BIM技術在滬通鐵路站場路基設計中的應用研究

卞友艷

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

BIM作為一種全新的技術，受到國內外學者和業界的廣泛重視。住建部和各地方政府也不斷出臺相關政策推進BIM技術在工程建設全生命周期中的應用。中國建筑施工行業信息化發展報告連續多年均以BIM為核心主題，這些都體現了BIM技術的應用將成為新經濟時代設計企業發展的核心競爭力。近年來，我國鐵路建設取得了突飛猛進的發展，對新技術、新產品的研發與應用也層出不窮，雖然BIM技術在鐵路行業應用較建筑、水電等行業起步較晚，但發展迅速[1-15]。2013年12月，“中國鐵路BIM聯盟”正式成立，隨后相繼頒布鐵路行業BIM應用相關標準[16-18]。然而，鐵路工程因具有場地廣大、專業眾多、施工組織復雜、運營維護不便等特點，目前市場上現有的BIM設計軟件模型底層編碼及數據存儲格式都是按照建筑物的相關規范進行編寫的，均不能滿足中國鐵路行業的規范要求。尤其車站綜合路基工程，涉及專業多，相關BIM設計軟件不夠成熟，BIM技術應用研究較少[19-20]。本文基于滬通鐵路，通過選取Bentley平臺，并結合少量二次開發，探索了鐵路工程中路基BIM技術應用路線，為BIM正向設計的發展提供參考。

1 項目概況

滬通鐵路位于長江三角洲地區，是中國鐵路總公司16個BIM推廣應用項目之一。為研究BIM技術在鐵路綜合路基中的應用，選取太倉港站開展BIM設計。太倉港站位于太倉市與常熟市交界處，地形平坦，全長2 600 m，站前工程包含測繪、線路、站場、路基、橋梁、軌道等多個專業。該車站為軟土路堤，主要設計內容包括路堤基床結構、地基加固、邊坡防護、排水系統以及框架橋涵。

2 BIM設計方案

現有BIM設計主流軟件平臺主要有Autodesk、Bentley和Dassault，三者均有各自的BIM軟件系統及數據交換接口。Autodesk在建筑行業應用最成熟，Bentley在水電行業應用較多，Dassault在建立精細化設計方面有獨特之處。然而，目前沒有任何一款軟件能夠解決所有BIM問題。滬通鐵路太倉港站綜合路基涉及專業多，Bentley的協同管理平臺ProjectWise可與Bentley設計軟件無縫集成，從而實現項目多專業的協同設計管理。Bentley面向道路、鐵路、橋隧、場地、地下管網等基礎設施開發的專業軟件PowerCivil(以下簡稱PC)基本可以滿足鐵路站前相關專業的BIM設計[21-22]。

本文基于PC進行綜合路基BIM設計的工作是在傳統設計“平-縱-橫”的工作流程基礎上，根據BIM設計要點，以協同工作的理念，按照“設計準備—平面設計—縱斷面設計—橫斷面模板設計—創建廊道—附屬設施設計”的工作流程開展工作，其設計流程如圖1所示。

圖1 基于PC的綜合路基BIM設計流程

3 項目應用研究

3.1 搭建協同管理平臺

為規范ProjectWise協同管理環境，結合工程項目分解要求，依據《鐵路工程信息模型數據存儲標準》(IFD)等相關標準制定“滬通鐵路BIM項目標準框架”，明確ProjectWise中目錄框架、文件及文件夾命名標準、角色、權限、流程、通知等規則，完成基于Bentley的ProjectWise協同設計平臺的搭建，如圖2所示。

圖2 ProjectWise協同設計平臺的搭建

3.2 設計準備

3.2.1 創建數字地模

地形信息是項目最重要的設計資料之一，為生成地面線、邊坡放置以及工程量分析等工作的必須資料，設計準備需要對地形數據進行相關的處理，完成數字地模的創建和導入。將DWG地形文件參考至PC中，通過“最大三角形長度”法構建地形三角網，如圖3所示，形成三維地面模型。

