BIM技术在铁路工程正向设计中的应用研究

李建军 （中铁三局集团线桥工程有限公司,河北 廊坊 065201）

1 引言

当前，BIM技术发展迅速，正向设计受到人们越来越多的关注，日渐受到重视。BIM正向设计指的是在三维环境下完成工程项目的设计工作，BIM技术是工程管理建设行业创新性的表现之一，信息化和智能化均是BIM技术在铁路工程建设中的优势，其创新性进一步改变了传统工程的建设理念，比如设计、施工及工程管理理念等方面。这些特点对促进工程发展的信息化、精细化与标准化等方面均具有十分重要的意义。

由于铁路工程的特点是线路长、体量大且结构复杂，因此，BIM技术在铁路工程中的应用程度相较于建筑业较少，但仍有很多学者对BIM技术在铁路工程中的应用进行研究分析，并得出一些成果。比如：徐博[1]针对由于专业间BIM资源不能很好地相互利用,铁路工程BIM仍以单专业翻模为主，研究了基于BIM技术的铁路工程正向设计方法，并对铁路BIM标准进行了初步应用尝试,为今后铁路工程应用BIM设计提供了一定借鉴；张轩[2]对基于Bentley平台的铁路隧道BIM技术应用方面进行了相关研究，在一定程度上解决了不同精度要求导致的模型有时无法重复利用，以及模型的应用在设计、施工、运维间缺乏联系等问题；曹政国等人[3]探讨了BIM在铁路施工组织设计中的应用，提出了通过协同平台共享和传递数据信息的应用BIM技术的方法，为以后在铁路施工组织设计中应用BIM技术提供一定理论基础。除了以上学者外，还有一些学者对该领域进行了相关研究，并取得了一定成果，在此不再赘述。

尽管很多学者对BIM技术在铁路工程中的应用进行研究分析，但现在BIM技术在铁路工程中的应用仍处于以翻模为主的初期阶段，因为技术人员在使用BIM技术的源头上出现了问题，根据已有二维设计成果建模和检验成果，常常会使设计中存在差错。因此对BIM技术在铁路工程正向设计中的应用进行研究已经非常必要。通过实验证明，此次设计的基于BIM技术的铁路工程正向设计方法比传统方法施工时间短，提高了施工速度，具备实际应用意义。

2 基于BIM技术的铁路工程正向设计流程

2.1 铁路工程构件信息标识

铁路工程中为了提高设计效率，在使用BIM技术时需要按照铁路工程中的BIM标准。在BIM设计时根据设计阶段和所要表达的信息力度，确定BIM技术构件组成，在标注控制构件的具体参数，将不同尺寸的构件及产品都进行参数化控制，在建模时可以减少工作量，实现提高设计效率的目的。在标识时，为了在后期能更容易地对BIM进行有效维护，需要使用各种精密程度较高的单元和属性集组合表达设计意图，并处理铁路工程中的构件编码处理，在处理过程中，区分构件模板，以形成独立的构件，再按照专业领域、空间结构单元、构件等信息将其分类，最终完成唯一的身份标识。在分类完成后，将所有构件的属性信息添加到模型中，添加方式为按照铁路中扩展类和逻辑关系创建类，为其创建属性集，以获得构件的相关信息。

2.2 铁路工程地形、地质模型创建

在上述铁路工程构件信息标识完成后，以铁路工程区域的地形、地质为基本的设计资料，按照相关流程对线路进行设计。在这一过程中将BIM技术与GIS（地理信息系统）相结合，确定最合理的走线方案，并将方案通过三维方式展现出来。在此基础上，将铁路改造工程构件中心位置与路线中心线相结合，将高程起点与路中心线高程关联，以保证关联的构件随着道路中心线一起联动，以保证快速建模。先运用BIM技术整合不同来源的测绘数据，用以保证建立模型的精度，并且为设计提供强有力的支撑。BIM的可视化技术功能，在检验和校核视距指标时起到很大的作用，其能够起到辅助选线，优化路线平纵等作用。对空间视距测算的原因是在现有的工作模式下，对于铁路工程的设计长度计算还不够完善，铁路工程是三维曲线，而计算时采用平面曲线，导致实际长度大于设计长度。因此在分割铁路工程轴线前，利用下述公式对铁路工程的距离数列的项进行修正：

