BIM技术在鲁南铁路轨道设计中的应用

马 弯

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，武汉 430063）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）是在开放的工业标准下，对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息的可计算或运算的形式表现，与建筑信息模型相关的所有信息组织在一个连续的应用程序中，并允许进行获取、修改等操作[1]。BIM核心在于提取并组织从项目提出、规划、设计、施工、运营乃至拆除的全生命周期的信息，以模型为载体，通过应用程序实现协同设计、三维展示、过程模拟和施工管理等功能。

铁路设计是一项庞大的系统性工程，需线路、桥梁、隧道、轨道和站场等30多个专业之间协调合作，传统设计方式旨在完成专业内单一任务，易造成专业间信息沟通不及时、设计意图不明确，形成信息孤岛。BIM技术包含的全生命周期信息有望解决以上问题，铁路行业已加速BIM理论与应用研究速度。

自2013年12月17日，中国铁路BIM联盟成立以来，多次召开铁路BIM标准研讨会，组织研究并发布了《铁路工程实体EBS分解指南》[2]、《铁路工程信息模型分类和编码标准》[3]、《铁路工程信息模型数据存储标准》[4]等多个BIM标准。同时，为推动BIM技术在铁路工程设计中的应用，铁路总公司先后开展了一系列试点项目，如新鼓山隧道BIM技术的应用研究[5]、武（汉）襄（阳）十（堰）铁路全专业BIM试点研究[6]、沪通铁路太仓港站综合路基BIM设计[7]等。本文以鲁南铁路为试点，确定轨道工程BIM设计思路[8-9]，探索在Bentley平台上的应用流程，为进一步研发轨道BIM设计系统提供参考。

1 工程概况

鲁南铁路试点长29.5 km，其中，含桥梁4座，车站2个。正线地段采用CRTSⅢ型板式无砟轨道结构，主要由60 kg/m钢轨、WJ-8B扣件、轨道板、自密实混凝土及限位结构、底座等组成；岔区采用轨枕埋入式无砟轨道结构，其组成为道岔钢轨、扣件系统、岔枕、钢筋混凝土道床板和支承层等；到发线采用有砟轨道，主要由60 kg/m钢轨、弹条Ⅱ型扣件、Ⅲa型有挡肩混凝土轨枕、道床等组成。

2 平台选择及设计流程

2.1 平台选择

考虑到Bentley平台软件的数据格式统一，均为.dgn格式，不存在数据格式不统一的障碍，可基于ProjectWise进行三维协同设计，实现制造、设计、施工、运营全生命周期协同，防止属性信息的丢失，且Bentley平台运行效率高，适用大体量工程信息模型的建立。因此，采用Bentley平台完成鲁南铁路轨道BIM设计。

Bentley平台中，软件包括Microstation V8i（MS）、PowerCivil（PC）、OpenRoads Designer、OpenRail Designer、LumenRT、ProStructures、i-model、ProjectWise（PW）、Bentley Navigator等。MS为基础建模软件，不具备专业模块功能，其余软件基于MS，以满足不同专业、不同阶段及不同功能需求的专业型软件。曲阜南站轨道设计主要使用的软件，如图1所示。

图1 Bentley平台

2.2 设计流程

轨道专业的设计流程，如图2所示。（1）依据线路、桥梁、路基等专业提供的资料，建立设计源文件，为设计骨架；（2）建立轨道构件库，主要包括道床横断面库、钢轨型号断面库以及轨枕、扣件等特征信息不随里程变化的轨道构件库；（3）根据设计源文件，利用所建立的轨道标准库进行轨道设计，形成轨道BIM；（4）以轨道BIM为基础实现轨道的三维展示、碰撞检测等功能。

图2 轨道BIM设计流程

3 轨道BIM设计

3.1 建立源文件

利用PowerCivil软件平面设计、纵断面设计、里程标注等功能实现线路设计，生成线路三维模型，如图3所示。基于线路模型，根据线下基础设计参数进行轨道设计，如桥梁、隧道设置里程等信息。

3.2 构件库

图3 线路三维模型

采用PowerCivil软件横断面模板的功能创建道床和钢轨等断面模型；利用MicroStation软件创建扣件、轨枕、轨道板等构件模型，如图4所示，构件模型的精度达到《铁路BIM模型交付精度标准》中LOD350施工图模型精度要求。其中，钢轨与轨枕尺寸信息依据型号设置为固定值；道床横断面有砟轨道结构型式进行参数化设置，以实现在设计过程中通过调整线间距、轨道结构高度等值实现快速设计。同时以特征定义的方式为钢轨、轨枕、道床等构件附加属性信息，包含尺寸、材质、里程、坐标、元素模板、元素标识、文件位置、模型描述、工程特征属性等信息，根据需求设置模型与信息的参数化。