圖3 地形三角網

3.2.2 線路平縱設計

線路平縱設計是路基設計的關鍵環節，線路方案從根本上決定了道路總體設計的水平。在PC中按照“交點法”繪制平面線位；點選平面線位，打開其縱斷面視圖，采用先插入坡度線再插入豎曲線的方式進行縱斷面設計，如圖4所示。

圖4 三維線位模型

3.3 站場路基設計

3.3.1 創建橫斷面模板

導入線路平縱和三維地面模型后，采用PC軟件廊道功能創建站場橫斷面。先利用橫斷面模板功能將路基面、基床、邊坡、平臺、腳墻以及排水溝等構筑物建成通用性的構件子模板，再通過“點特征”設置通用子模板之間的約束關系，使其實現聯動，從而合成路基橫斷面模板。如圖5所示。

3.3.2 廊道設計

橫斷面模板創建以后，激活地形模型，結合鐵路帶狀構造的特點，以“沿路徑拉伸創建實體”為原理，利用PC廊道功能，將橫斷面模板沿站場中心線對應到相應的里程范圍，從而創建三維站場路基模型，如圖6(a)所示。

圖5 創建橫斷面模板

對于復雜斷面，分別創建對應廊道，然后在匯合處進行模型剪切，再用共同的路基橫斷面模板構建融合以后的廊道，如圖6(b)所示，曲線股道對應的路基，外邊緣沿著曲線建模，解決了模型“以直代曲”造成的鋸齒問題。

圖6 路基模型

對于不同橫斷面模板之間的過渡，利用漸變法創建廊道。將前后橫斷面模板中，對應的漸變點，設置參數約束，從起始斷面到終止斷面，該參數由a值逐漸線性過渡到b值，實現復雜斷面之間的漸變過程，如圖7所示。

3.3.3 創建地基處理樁

地基處理樁為離散型布置，無法通過PC廊道功能直接實現。太倉港站為軟土路基，整個車站范圍都有地基處理樁，為提高建模效率，基于PC開發插件，實現參數化快速建模。基于路基廊道模型提取地基處理樁的設計邊界，再利用開發插件，通過指定路線、起訖里程、設計范圍及樁的設計參數創建地基處理樁模型，如圖8所示。

3.3.4 邊坡加固防護

路基邊坡防護模型先通過橫斷面模板功能創建邊坡構件，然后與路基模板組裝起來，通過廊道建模一起生成。骨架護坡等坡面防護通過建立面模型，利用Bentley材質貼圖功能進行渲染，鑲邊與腳墻則建立網格的體模型，如圖9所示。

圖7 多路基橫斷面模板圖8 地基處理樁模型圖9 邊坡防護模型

3.4 橋涵設計

滬通鐵路太倉港站含有6座框架橋和6座框架涵，為實現參數化建模，基于PC開發框架橋涵設計插件，支持1孔～3孔框架橋涵參數化設計，可以實現直交及斜交設計，如圖10所示，將設計效率提高了20倍以上。

圖10 框架橋涵模型

3.5 模型整合

利用PC的參考功能，將各專業的模型成果鏈接到總裝模型中。首先對總模型進行碰撞檢測，以供進行效果演示及其他深化應用。如圖11～圖13所示。

圖11 總裝模型參考各專業模型

圖12 模型碰撞檢測

圖13 總裝模型全景

4 結語

本文探索了基于Bentley平臺進行站場路基BIM綜合設計的解決方案，通過多專業應用實踐，主要結論如下。

(1)基于Bentley的ProjectWise協同管理平臺，可以實現多專業協同設計，方便專業間的設計交互。

(2)Bentley的設計軟件PowerCivil，基本可以滿足鐵路工程三維地模創建、線路平縱設計、站場簡單路基的設計，對于不同斷面之間的過渡，實現起來難度較大，相關功能還有待改進。

(3)PowerCivil無法直接進行地基加固樁及框架橋涵等離散型構建的高效設計，通過二次開發可實現參數化建模，解決了重復性工作多、工作量大的難題，有效提高了設計效率，初步實現了基于Bentley的正向設計。