經營以及管理發揮作用，在線路的經營管理的過程中，只能通過查閱資料和設計的存檔才能夠理解設計的具體方式，無法對問題進行及時的解決，而且如果要保存大量的二維圖紙也是相當復雜的；（4）目前，我國的高速鐵路軌道設計正在向外輸出，這就導致我國的鐵路軌道設計面臨著國際市場的挑戰，如何滿足國際軌道的需求以及如何適應國際的管理和建設的差異性，也是當前我國高速鐵路軌道設計需要解決的問題。

2 建筑信息模型（BIM）的由來以及應用

2.1 BIM的由來

最初，人們在建筑行業中開始使用計算機進行輔助建筑時，發現了在設計和建造的過程中，還存在許多的手工設計建造的過程來制約建造的效率。如果想進一步提高效率，就應該將對建筑的設計從圖形轉變到模型觀念上，思考應該如何將幾何信息、物理屬性良好地結合起來，這就是建筑信息模型（BIM）的由來。BIM是在2002年由Autodesk提出的，最初是使用在建材行業中，后來逐步使用到其他產業中，而且涵蓋了工程項目的策劃、方案設計、施工以及實際使用等方面。國際習慣上將BIM界定為通過運用國際上面的行業標準來對基礎設施進行設計，另外，還包括對這些基礎設施的生命周期進行數字化的展示，并且為設計的過程提供技術，目的都是為了能夠重視建筑項目工程的意義。

2.2 BIM如何具體應用于建筑設計

與傳統的設計模式不同的是，BIM能夠將建筑工程的所有信息集中在一個三維數字模型中，具有三維化、可協調性的特點，能夠進行自動模擬和自動出圖，并且在建筑行業中獲得了很普遍的應用，特別是在建筑行業中。在國外，許多大型的建筑軟件基本上都按照了BIM的規范，而且都是把建筑設計的思維模式與實際行為的模式組合出來，表達了協調建設的基本信息。在國際上，面對BIM技術的廣泛應用以及設備越來越完善，目前，很多單位的建筑建設中都需要使用基于BIM的三維數字化建設技術，以此實現了一個節約資源和提升建設效果的目的，運用BIM技術進行建造建筑已經成為目前最流行的一種建筑方式。另外，我國對基于BIM技術的運用時間并不長，還處于剛開始階段中。基于BIM技術的建筑技術能夠優化傳統建筑的設計流程，有著極大的創新意義和合理性，必然會成為建筑建造技術的發展趨勢。

3 運用基于BIM技術進行鐵路軌道的三維數字化設計

目前，我國使用基于BIM技術進行高速鐵路軌道的設計方案中，仍然存在著許多尚未解決的問題，三維數字化設計技術的優勢還未體現出來。根據鐵路軌道結構標準化的特點，標準的鐵路軌道結構能夠有效應用于BIM的設計技術中，另外，中國的鐵路軌道設計面臨著向外輸出發展的趨勢，因此，在設計工程方面上還應該和國際接軌，從而來提高競爭的力量。因此，對于BIM技術應用于鐵路軌道的設計工程中的研究非常必要。

3.1 BIM技術運用于鐵路軌道設計的模式

運用BIM技術進行高速鐵路軌道設計模式和傳統的軌道設計模式進行比較，最大的區別就是能夠通過3D數字化的設計技術對軌道進行設計，并且在設計的過程中，軌道內部的構件有著密切的聯系，如果其中的某個構件發生了變化，和它存在一定聯系的部件都會發生變化，并且利用3D軌道的設計模式能夠進行碰撞實驗以及對成本進行預測等。另外，采用3D設計的模式能夠自動生成所需要的各種文檔和圖片，并且這些文檔和圖片與設計模型之間存在著聯系，如果設計的模型發生改變，那么，這些文檔和圖片也會發生改變。

