牡佳铁路全生命周期BIM技术应用

2021-05-17齐成龙

铁道标准设计 2021年5期

齐成龙

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

为了验证BIM在铁路工程应用的技术路径，探索BIM在勘察设计、建设管理和运营维护阶段的全生命周期应用价值[1-4]，国铁集团工程管理中心于2014年底指定了包括京沈高铁在内的17个BIM试点项目[5-6]。这些试点项目的成功开展，对铁路行业的影响不只是技术层面，同时为参建单位培育了大批BIM研发和管理技术人才，并对更大范围的BIM应用提供了技术、管理和人才支撑。

在此背景下，2017年，国铁集团工程管理中心在牡佳铁路布置了全线全专业BIM技术和信息化应用相关工作。该项目借鉴了已有BIM项目的成功经验，在规范编制、程序开发、项目管理、施工应用等方面都取得了丰硕的成果。

1 项目概况

牡佳铁路全长374.744 km，全线包含多处拱桥、大跨度连续梁、T构、道岔梁等复杂结构，按照国铁集团推进铁路建设信息化管理、全面提升铁路“设计-施工-运维”管理水平的总体要求，在牡佳铁路BIM项目中全面遵守铁路BIM联盟标准，创建了全线、全专业精细化BIM设计模型，实现了基于精细化模型的多参与方数据共享与协同工作，同时，通过BIM设计模型向施工阶段的交付，在施工阶段实现了BIM技术在深化设计、施工模拟、作业指导、预制加工等方面的应用。

本项目采用达索软件作为主平台并辅助一定的二次开发，达索软件的Catia模块用于三维BIM建模，Enovia模块用于项目协同管理。同时，使用TEKLA软件作为在钢筋BIM详细设计工具[7-8]。

2 BIM标准编制与验证

在牡佳铁路BIM项目开展过程中，同步进行了铁路工程BIM标准的编制及验证工作，作为本项目BIM应用主平台，达索软件使用如图1所示的信息结构和术语来描述数据标准[9]。

图1 达索3D体验平台数据标准架构

该数据标准架构由如下一些关键概念组成：

标准包(Package)，是由一套对象类型和属性定义组成的数据标准，例如数据存储标准IFC即可视作一个标准包，一个BIM项目可同时应用多个标准包。

对象类型(Type)：表示一个具体的产品类别，一个标准包中通常包括多个对象类型，不同的对象类型之间还存在着两种不同的相互关系：继承关系，由父类型派生出子类型，例如从“桥”派生出“斜拉桥”和“连续梁桥”，这种关系中，父类型的属性通常都会被子类型自动继承。聚合关系，一种类型的对象是由其他类型装配而成，例如“桥”是由“桥梁”、“桥墩”和“桥台”装配而成，这种关系中，装配体和构件之间的属性就未必相同。

属性(Attribute)：对象的一种量值，例如长度、材质、质量等。

属性扩展集(Extension)：为了便于应用，可以把一组相关属性打包进行管理。例如，把设计阶段用到的属性打包成“设计信息”扩展集，而施工阶段用到的属性打包成“施工信息”扩展集，这样就可以根据不同的应用场景快速在对象类型上加载所需要的属性[10]。用户还可以根据如下具体情况自定义扩展集的行为特征，例如：某个对象类型允许加载哪些扩展集？在创建对象时缺省加载哪个扩展集？创建之后可以加载/去除哪些扩展集？根据不同的条件自动加载/去除扩展集。

如图2所示，通过上述机制，预先在达索软件通过自定义的方式部署了中国铁路BIM数据存储标准包，即CR-IFC标准，以及铁路工程BIM分类和编码标准及CR-IFD标准。一旦用户创建了某个类型的对象，系统就会自动按标准为之配置属性。同时，如图3所示，使用达索EKL脚本语言，将模型中的设计参数与构件属性关联，从而在BIM设计过程中，构件属性值自动根据参数计算出来。最终在牡佳铁路BIM项目中成功实现了铁路BIM标准的编制和验证。

