基于Revit的铁路线路三维信息平台开发

王英杰 常 宇 周亚坤 康彦波

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

随着京张、京雄高铁开通运营，我国高速铁路进入了智能创新引领阶段[1]。当前建筑信息模型(Building Information Model，简称BIM)与物联网、云计算、大数据等新一代信息技术相融合，构建铁路规划、设计、施工、运维全寿命可追溯闭环体系，由此可见，BIM技术已成为构建智能高速铁路体系框架的核心手段之一[2]。

铁路建设项目涵盖线路、轨道、路基、桥梁、隧道等多个专业，BIM技术凭借其信息多元、三维可视、易于协同等优势逐渐被应用到铁路设计、建造的多个方面。王同军提出，应建立以工程数据对象为核心，基于BIM技术的铁路工程建设协同管理模式，并形成我国铁路工程建设协同管理的理论基础[3]。刘为群介绍BIM铁路联盟组织制定和发布的中国铁路BIM标准体系，并将其应用到多个线路、车站设计中[4]。靳猛依托银西铁路项目，利用Autodesk平台开展了铁路路基BIM设计实践，探讨了该平台在路基设计中的重难点问题[5]。王欣睿以京张高铁清河站为例，将BIM技术的碰撞检查、优化设计等功能应用到了交通枢纽管线设计中[6]。张轩以Bentley平台为技术支撑叙述了BIM技术在隧道建模中的应用，同时对铁路BIM标准进行了验证[7]。

铁路线路设计是铁路建设的基础和前提，贯穿从设计、施工到运维的各个阶段，是铁路行业信息化、智能化发展的基础。基于Autodesk Revit软件开发了铁路线路三维信息平台，利用线路平面、纵断面等资料生成线路中心线，进而构建线路三维空间模型，将各种构筑物族按照线路设计里程进行布设，完成线路三维信息平台开发。所搭建的铁路线路三维信息平台可反映铁路设计、建造、运维等全生命周期内的各类工程信息，实现BIM技术各专业协同设计及覆盖全生命周期的特性。

1 铁路线路三维信息平台开发

铁路线路设计平、纵断面是铁路建造的基础资料，其决定了各种构筑物(如路基、桥梁、隧道等)的具体空间位置。目前铁路线路设计成果大多采用二维成果，同时以邮件、会议等形式来完成与各专业的协同工作。从理论上讲，单纯采用二维图纸来描述铁路三维空间位置并不合理，无法实现所见即所得，同时还带来各专业间信息沟通不畅[8]。BIM技术可应用于线路空间信息、工程结构实体、功能特征信息等的数字化表达，为勘察、设计、施工、运营和维护等多部门提供有效的数据基础平台，进而完成设计、建造及运维的可追溯闭环管理[9]。通过搭建铁路线路三维信息平台，既可提升线路设计效率和质量，还可为建造及后期运维等提供信息平台。

1.1 平台简介

某铁路线路三维信息平台的组成结构如图1所示。由图1可知，铁路线路三维信息平台主要包含三部分：线路中心线、三维可视化模型和三维信息平台。首先，由线路平、纵断面图纸等资料确定线路中心线三维空间线形，将其作为平台搭建立体空间模型的基础。其次是三维可视化模型，通过构建沿线路里程分布的不同构筑物三维模型，包括轨道、路基、桥梁、隧道、站场、通信、信号、机辆及其他设备设施等，完成三维信息平台可视化的要求，从而得到完整直观的三维空间实体模型。在三维可视化模型的基础上，赋予线路设计、施工、运维各阶段所需要的不同信息，包含几何属性、工程实体特征、工程管理信息、监测维护数据等，最终生成铁路线路三维信息平台。

