基于Bentley平台的铁路路基BIM正向设计研究

谢先当，刘厚强，翟连吉

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

0 引言

相对于建筑行业，BIM技术在铁路行业的应用起步较晚，目前还处于初步发展阶段。铁路工程比建筑工程体量更大、专业更多、结构更复杂，对BIM技术的要求也更高［1］。随着BIM技术在铁路行业的深入应用，铁路BIM联盟接连发布了《铁路工程信息模型分类与编码标准》《铁路工程信息模型交付精度标准》等标准与规范，使铁路工程信息模型在建设、传递和使用过程中有据可依［2-3］，铁路工程设计将逐步由传统的纸质文档向信息化过渡，BIM技术势必在铁路工程设计中占据主导地位［4］。

目前，市场上的BIM软件仅提供基础的设计平台，而完全手动建模无法满足铁路路基专业的设计要求［5-6］，因此，需要明确铁路路基BIM设计的应用需求和价值点，并选择合适的软件平台进行二次开发。以丽香铁路居都谷—香格里拉区间路基为依托，通过BIM软件平台比选，选择基于Bentley软件公司的OpenRail Designer软件平台进行二次开发，对铁路路基BIM正向设计开展深入研究。

1 BIM设计流程

新建丽香铁路居都谷—香格里拉区间的路基BIM设计采用中铁二院工程集团有限责任公司基于Open⁃Rail Designer软件平台自主研发的铁路路基BIM正向设计系统CREEC-Railway-Subgrade（简称设计系统）完成。在铁路路基设计中，首先引用线路专业提供的线位数据、测绘专业提供的地面等高线数据以及地质专业提供的地层信息和地质参数；然后在设计系统中设置路基基本设计参数和桥、涵、隧、站接口数据，并进行路基本体、支挡工程、边坡防护、地基处理、排水工程等设计；最后基于模型进行工程量计算和二维出图。铁路路基BIM设计流程示意见图1。

图1 铁路路基BIM设计流程示意图

2 数据准备

OpenRail Designer是Bentley软件公司专门为铁路BIM设计打造的软件平台，为铁路BIM设计提供解决方案，该软件平台包含铁路线路、地形模型等基础模块。具体的数据准备工作如下：

（1）线路设计。通过在设计系统中开发线路数据接口，读取线路平纵断面要素，生成三维线位。线路设计界面见图2。

图2 线路设计界面

（2）地面模型设计。使用OpenRail Designer原生功能读取1∶2 000图中的等高线或高程点数据，生成地面三角网模型（DTM），但实际使用过程中存在生成速度慢、数据预处理流程多等问题。为此设计系统自行开发了通过读取高程点数据快速、准确生成地面三角网模型的工具。地面模型设计界面见图3。

图3 地面模型设计界面

（3）地质参数设置。现阶段铁路路基专业无法直接使用地质专业BIM模型进行路基检算，设计系统将地质参数和地层信息绑定在线路上，在路基设计过程中读取地质参数和地层信息，用于路基工程检算。地质参数设置界面见图4。

图4 地质参数设置界面

3 基本参数设置

路基设计的基本参数包括：路基设计原则、路基参数化构件参数、桥涵隧站接口数据设置。

（1）在路基设计原则中，对路基路面设计原则、路堑设计原则和路堤设计原则等进行设置，用于生成初始化的路基模型。

（2）由于OpenRail Designer的实体参数化功能较弱，创建路基工程模型时存在大量重复工作，且随着设计阶段的改变，需要重新创建模型并重新附加信息，模型利用率低、功能单一。通过建立路基参数化构件库，可提高建模和信息附加的效率。设计系统采用SQLite数据库对路基构件数据进行管理，系统运行时读取数据库中的数据，而系统开发的构件生成模块和信息附加模块可对数据进行分类和计算，实现在创建模型的同时完成信息附加。路基参数化构件数据库见图5。

（3）桥涵隧站接口数据主要包括桥涵隧站名称、起止里程、排水方式等参数。路基接口专业工程变更与调整对路基工程造成影响的，可通过调整接口数据对路基模型进行快速修改。

图5 路基参数化构件数据库

4 路基工程设计

在设计系统中路基工程BIM设计的基本原则为：根据路基工程构件设计的先后顺序组织设计，即前一项工程设计结束的位置为后一项工程设计开始的位置［7-8］。设计中引入“连接线”的概念，“连接线”起到连接2个工程构件的作用，将其设置于本工程构件的结束边界与后面的工程构件相互连接的位置。采用这种设计方式，系统可对路基工程结构进行详细分解，并理清构件之间的逻辑关系，将每个细节的设计做成1个功能模块，从局部到整体层层装配，最后设计出1套符合设计理念、精度高、易于修改的路基模型。

