基于达索平台的路基工程BIM设计方法研究

雷晓雨，王 建，闫东旭，王海龙

（1. 中国铁路设计集团有限公司，天津 300251；2. 中铁九局集团工程检测试验有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

铁路路基工程设计BIM技术应用研究尚处于起步阶段，在技术层面存在很多障碍：一是缺乏技术标准，BIM软件间没有统一的信息交换标准，BIM应用各协作方没有统一的交付标准；二是缺乏明确的应用需求，铁路行业路基工程BIM技术应用价值点尚不明确；三是缺乏专业软件工具，没有完全适用于铁路工程多专业BIM软件平台[1-3]。

为探索铁路BIM协同设计方法，经过充分调研，在此选择达索平台作为BIM主平台，基于中国铁路总公司某试点项目，对路基工程BIM协同设计方法进行适用性研究，并总结了路基工程BIM设计流程。

1 路基工程BIM设计流程

某无砟轨道铁路BIM试点工程，线路长6.4 km，其中涉及路基工点4处，总长度2.2 km。路基工程BIM设计任务主要包括：建立路基左右路肩线、路堤及路堑本体设计，侧沟设计，边坡防护设计，支挡结构设计，地基处理设计等。

基于达索平台明确了路基工程BIM设计流程，根据该流程完成了路基BIM设计，即根据线路空间线（轨顶线）及地形三维曲面等基础资料研发路肩线、路基本体结构、侧沟、路基边坡、重力挡墙、CFG桩基处理的模型设计，完成了BIM工程数量计算方法与路堤模板的结合，实现了与线路、测绘、轨道、地质专业之间的协同设计[4]。路基工程BIM设计流程见图1。

图1 路基工程BIM设计流程

2 路基工程BIM设计要点[3-4]

2.1 模型搭建

在该试点项目中，路基工程的4个工点包含高路堤、深路堑、挡墙以及地基处理等工程类型[5]。模型搭建中充分利用三维地形，确定路堤路堑分界，在此基础上选用不同的工程模板建立路堤、路堑、侧沟及边坡模型；然后在总的路堤或路堑实体模型下，检查是否有设置支挡的需要，进而从三维模型中直观地确定设置支挡工程的范围和形式；最后进行地基处理模型的搭建。路堤、挡墙模板实例化效果见图2。

图2 路堤、挡墙模板实例化效果

2.2 路基专业与各专业的协同

利用达索平台，通过专业间结构树的协同作业空间，路基专业共完成以下工作：

（1）路基专业与线路专业：依托线路空间线完成路基专业路肩线设计，并提交路基专业外轮廓线用来确定用地界。

（2）路基专业与测绘专业：结合测绘地形，对路基专业路基结构模板进行优化设计，确定路基放坡参考。模板与地模交互见图3，反映了路堤放坡、排水沟与地面地形的紧密结合。为提高三维模型展示效果，路基专业向测绘专业提供地形修剪范围线，确定路基及路堑范围。

（3）路基专业与地质专业：与地质专业地层模型结合，检算地基处理长度与范围。模板与地层信息交互见图4。由图4可知，进行桩基处理的地段为新黄土层较厚段落，地基处理桩基均打穿地质新黄土层进入较好土层，符合设计原则要求，设计桩长合理。

（4）路基专业与轨道专业：向轨道专业提供路基工点在空间左线上的起讫里程点，为线路及相关专业提供单平台的协同参数。

图3 模板与地模交互

图4 模板与地层信息交互

3 与传统设计方法对比分析

（1）从二维设计到三维设计。传统路基设计模式是建立在横断面基础上的二维设计，采用的地形参考为测绘提供的横断面；BIM设计则是在三维地形上建立的三维立体模型，再根据三维模型进行设计。BIM三维设计模型更直观，对于细节及控制点的表现更突出。

（2）与传统三维设计模式的比较。传统的路基三维设计同样是建立在横断面的基础上，在施工图纸已经确定后，根据图纸进行相邻横断面间点线面的连接形成三维模型，即倒模设计；BIM设计模式则根本不同，采用模板或程序生产三维模型，再用三维模型与地形面或地质体进行运算得到三维实体。这种设计模式不依赖于图纸，是一种正向设计形式，可应用于设计的不同阶段，甚至可利用三维模型生成路基需要的二维图纸。

（3）措施的选取。路基传统设计中，设计措施的选取与地质资料、外业资料、平纵断面及测绘资料相关；BIM设计措施的选取方法与传统设计方式基本相同，但也有自身的特点，例如在外业调查方面，以往外业人员根据1∶2 000图进行调查并为措施的制定提供参考，而BIM设计模式中航测资料是一种重要手段。在BIM设计中，相对于1∶2 000图，航测图宽度更大、更精细。因其可参考的范围更广，对于路基的限制条件增多，使路基专业人员现场确定措施时考虑的因素增加，需要调查的范围扩大，外业工作量相对增加。但另一方面，这项工作量的增加会使措施制定更加合理，危险源的发现更加及时，在一定程度上减少了内业工作量，减少了设计变更。

（4）设计修改。传统设计中，设计修改需要工程师在CAD图上进行手动改正。某个工点、某个尺寸的变动可能需要多步手动操作来实现；BIM设计由于是参数化建模，当设计的模板参数合理时，如需对模型某一参数化的尺寸进行修改，只需改动1个数字就能完成，若几个工点均需要做同样的修改，则效率较传统设计有明显提升。然而，对于若干细节参数需要修改而大部分不需修改的工点，如果分段不够详细，还需对工点重新进行划分，则效率较传统模式将大大降低。

（5）协同作业方式及内容的变化见表1。

（6）数据存储的变化。在数据存储方面，达索平台与传统设计模式相比有以下不同：所有版本均可在达索平台上按照一定的权限进行专业内与专业间的搜索、浏览和修改操作，实现设计资源的协同共享，免去传统设计互传资料的环节；每个设计节点均对应相应的责任者，不同的责任者之间可进行节点责任的转移变更，方便设计任务的分配与管理；通过二次开发可实现工程量计算方案与IFD、IFC专业分类编码的对接，可实现专业设计同行业及国家标准的对接。

4 适用性分析

基于达索平台的BIM设计模式适用性分析见表2。通过分析BIM设计模式及达索平台的优势及不足，得出以下结论：

表1 协同作业方式及内容的变化

表2 基于达索平台的BIM设计模式适用性分析

（1）对于路基工程设计而言，目前BIM设计模式更适合于初设或施工图阶段方案相对稳定的情况。

（2）措施的把控不再受制于横断面的疏密，基于三维地形的路基设计更具全局性。

（3）模板需要依托大量BIM项目进行积累，当基础资料（三维地模、地质模型、线位精度等）可靠时，采用这种正向的三维设计模式在一定程度上能够减少变更。但与传统路基设计作业效率相比，还有一定差距，需要通过大量研发工作来提高效率。

（4）由于平台的统一性，基本实现了各专业的平行作业及协同作业，平台在数据保密方面效果突出。

（5）面对路基复杂的工程结构，BIM平台对结构体建模的支持较完善，而对半结构体的设计要达到设计需求还有很大差距，造成专业设计人员在开展BIM项目工作中，需根据平台优势调整设计思路，结合本专业特点针对平台缺陷进行大量研究和开发，因此对于路基工程BIM设计研究与应用，二次开发工作将是今后一段时间的主要工作。

（6）平台兼容性有待提高，开发端口需更加开放，交互界面需进一步优化。