图1 铁路线路三维信息平台组成

基于BIM技术的线路三维信息平台覆盖了铁路设计、施工和运维的全生命周期，利用数字化、智能化、信息化技术可以在平台上实现各种铁路构筑物数据模型的过渡与衔接。在设计阶段基于线路三维空间模型可实现各专业的协同设计，从而避免信息沟通不畅，有效提高工程设计质量。在施工阶段，BIM技术包含丰富的施工信息，可应用于工程量核算、施工进度可视化、施工组织安排等，对保证工期、节约成本意义重大，也为数字化建造提供了基础。运维阶段是BIM技术收益最大的阶段，可用于设备管理、养护维修等。在线路三维信息平台应用中，要处理好设计、施工阶段所产生的数据、信息向运维阶段的移交和运用。

1.2 开发平台选择

当前常用的BIM建模软件主要有Autodesk、Bentley、Dassault等几家公司的相关软件，如图2所示[10-13]。

图2 常用BIM建模软件

对于线路线形建模，常用的软件有Autodesk公司的Civil3D及Bentley公司的PowerCivil，二者均具有面向铁路、道路等基础设施设计的特性，且对线形三维曲线、隧道带状模型支持能力强。与PowerCivil的轻量化处理能力相比，Civil3D在模型轻量化处理方面相对较差，且数据量过大会导致软件运行迟缓，这也使得PowerCivil更适用于线路较长的铁路工程。对于实体构筑物建模而言，Dassault公司的CATIA虽在复杂结构建模方面优势显著，但其操作复杂且价格昂贵，造成学习成本较高，不易推广普及。与CATIA相比，Dassault公司的Solidworks和Autodesk公司的Revit操作相对简单，在我国本土化应用方面较好。在建模能力方面，Revit较Solidworks更为强大。另外，Revit具有参数化、族库丰富、信息集成等诸多优点，在参数化建模、多专业配合方面拥有事半功倍的优势。

根据铁路线路特点及三维信息平台开发要求，利用Bentley公司的PowerCivil完成三维空间线形模型，在此基础上以Autodesk公司的Revit开发铁路线路BIM信息平台。

1.3 开发设计流程

铁路线路三维信息平台开发流程如图3所示。

图3 线路三维信息平台开发流程

铁路线路三维信息平台开发流程如下。

①确定工程信息：获取搭建平台所需的工程基本信息，包括线路平面和纵断面图纸、各种构筑物图纸等设计资料。

②建立线路中心线三维线形：利用平面和纵断面图纸等资料在PowerCivil中绘制线路中心线三维线形，并将其导入到Revit模型中，用于后续建模。

③建立三维构筑物族：利用构筑物设计资料中的尺寸信息，在Revit中建立各类构筑物的三维模型，通过自适应族建立三维族库，为后续模型搭建做准备。

④沿三维线路中心线布设各类构筑物：根据各类构筑物沿线位置，利用Dynamo命令将三维构筑物族沿线路里程布设，搭建完整的线路三维模型。

⑤建立线路三维信息平台：利用Revit平台各族的信息提取与更新功能，为铁路工程项目提供覆盖全生命周期的信息支持。

2 工程设计案例

2.1 工程概况

以某区间铁路线路三维信息平台为例来说明开发过程。所选线路区间里程为K0+000～K18+600，共计18.6 km，包括车站3座。该段线路所经区域地势起伏较大且水域丰富，涉及多条河流及一座水库。为避开相关水域，平面设计时设置了3处曲线。同时，结合地形特征纵断面采用多种敷设方式，包含路基2段，共计4.7 km；桥梁5座，共计6.8 km；隧道2座，共计5.3 km。因此，在BIM建模中需要生成含平面曲线的三维中心线空间线形，并沿三维线形布置不同构筑物族库，这也是本项目信息平台开发中的难点。

2.2 生成线路中心线

利用Bentley公司的PowerCivil，结合所建区间线路的平、纵断面图纸生成线路中心线三维线形。图4为Bentley公司PowerCivil的操作界面，其具有强大的绘图与线路设计功能，是一款针对交通线路专业的BIM软件。

图4 PowerCivil软件操作界面

线路平面可以通过在参考工具中直接导入线路平面CAD文件或是运用PowerCivil平面几何工具进行绘制，再将其添加到视图中。线路纵断面可以通过纵面几何工具，依据桩号、高程、坡度、竖曲线等元素绘制纵断面设计线形。图5展示了利用PowerCivil创建的线路平、纵断面线形，这为后续生成线路中心线三维线形提供了基础。

