基于BIM技术的铁路站场设计应用与研究

2018-05-30孙军先杨文成

铁道勘察 2018年2期

孙军先杨文成

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

铁路行业是我国经济实力的重要体现，“中国高铁”已成为我国走向世界的新名片。传统铁路建设方法以CAD软件设计为基础，整个勘察设计过程中缺乏系统性，各专业及各部门之间缺乏协同性，设计接口易出纰漏，设计成果缺乏直观性和准确性，往往造成效率低、返工多、成本高等问题。

BIM技术在诸多发达国家土木建筑领域的应用已日臻完善，形成了较完整的BIM技术体系。国内曾一度受限于软硬件技术及成本等因素，对BIM技术未有足够重视，应用范围小，发展迟缓。近年来，我国经济技术高速发展，工程建设水平不断提高， BIM技术在国内土木建筑领域得到快速普及[1-2]，越来越多的建设单位尝试采用BIM技术对项目进行规划、设计，从而提高建设和运营管理的效益[3]，在哈大客专、兰新高铁等工程皆取得了诸多成功经验[4]。铁路站场设计工作专业繁多，分工较细，影响因素复杂，精度要求高，协作性强，对传统CAD设计方法改进的需求愈发迫切。基于我国高铁项目智能化、数字化的要求，以及中国铁路总公司对BIM技术试验和探索的要求[5]，结合铁路站场BIM设计工作实际经验，对BIM技术在铁路站场设计中的应用进行论述和总结。

1 制订铁路站场BIM设计相关标准

铁路站场BIM设计工作开展之初，最重要的是制定一套较完整的标准体系，即需要规定BIM模型包含的内容信息。完整的BIM模型不仅含有几何信息，还包含众多非几何属性，以及各种非几何属性或几何属性间的逻辑关系[6]。目前，国内外研究的BIM技术应用标准，与铁路站场相关的主要有五大类[7](见表1)。

1.1 铁路站场BIM信息内容分析与编码

目前，国内铁路领域的BIM标准大多在修订中，近年来开展的铁路站场BIM工作多以中国铁路BIM联盟于2014年底发布的铁路工程信息模型分类和编码标准[7]为基础。

铁路站场BIM信息内容有不同的表达方式，在设计阶段，经常按照形式特征、功能特征、工作类型特征来进行BIM模型的信息内容分析编码。形式特征编码主要针对一些抽象性概念，如中间站编码为52-05 10 00，编组站编码为52-05 30 00；功能特征编码主要针对具体的工程构件，如站场中的警冲标编码为53-06 06 10，站台编码为53-09 45 00；工作类型编码更多地体现在工程量统计或规定工法，如挖方编码为54-07 10 00，铺轨编码为54-16 10 00。目前，不同标准的铁路并没有进行区别编码，建议增加一位编码以区分不同标准的铁路(可以增加在编码首位，例如350 km/h的高速铁路编码为01，则通过编码01 53-06 06 10就可以直接反映出铁路等级信息)。

表1 主要BIM技术应用标准

1.2 铁路站场BIM模型信息的应用

站场BIM设计中，模型的常用信息多以功能特征来进行定义。通常站场的模型信息主要分三部分：站场路基工程、站场轨道工程及站场设备工程。

(1)路基工程：涉及站场和地质路基专业，主要用横断面的形式控制各处变化，包括路基基本土石方、两侧边坡防护、特殊路基支挡、管沟及其他各种附属工程(如图1)。

图1 站场路基工程模型示例

(2)轨道工程：主要指铺轨、铺岔、道床。轨道种类、道岔种类繁多且构成零件复杂，模型建立初期工作量庞大，但后期可复制性强(如图2)。

图2 站场轨道模型示例

(3)站场设备：包含内容较多，如站场道路(见图3)、各类构筑物(见图4)、客货设备等。不同附属设备包含的工程量差异巨大，涉及专业也非常复杂。

图3 站场道路模型示例

图4 站场围墙模型示例

2 铁路站场BIM软件平台比较

目前铁路站场设计软件主要为Autodesk(欧特克)、Bentley(奔特利)和Dassault(达索)[8，9]，如表2。

鉴于铁路站场设计的模型体量巨大及目前硬件水平限制，经试验比较，Bentley平台更适于铁路站场设计工作。

3 基于Bentley平台的铁路站场设计方案

铁路站场设计工作流程中，主要涉及到5个软件： ProjectWise是协同管理平台，属于设计工作的基础，贯穿于整个设计流程，涉及设计人员以及相关的非设计人员；MicroStation、Powercivil、RailTrack三个软件一起完成模型建立、属性赋予、工程量统计等工作，是铁路站场设计的核心；LumenRT可以将基础模型实现逼真、细腻的实景模拟。

