基于达索系统的轨道BIM设计算量方法研究

贺 欣

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

0 引言

依托三维信息技术，轨道工程BIM技术是传统轨道工程专业与信息技术的融合。在具体应用中，BIM技术贯通轨道工程全生命周期，包括设计阶段、施工阶段及运营维护阶段。而设计阶段的轨道工程BIM技术是全生命周期应用的基础，因为后续施工阶段及运营维护阶段的BIM应用均需在设计阶段建立的几何信息、功能信息、物理信息及价格信息等信息模型基础上开展工作[1-3]。

达索系统包括设计建模模块、施工仿真模块、计算分析模块及协同管理模块，且支持IFC数据存储标准。达索系统采用数据库存储方式，适用于数据量庞大、需要全线实例化建模的轨道BIM设计。

1 设计阶段的轨道工程BIM技术

在轨道工程施工图设计阶段应用BIM技术，首先需要根据轨下基础等因素确定轨道结构形式，明确是采用有砟轨道还是无砟轨道。如果是无砟轨道，需要进一步确定无砟轨道类型采用的是弹性支承块式无砟轨道还是CRTSⅢ型板式无砟轨道。

无砟轨道BIM模型应具备指导现场施工的功能，故在建立三维轨道模型时要严格按设计尺寸建立。无砟轨道BIM设计中应根据划分的不同工点建立相应的三维实体钢筋模型，因为设计方需将三维模型生成的二维图纸或三维钢筋模型移交给施工方用于指导施工。BIM的基础是三维模型，核心是信息模型，需要按照不同轨下基础，如路基段、桥梁段、隧道段及车站岔区等，将全线三维轨道模型实例化出来。全线实例化轨道模型的重要目的是将轨道工程BIM应用延续到运营维护阶段。在实例化全线无砟轨道过程中，考虑到模型数据量因素，可将具体钢筋数量用IFC属性表示，以此替代全线的三维钢筋模型[4]。

无砟轨道结构力学计算也是轨道BIM设计阶段需要解决的问题。在达索系统下的设计建模模块中建立三维轨道几何模型，然后在计算分析模块中打开该模型，再进行部分有限元前处理工作，即可进行结构计算。当设计模块中建立的几何模型发生尺寸改变时，计算分析模块中的模型尺寸同步发生变化。在达索系统下进行结构力学分析，利用设计建模模块的三维建模之“长”弥补了计算分析模块的三维建模之“短”，比传统二维设计中在单一的通用有限元软件中建模、计算分析更有效率优势。

计算无砟轨道工程数量是设计工作中的重要部分。BIM设计中可充分利用全线轨道模型中的工程数量信息来统计工程数量。达索系统支持BIM数据存储标准（如IFC标准），达索系统也有功能强大的协同管理模块。但鉴于轨道工程BIM应用是一个全新的领域，无法使用既有功能实现轨道工程BIM算量，需要开展深入的分步骤研究[5]。

表1 轨道工程BIM算量部分属性集

2 扩展IFC标准

IFC标准为国际ISO标准，是由Building Smart组织开发的应用最广的BIM数据存储标准。既有IFC标准不能完全涵盖铁路行业特有的专业（如轨道专业），故首先需要扩展IFC标准以满足轨道工程的实际应用。

轨道IFC数据架构主要由空间结构单元、构件、组合件及零件4种类型组成。空间结构单元从空间概念上分解研究对象，其代表抽象的概念。轨道空间结构单元定义有：轨道（Ifc Track）、轨道段（Ifc Track Part）；构件表示研究对象组成中的重要物理实体，轨道构件主要有：钢轨（Ifc Track Rail）、扣件（Ifc Track Fastening）、轨枕（Ifc Track Sleeper）、轨道板（Ifc Track Slab）、底座（Ifc Track Base）、道砟层（IfcTrack Ballast Layer）等；由多个物理实体构件结合而成的集合称为组合件。组合件定义有：轨排（Ifc Track Panel）、有砟道床（Ifc Ballast Bed）；零件同样是物理实体，虽然依附于构件存在但是不可或缺。轨道零件有：钢轨接头（Ifc Track Rail Joint）等[6-7]。

将轨道工程按如上标准定义分类后，为满足应用需求，需要继续定义轨道IFC分类所拥有的属性集（Property Set），因为既有IFC表示数量的属性集等不足以满足工程数量计算汇总需求。目前自定义的属性集主要有对应于各扩展类的通用属性集和为满足工程算量需求的算量属性集。轨道工程BIM算量部分属性集见表1。

针对轨道工程算量应用将IFC标准扩展后，在达索系统中建立轨道BIM模型时需要严格执行IFC标准以实现后续检索数据。通用属性集以及算量属性集所包含的具体内容过于繁多，编写Rules以便在实例化模型过程中自动添加各属性集。如体积、质量、表面积等算量的属性值可根据实体模型自动计算生成，随着每次实例化模型的不同，这些属性值也随之自动变化。