图5 PowerCivil创建的平、纵断面线形

利用PowerCivil创建完线路平、纵断面线形后，再利用廊道模型工具栏中的创建廊道工具将平、纵断面线形结合起来生成廊道线形。而后将廊道线形通过PowerCivil导出为三维线形，即为线路中心线三维线形。可将其导出为dwg格式文件，利用Autodesk CAD打开该文件，即得到线路中心线三维线形，如图6所示。

图6 线路中心线三维线形

2.3 三维建模

首先在Revit中建立项目所需的族库，通过将dwg格式的二维设计图纸导入Revit中建立各种构筑物的族，如路基族、桥梁族、隧道族等，将其作为线路上各构筑物的三维模型基础元件，如图7所示。而后通过建立自适应族将构筑物元件布设在线路上，即在族内插入自适应点，使构筑物族随自适应点自由移动。当自适应点移动到分割好的线路路径上时，便自动捕捉路径上的控制点，进而将构筑物族放置到线路上进行拼接，得到完整的构筑物模型。

图7 不同构筑物构件族

以曲线段隧道构筑物的创建为例进行说明。采用Revit自带的开源可视化编程平台Dynamo将构建好的隧道族布设在线路上[14]。通过在Dynamo工作空间内创建一系列节点指令，利用其参数化建模优势来完成隧道族部件的布设工作，如图8(a)所示。首先在Revit中选择线路中心线三维模型，获取隧道区段对应的曲线，再以等距离长度在曲线上划出一定数量的点，利用新划分的点将曲线分割成一系列新的短曲线。通过获取短曲线的起点和终点，将其坐标列于坐标列表中，再根据每段曲线的坐标点放置隧道族，便得到隧道构筑物模型，如图8(b)所示。需要注意的是，由于曲线地段存在超高，导致线路中心线和隧道中心线存在一定偏差，在布设隧道族时同样需要考虑超高的影响。

图8 通过Dynamo建立曲线隧道

同样，将路基、桥梁等各类构筑物在Revit中沿线路中心线三维线形进行布设，可得到完整的线路三维信息平台，如图9所示。

图9 线路三维信息平台

2.4 平台功能演示

铁路线路三维信息平台具有覆盖项目全生命周期信息的功能。利用Revit平台中视图选项下的明细表工具，既可以提取项目所有构件的清单列表，还能对所需信息进行修改和统计。在设计阶段(即三维信息模型建立初期)可通过属性编辑器定义各构件的初始属性及信息。在完成全部线路三维模型后，通过选择统计对象并创建明细表，可以生成同一种构件的完整统计明细[15]。图10为Revit平台建立构筑物明细表的过程。

图10 在Revit中建立明细表

从初步设计到施工图设计阶段，由于设计条件发生变化，可能导致构筑物信息更改，如调整桥跨设置等，这些变化都可以在三维信息平台中完成，如图11所示。同样，在后续的施工、运维阶段，可建立构件基本信息动态链接库，一旦构件信息发生变化，便可在三维信息平台中自动更改，从而实现构筑物全生命周期信息跟踪的动态管理。

3 结论与展望

智能高铁是我国高速铁路发展的趋势，符合交通强国建设战略。BIM技术融合智能化、信息化等手段，可实现铁路项目的全生命周期管理，有效支撑我国智能高铁建设。在利用PowerCivil得到线路中心线三维

图11 不同阶段项目信息更新

线形的基础上，运用Autodesk Revit建立了铁路线路三维信息平台，对线路构筑物三维建模、工程信息提取等提供了一种可行的解决方案，为铁路项目在设计、施工、运维各阶段实现信息化管理搭建可操作的平台基础，具有一定的实用性和参考价值。同时，在三维信息平台基础上，通过对各构筑物族库及其信息进行二次开发，可进一步丰富平台功能，实现多专业协调互通，有效提升管理水平和工作效率。