表2 软件平台对铁路站场设计适应性对比

3.1 协同设计管理平台

ProjectWise可以为所有指定人员配置指定时间、设备及满足网络配置环境的操作平台，项目的全生命周期都可以通过ProjectWise进行跟踪控制。ProjectWise可以与Bentley的应用软件进行高效集成。Bentley应用软件在打开后会优先调用ProjectWise接口。

3.2 铁路站场BIM模型设计流程

设计一个完整的铁路车站，会涉及几十个不同专业，根据工作流程，各专业有“站前”、“站后”之分，站场专业通常归于站前专业。但实际车站设计工作中，站场专业基本与所有专业都存在交集。站场专业在某一设计阶段的BIM模型建立大致可分为4个阶段。

(1)几何模型绘制

首先根据线路正线模型，以轨顶高程为控制因素，采用Powercivil绘制站线线位的平纵面模型，其中，道岔的设计需要用到RailTrack软件。在航遥专业及地质专业提供的地形、地质模型基础上，用Powercivil建立车站的路基模型(见图5)。

图5 断面模板示例

根据不同设计阶段，横向坡度、排水设备等标准不同，其表层、底层、本体等基本模型组件可以通过建立相对标准模板库的方式提高土木模型的制作效率。在路基和地形的基础上，各种附属设备的几何模型用MicroStation逐步添加(见图6)。

图6 车站路基及附属模型示例

(2)属性信息赋予

目前，Bentley软件平台下的V8系列软件对属性添加功能支持较差，需要完成几何模型绘制后，在MicroStation CONNECT版中进行非几何属性(如图7)的添加工作。

图7 属性信息赋予示例

(3)多专业模型协同拼装

在各专业模型建立后，需要进行模型拼装、碰撞检查，其过程需要多次修改、反复完善，相较于传统设计方法，对各专业设计的精度要求更高。通过拼装检查，可以最大程度地提高设计的可行性、合理性，从而对工程项目的成本进行有效控制。

(4)工程数量统计

目前，Bentley软件平台的工程数量计算和统计功能应用在铁路工程领域相对较薄弱，仅可利用PowerCivil生成路基工程数量，利用ProStructure生成钢结构数量，其余仍以手工查看计算的方式为主，效率低下。需要各专业根据自身需求进行二次开发或结合其他软件才能达到理想效果。

3.3 模型后期处理

车站基础模型搭建完成后，通过LumenRT对基础模型文件进行实景渲染，可以添加乘客、绿化、汽车等诸多模型，并可以加入时间、季节、光影等不同自然环境特效，最终形成如图8的逼真效果。

图8 LumenRT轨道交通模型动画示例

4 铁路BIM技术未来展望

近十年来我国铁路行业高速发展，但勘察设计手段却基本没有改变，真正运用三维手段尝试解决铁路设计的成熟案例并不多见，而完全运用BIM技术进行设计的铁路项目还未得到实际认可。BIM软件基础框架目前已经较成熟，但铁路工程由于涉及专业多、周期长、影响因素复杂，需要对各种软件进行深入的二次开发，才能真正适用于我国铁路BIM设计工作。BIM技术在铁路站场设计中亟待从两方面进行推广：

①以MicroStation CONNECTION版和即将全新发布的OpenRail为基础平台，开发适用于本专业特点的插件和构件库[11]，满足如道岔计算、路基特殊处理、排水计算等铁路设计要求。

②加强点云勘测技术，点云技术配合BIM软件才能真正使勘察设计三维化、BIM化，实现勘察设计方法的真正革新。

[1] 张建平.BIM技术的研究与应用[J].施工技术，2011(2)

[2] 李云贵，邱奎宁，王永义.我国BIM技术研究与应用[J].铁路技术创新，2014(2):36-41

[3] 张建平，张洋，张新.基于IFC的BIM三维几何建模及模型转换[J].土木建筑工程信息技术，2009(1):40-46

[4] 汤志辉.基于BIM的铁路站前工程信息分类编码研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2016

[5] 余泽西.为全力打造“精品工程、智能京张”做贡献[J].铁道学报，2017，39(9):3

[6] 胡忠会.基于CATIA V5的三维标准件库和非几何属性库的开发及应用[J].航空标准化与质量，2003(6):13-15

[7] 李华良，等.铁路工程信息模型分类和编码标准研究[J].铁路技术创新，2015(3):17-20

[8] 何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息技术，2010(4):110-117

[9] 何波.BIM软件与BIM应用环境和方法研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5(5):1-10

[10] 施平望.基于IFC标准的构件库研究[D].上海：上海交通大学，2014