4.1 路基本体

依托三维线位和路面设计参数完成路基面、路肩及路肩线设计，路肩线作为后续工程设计的连接线。根据路肩线、地面模型和边坡设计参数，生成路堤边坡和路堑边坡。根据边坡坡脚连接线和排水沟、侧沟参数，生成排水沟和侧沟。路基本体设计模型见图6。

图6 路基本体设计模型

4.2 支挡工程

居都谷—香格里拉区间路基主要支挡工程为重力式挡土墙和衡重式桩基托梁挡土墙。设计系统将常用路基支挡工程参数置于SQLite中管理，在布置构件时，系统通过调用参数，使用内部算法计算生成模型，并在模型空间中显示。创建模型时，选择路肩线作为连接线，选择起止里程生成挡土墙，生成时读取保存在线路上的地质参数和地层信息，检算挡土墙埋深与范围，挡土墙生成后边坡与挡土墙自动拟合。支挡工程设计模型见图7。

图7 支挡工程设计模型

4.3 边坡防护

试点项目的边坡防护措施主要为人字形骨架护坡和土工格栅。护坡工程的参数管理与支挡工程一致，路堤地段骨架护坡创建以路堤边坡的坡顶线为连接线、坡脚线为结束边界线，并与坡面紧密贴合；路堑地段以路堑边坡的坡脚线为连接线、坡顶线为结束边界线，并与坡面紧密贴合。骨架护坡设计模型见图8。土工格栅的创建与骨架护坡近似，不再赘述。

图8 骨架护坡设计模型

4.4 地基处理

4.4.1 挖除换填

在路基设计中，挖除换填设计的灵活性较大，通过建立参数化构件实现设计的难度较大，且设计合理性有待验证，因此采用二、三维结合的手段开展设计。设计系统提供了横断面剖切功能，在指定里程处剖切路基，并将横断面保存在二维模型空间中。首先在横断面中绘制挖除换填线，再通过坐标变换将挖除换填线放置于三维模型空间中，最后利用空间挖除换填线拟合生成新的挖除换填设计模型（见图9）。

图9 挖除换填设计模型

4.4.2 复合地基

在DK129+900—DK130+710基床下方采用水泥土搅拌桩加固地基，在挖除换填设计生成新的地面模型的基础上开展水泥土搅拌桩的设计，读取地质参数和地层信息，检算地基处理长度与范围。进行水泥土搅拌桩加固处理的地段为软黏土层较厚段落，地基处理桩基均打穿软黏土层进入粉质黏土层，符合设计原则要求，设计桩长合理。复合地基设计模型见图10。

图10 复合地基设计模型

4.5 排水工程设计

路基排水设计是深化和优化设计的需要［9］。在路基本体设计中，路堤边坡的坡脚与地面紧密贴合，排水沟顺着坡脚线布置，由于地面起伏不定，无法满足排水要求。排水沟设计模块可通过修改对应里程处的沟底高程实现排水设计，符合设计习惯，操作方便、自动化程度高，有助于排水工程深化设计。排水工程设计模型见图11。

4.6 信息附加

设计系统赋予构件属性，摒弃通过外部插件EC ClassEditor编辑信息再附加信息的方式，而是在系统内部开发属性信息模块，实现信息附加。首先基于Open⁃Rail Designer编写ECSchema信息附加的模块，然后定义构件属性的参数类（任意属性均可定义），并根据ECSchema基本架构划分属性的层级关系。装配构件的同时，EC工具能够动态创建ECSchema，并将属性信息附加至构件，实现创建模型的同时完成相关属性信息的附加，提高信息附加效率，确保信息准确性。查看衡重式挡土墙属性信息的界面见图12。