基于BIM技術的高速鐵路軌道設計的模型基本包括所有的信息和元素，并且鐵路軌道中的各種信息和元素之間的關系也是通過BIM進行連接的。其中，鐵路軌道的主體以及部分主要的構件是運用BIM技術進行設計的核心，基本的對象不再是傳統模式中的點線面這些基本的幾何元素，而應該是鐵路軌道中實際的鋼軌或者是扣件等基本構件構成的整體。運用BIM技術能夠將這些分散的軌道構件集合成為一個系統的整體，并且能夠按照要求和一定的邏輯，自動生成一種三維數字化模型。

3.2 基于BIM技術的軌道的設計技術系統

實際上，BIM技術是一種將三維數字化技術作為基礎，將高速鐵路軌道中的所有信息以及與其相關的信息和元素進行集合，并且將其系統地封裝在工程模型中的一種技術，也同樣是一種面向對象的技術。根據實際的鐵路軌道設計模式來講，BIM設計技術能夠對其中的構件進行抽象和自動集合封裝，有利于實現相關的計算機程序。

（1）鐵路軌道構件的抽象化。在計算機科學中，抽象化的含義就是將其中的數據和程序用計算機語句來表現出具體的結構形象，能夠有效地減少計算機程序設計的復雜度。對于高速鐵路軌道的抽象化，通常包括兩個方面的內容，一是對鐵路軌道的初始數據進行抽象化，實際上就是對于鐵路軌道的縱面數據等，對于鐵路軌道構件的抽象實際上就是對鐵路軌道的基本結構進行抽象。如果要對全線鐵路軌道的構件進行抽象，那么下屬的鐵路軌道部件的構建參數都可以看作子對象。根據組成的實際對象，這種設計的模型比較簡單并且有著較強的系統性。再結合基于BIM技術的鐵路軌道設計需求，能夠對鐵路軌道的一系列的基本部件進行抽象化，使其能夠成為一系列的基本的三維對象。另外，這些三維化的對象能夠作為設計的參考數據，包括基本的幾何信息以及材料和外部的約束條件等，再加上對于不同三維對象的不同操作方式，能夠對鐵路軌道抽象的基本對象進行專業性的表達以及操作。

（2）高速鐵路軌道的設計與組裝。在高速鐵路軌道工程的實際設計過程中，應該首先參考鐵路軌道設計的技術標準以及鐵路軌道的部件構件標準參數來選擇鐵路軌道的具體建造方式。所以，設計工程師應該首先從基本的軌道類型的件庫中選擇更加高級的軌道對象，軌道對象中包括構件的基本參數信息。如果標準庫中不存在所需求的基本對象時，應該首先在標準件庫中建立這種對象然后再進行使用。

3.3 具體的設計方式

因為高速鐵路軌道的工程實際規模較大，傳統的設計技術是通過借助計算機進行輔助來實現的。由于計算機的硬件發展并沒有達到可以將三維數字化設計大范圍普及，因此，使用傳統的設計模式會嚴重制約高速鐵路軌道工程的設計。目前，計算機硬件已經得到了廣泛的推廣和發展，三維數字化的設計技術也在各行各業中都得到了推廣。結合高速鐵路軌道的設計需求，運用BIM技術進行建造的過程中應該構建鐵路軌道三維數字化模型，所以使用Auto CAD Civil3D作為開發平臺是最合適的。通過借助基于BIM技術的高速鐵路國道設計即在計算機平臺上對一些特殊功能定制開發，能夠獲得高速鐵路軌道建造的一些基本數據，然后再通過設計軟件進行創建，構建內部的邏輯結構，從而形成高速鐵路軌道的BIM模型，并且應該結合實際用相應的算法得到相關設計圖紙。

4 結語

綜上所述，文章系統地分析了高速鐵路在軌道交通設計與施工中的實際情況應用以及其中存在的問題，而且還分析了運用基于BIM技術進行對高速鐵路軌道的設計的優勢，另外，還對基于BIM技術的鐵路軌道交通三維數字化設計的模式以及應用系統方案設計與實施的新方法。此外，根據目前計算機技術的硬件與軟件方面的相關應用的專業技術，以及通過設計軟件平臺進行的面向對象的程序設計技術，建立了通過運用基于BIM技術來建造高速鐵路軌道工程的設計系統。