上述公式（1）中，L3D代表三维铁路工程轴线的实际长度，L2D代表铁路工程设计长度，L1代表修正前距离数列的项，L2代表修正后的铁路工程距离数列的项。

在此基础上，将地形曲面转化为多重曲面[4]，向下拉伸特定长度生成处理地质实体，并对铁路工程的钻孔数据进行处理。钻孔数量越多越好，数量越多所得曲面越平滑，在环境资金允许的情况下应获取尽量多的钻孔数。因此选用科学的方式，在已有钻孔数据上进行加密处理，以获得大量的铁路工程新数据。其计算表达式为：

通过上述步骤完成铁路工程地形、地质模型创建，为BIM在铁路工程正向设计中的应用研究提供基础。

2.3 工点设计

以铁路工程地形、地质模型创建结果为基础，结合地形地质条件对铁路工点设计。以铁路工程工点设计为例，利用BIM技术创建工点所需的标准断面库，利用本特利平台第三方软件将铁路工程的构件为单位导入模板库，然后通过PW将地形、地质与相关线路文件参考到模型空间中，以初步确定进出口里程[5-6]。最后进行工程数量统计，采用本特利软件中自带的工程数量计算与统计功能进行统计，以便于专业间模型和数据相互调用，提高设计速度。在此基础上，对站场运营管理，站场是铁路工程建设的节点，在选线确定后，对工点环境分析，以确定工点存放临时设备的最优位置、危险区域与建筑材料等，从而实现全线路的BIM展示，以此完成BIM技术在铁路工程正向设计中的应用研究。

3 实验对比

为验证基于BIM技术的铁路工程正向设计方法的有效性，进行实验，并将传统的方法与此次设计方法对比，对比两种方法的施工时间。以某铁路工程为实验对象，选取其中四部分设计内容进行设计，对比结果如图1所示。

图1 不同方法时间对比实验结果

分析图1可知，在四个项目的设计上，此次研究的基于BIM技术的铁路工程正向设计方法的施工时间均比传统方法施工时间短，并且相差较大。其中相差最大的是第二个项目，此次研究的方法比传统方法施工时间短的原因：此次研究的方法采用BIM技术对铁路工程正向设计，通过BIM技术对铁路工程建模、对铁路工程相关构件进行分类管理，减少了图纸设计的时间。并通过建模减少了碰撞问题的发生，从而提高了铁路工程施工速度，具有实际应用意义。

为了进一步验证本文基于BIM技术的铁路工程正向设计方法的有效性，对该方法的效率做进一步的实验研究，同样采取传统方法与本次设计的方法进行对比。实验对象仍采取上一实验中的某铁路工程，选取其中四部分设计内容进行设计，对比结果如图2所示。

图2 不同方法效率对比实验结果

分析图2可知，在该四个项目的设计上，本文研究的基于BIM技术的铁路工程正向设计方法的施工效率均比传统方法施工效率高，而且两种方法的效率相差较大，比如当本文设计方法在第三个项目时效率达到了92%，但传统方法效率仅在70%。从该分析可以看出本次设计的基于BIM技术的铁路工程正向设计方法比传统方法施工效率高，可以提高铁路工程施工速度，更加证实了该方法具有一定的实际应用意义。

根据以上两组实验的结果可以看出本文设计的基于BIM技术的铁路工程正向设计方法相较于传统方法所用时间更短，效率更高，有效证明了本文方法能够在铁路工程设计领域取得更好的应用效果，证明了本文方法的合理性。

4 结语

随着工程师们的不断研究与探索，BIM技术在铁路工程设计领域取得了较好的应用效果，本文首先建立了铁路工程构件信息标识，区分构件模板，以形成独立的构件，然后对铁路工程的距离数列逐项修正，最后钻孔数据进行加密处理，完成地形、地质模型的创建。通过对BIM技术在铁路工程正向设计中的应用研究，能够很好的解决BIM技术在铁路工程中的问题，减少设计人员工作量，提高工作效率，缩短铁路工程设计中将二维图纸转换为三维模型的时间。提高铁路工程设计质量，实现BIM技术的真正价值。