图12 衡重式挡土墙属性信息界面

5 文件输出

5.1 工程量计算

Bentley软件自带的数量统计功能，只能简单统计模型的体积、面积，不能满足路基工程数量计算的需求。设计系统在路基工程数量计算模块中，将所有需要统计的工程按部位进行细分，统计时从已建立完成的模型中获取工程结构对应的部位，并统计该部位的数量、材料类型和单位等数据，逐个统计完成后进行汇总，即可得到该工程的工程数量，最终将计算结果按照特定格式输出到Excel表格。

5.2 二维出图

目前，基于Bentley平台的铁路路基BIM技术应用，还无法直接使用三维模型指导施工，而Bentley软件自带的出图功能还不能满足路基二维出图的需求。因此，设计系统开发了1套采用基于三维模型的二维出图工具，通过对模型进行剖切、投影，生成二维图纸，以输出设计成果（见图13）。

6 模型管理

铁路路基工点项目包含众多路基工程构件，且沿线路布置距离较长。为方便对某一具体工程构件进行定位和修改，需要对工程项目中路基BIM构件进行统一管理，给构件附加定位信息，以便修改时能快速定位对应构件［10］。设计系统采用构件IFD编码+里程信息的方式识别项目中每个构件［11］。定位信息是构件的唯一识别码，作为属性附加于构件上，程序遍历所有构件属性信息中的定位信息，通过读取预先定义好的构件层级关系，最终按照层级关系生成路基工程项目结构树，并通过点击结构树中的节点实现工程构件的快速、准确定位（见图14）。

图13 二维出图界面

7 问题与建议

（1）由于Bentley软件参数化功能较弱［12］，路基BIM设计软件定制路基参数化构件的方式，完全通过二次开发的程序驱动创建，对专业人员的软件开发能力要求较高，开发工作量较大；路基工程构件新增类型较多，要求构件库具有较强的可扩充性，需要丰富构件的生产方式，满足一般设计人员对构件库进行扩充的需求［13］。针对这种情况，需要将参数化构件与不可参变构件结合使用，建立构件时需对构件的参数进行分析、结构进行分解，最后进行组装。

图14 路基BIM结构树

（2）在复合地基设计中，复合地基模型还无法与地质专业地层模型结合，以检算地基处理长度与范围。现阶段只能用地层信息与地质参数检算，可视化效果较差。目前，路基工程检算（包括沉降分析、边坡稳定分析等）均无法应用于路基BIM设计，需要打通与地质BIM的数据接口，并将传统检算方法应用于三维模型，这需要路基专业人员与软件研发人员进一步深入研究。

（3）利用基于三维模型的二维出图指导施工，与传统设计方法无异。将三维模型作为交付成果，以三维模型和二维图纸结合的方式指导施工，并且逐步取代二维图纸，是未来路基BIM成果交付研究的重点。

（4）信息是BIM的灵魂，没有赋予信息的三维模型不能称为BIM模型。工程信息在各阶段间的传递是BIM技术推广应用的一大瓶颈，要建立完善的信息附加与信息筛选机制确保信息准确传递［14］。在设计阶段，要筛选规划阶段有应用价值的信息，利用这些信息设计、生成模型并附加相应信息，再传递至施工阶段。设计系统将信息附加的方法写入程序，在模型创建时即实现了将信息绑定于模型，不仅节约了手动附加信息的时间，还方便了信息的筛选、修改和扩充。

8 结束语

与传统利用二维图纸建立三维模型不同，正向设计是从无到有的过程，即在只有设计概念的状态下，由工程设计人员收集各种原始资料，经过计算分析、审核优化等过程，最终得到相对合理的设计成果。随着BIM在铁路行业的深入应用，逆向翻模的方式将逐渐淘汰，正向设计已成大势所趋。基于Bentley平台的铁路路基BIM正向设计研究表明，该铁路正向设计路线现实可行，应加大二次开发力度，使其满足铁路设计的习惯和需求，提高BIM设计效率。

依托丽香铁路路基工程，结合BIM设计特点及相关标准，在OpenRail Designer软件平台上开发路基BIM设计系统，提高了设计的效率与精度，为路基BIM设计提供了有效的解决方案，其成果为后续应用打下良好的模型与信息基础，并为铁路工程各专业开展BIM正向设计及BIM应用提供了借鉴与指导。然而，BIM设计取代传统二维设计需要一个长期发展的过程，有待铁路工程设计单位进一步研究，通过开展更加深入的二次开发工作，确保铁路行业BIM应用走上可持续发展道路。