3 生成及解析XML文件

ENOVIA是达索系统中的工程协同管理模块。将ENOVIA模块和轨道BIM设计模块CATIA、SIMULIA结合起来，构成轨道BIM全生命周期的管理应用。以ENOVIA为管理平台可实现轨道工程全生命周期管理，通过协作设计、后期管理、轨道信息一体化，帮助企业开展项目工作并节约成本。与此相关的ENOVIA模块包括项目管理模块和配置管理模块。在具体使用过程中为达到使用目的及方便操作必须进行功能扩展开发。

对ENOVIA端进行二次开发扩展出其导出XML文件的功能。ENOVIA导出XML文档的逻辑过程见图1。通过ENOVIA扩展功能按照用户所选择的轨道工程结构树导出XML格式的文件。该XML文件保留了建模时的构件父子结构关系，同时也完整地保留了IFC扩展属性集。

汇总程序是为解析XML文件进行轨道工程数量计算而自主开发的小程序。汇总程序将轨道工程BIM模型和传统轨道设计中的算量报表无缝衔接在一起。通过ENOVIA端导出XML文件，轨道工程BIM模型的算量信息以XML文件格式表达。按照传统设计需求设计工程算量Excel报表格式。汇总程序按照设计要求解析XML文件，最终在Excel报表中得出轨道工程BIM算量结果。

采用上述计算思路可大大降低程序计算的耦合性，提高程序应用的灵活性，方便设计人员使用及利于后期应用扩展。由于轨道工程算量报表可以脱离汇总程序自行设计形式，该算量方法适用于现有各种类型无砟轨道和有砟轨道。

图1 ENOVIA导出XML文档的逻辑过程

4 算例分析

以隧道内支承块式无砟轨道为例对该方法进行验证分析。隧道内支承块式无砟轨道主要包括钢轨、扣件、支承块式轨枕、混凝土道床、道床伸缩缝等部分。分别按照传统设计和BIM设计算量方法计算某段位于曲线范围的无砟轨道工程数量（见表2）。

由表2可知，利用该BIM算量方法得出的计算结果与传统计算方法得出的结果相比，大部分计算项目的差值百分率在1%之内。对于受曲线因素影响的工程数量，如无砟道床及伸缩缝工程数量，采用该方法所得计算结果会更小。

在传统二维设计中，无砟轨道施工图纸和工程算量是相互分离的，算量过程繁琐且易出错。当施工图纸发生变化后，需要人工录入和修改算量文件，耗费人力和时间。另外，对于几何形体不规则地段（如圆曲线及缓和曲线地段）的混凝土数量、伸缩缝数量等，采用估算包络值的方法得出的计算结果不够精准。

在轨道工程BIM设计中计算工程数量，其计算能力要强于传统二维设计。例如，对于曲线及缓和曲线地段道床板混凝土及伸缩缝，BIM设计中按照设计超高建立模型，可以精确地计算出工程用量；对于预制的CRSTⅢ型轨道板，由于已将全线轨道板实例化出来，不会出现人为因素导致的数量统计错误，进而避免了实际工程浪费。同时，基于BIM模型计算工程数量的效率更高。程序可按照选择的模型节点自动计算出工程数量。轨道BIM设计与工程算量工作可同步开展，当发生设计变更后，重新实例化模型即可立即计算得出相应的工程数量。

轨道BIM设计中计算工程数量，需要在建模过程中按照IFC分类给全线各种类型轨道赋予通用属性集和算量属性集。计算范围涵盖路基、桥梁、隧道、车站等，需要采用自动化建模方法才可满足设计要求。且在建模前需要确定好概算段落，若设计中途发生概算段落变更，需将模型节点与概算段落重新对应并重新建立模型。

5 结束语

在达索系统中开展轨道工程BIM设计，需要以BIM模型为基础计算工程数量。通过扩展IFC标准自定义得出适用于轨道工程的IFC标准，包括IFC分类及各种属性，再从达索系统中导出含有轨道工程基本属性以及算量属性的XML文件，利用汇总程序解析XML文件，可以得到轨道BIM设计阶段的工程算量。通过与传统设计计算结果进行对比分析，该方法的计算结果可信。该方法通用性强，可进一步推广应用于其他站前专业，其成功应用为在实际工程中使用BIM技术进行轨道工程设计奠定了基础。该算量方法可以计算出轨道工程绝大多数的工程数量，但在实际设计工作中，对于部分附属设施，如线路标识、位移观测桩及备品备料等，受建模精度等综合因素影响，暂无法由BIM模型统计出工程数量。

表2 2种方法计算的无砟轨道工程数量对比