图4 构件模型

3.3 轨道设计

设置项目的特征定义与元素模板，添加轨枕、钢轨、道床等不同构件的层、线型、线宽、材质等属性信息；用于预定义各模型的属性信息，规范具体工程项目中的操作。通过工程项目属性的规范，将构件模型与工程项目结合，实现构件模型的实例化。便于自动化实现因构件模型、横断面模板修改引起的变更，即可实现工程模型的参数化，同时便于软件对模型的识别及后期工程算量、碰撞检测、施工过程模拟。

利用廊道模型功能，通过指定项目线路、起始里程、终止里程、横断面模板实现轨道设计，如图5所示；对于轨枕、扣件等构件模型，通过读取线路信息模型，结合桥梁、隧道等数据，以及输入不同段速度区间实现超高计算，进行轨道设计，最终形成轨道模型，如图6所示。

图5 轨道设计

图6 有砟轨道、双块式无砟轨道、Ⅲ型板式无砟轨道

3.4 应用

（1）碰撞检测

采用Navigator实现专业内与专业间模型的碰撞检测，及时避免道岔区转辙机与轨道碰撞、桥隧结构与轨道结构的匹配性、轨道板布置的不合理等问题出现；除上述硬碰撞外，需对设计中的软碰撞进行检测，如钢轨伸缩调节器设置、无缝线路是否满足规范要求等。

（2）施工过程模拟与进度管理

在BIM设计成果的基础上，模拟计划施工，分析施工计划的合理性，与施工方联合展开更为全面的施工组织深化模拟。便于明确各专业施工中遇到的问题，以及进行施工前的培训演示等。在施工过程中，记录实际施工进度，智能对比分析进度偏差，实时预警进度偏差等。

4 轨道BIM设计系统构想

基于BIM技术在鲁南铁路的应用，提出铁路轨道BIM设计系统构想，如图7所示。系统拟实现的目标如下[8-9]：

图7 轨道BIM设计系统构想

（1）制定轨道BIM的工作环境，用于存储界面、构件库、图形标准、数据标准等信息。

（2）统一创建模型与附加信息所需遵循的标准文件，以规范构件的信息内容、存储方式，模型的精度等。在具体项目中，通过构件树将构件模型与项目连接。

（3）建立铁路轨道构件信息模型库，实现对构件信息模型与信息的管理。

（4）实现轨道BIM设计，可通过输入基本设计信息、快速读取线桥隧等专业设计成果进行轨道正向设计。

（5）生成的轨道设计成果可供相关专业辅助设计，含数据和模型，其信息内容与深度、模型精度等达标准要求。

（6）能够自动出图、算量、三维设计成果展示。

（7）实现各阶段的协同设计，将设计成果用于施工、运营以及养护维修阶段，各阶段重要数据可反馈至设计成果中，实现设计、施工、运营期间数据交互。

（8）能够实现工程管理，对工程模型与数据进行管理。

5 结束语

以鲁南铁路为试点，探索Bentley平台实现轨道BIM设计的流程及在轨道专业的可行性。（1）设计中完成了扣件系统、双块式轨枕、Ⅲa型长枕等构件库的建立，创建了钢轨、参数化有砟道床等横断面模板库，建立不同跨桥梁Ⅲ型板轨道结构、道岔区长枕埋入式无砟轨道等轨道组合构件库，以提高复用性；（2）设计过程中，定义特征、元素属性等，规范基础的工程属性；（3）进行简要的轨道设计、超高计算等；（4）探索轨道模型的后续应用；（5）目前，Bently平台的功能尚未达到轨道BIM设计的需求，提出轨道BIM设计系统的构想，仍需利用Bentley平台完善轨道构件库并实现构件库的管理；（6）创建并定制轨道专业模块，通过界面输入以人机交互方式快速实现轨道BIM设计；（7）需进一步探索扩展应用，利用工程BIM，深度探索施工模拟、碰撞检测等以验证方案与指导施工。

在此基础上，以BIM为载体，有效地与监测系统、设计建造一体化平台结合，存储并管理数据信息，实现模型与现场工程的实时连接等。