图3 通过EKL脚本语言定义从参数到属性的映射关系

3 牡佳铁路全生命周期BIM协同应用

3.1 软硬件环境部署

牡佳铁路BIM项目，是一个全线、全专业、全员参与的系统性BIM应用工程，采用“建设单位主导，各参与方协同工作”的实施组织方式，各参与方都组建了自己的BIM实施团队。在这样一种组织背景下，本着“施工模型宜在设计模型基础上创建”的原则[11]，同时为了满足牡佳铁路BIM应用各参与方精细化模型数据共享和协同工作的需要，本项目采用“基于互联网信息共享技术架构、分布式部署服务器”的方案，搭建了牡佳铁路精细化模型应用管理平台[12]。如图4所示。

图4 牡佳铁路BIM应用管理平台部署架构

本应用管理平台架构如图4所示，在建设单位哈牡公司部署主服务器，三维管理平台、软件数据库等部署在主服务器上，各参建标段各自部署1台文件服务器，用于存储图形文件[13]。各标段客户机在从事BIM建模、应用等工作时访问各自的文件服务器；各标段文件服务器每天定时向公司主服务器同步相关BIM模型数据；各标段在三维管理平台上从事相关工作时直接访问主服务器。

3.2 基于Enovia平台的项目管理

Enovia作为达索平台下的分支模块，在牡佳铁路BIM项目中，与作为虚拟设计核心引擎的CATIA模块一起实现了铁路工程全生命周期解决方案。

由于本项目涉及到站前、站后多个专业，专业间存在上下序工作流程衔接、专业内存在工作任务分配的问题，同时，人员权限也需要合理配置，以规范对中间成果的管理，除此之外，尚需一种严密的审核与交付机制以确保最终产品的质量，而所有这些潜在风险都可以通过Enovia规避[14]。Enovia采用树形逐级分解的任务管理模式，各节点的负责人都有创建子任务和分配子任务的权利。根据WBS标准分解本BIM项目的工作任务，以专业、标段作为顶层分解原则，下层具体任务节点包括骨架、模板、建模、专业间发布、审核等，并为每项工作任务分配了具体的责任人。基于Enovia的工作任务分解界面如图5所示。

图5 Enovia平台各专业工作任务分解

Enovia平台使得牡佳铁路BIM项目的总体进度得到了有效控制，完整记录了项目开展全过程的工作、交付、版本和审批流程，各参与人员能第一时间发现并整改项目开展过程中的问题，避免了常规管理方式中经常出现的工作反复现象。

3.3 基于骨架驱动与模型引用的专业间BIM协同设计

牡佳铁路BIM项目通过三个主要步骤实现了专业间协同设计：基于“骨架-模板”方法的专业间骨架引用；规范化的模型组织结构；在Enovia平台进行上下序工作流程管理[14]。

3.3.1 基于“骨架-模板”方法的专业间骨架引用

“骨架-模板”是在达索平台开展BIM设计时常用的方法。这种方法将BIM模型的某些关键元素作为建模基准，这些关键元素就被称为骨架，此方法既省去了传统机械设计中的装配操作，实现结构单元的定位，又通过基于骨架的结构单元实例化，在指定关键元素的同时确定单元边界，提高了铁路工程结构BIM建模的效率，同时实现了BIM模型对骨架自适应。

鉴于“骨架-模板”的优势，以往的铁路工程BIM项目专业内建模实践中广泛采用了这种方法，牡佳铁路BIM项目将此方法扩展应用到了专业间协同设计领域。通过上序专业发布骨架元素、下序专业参考引用的方式，结合达索软件内含的自动响应机制，当上序发布的骨架发生调整后，下序专业自动更新，从而实现了专业间BIM协同设计。

3.3.2 规范化的模型组织结构

由于铁路工程具有点多线长，数据量庞大的特点，如果对如此庞大的模型缺乏有效的组织管理，在通过骨架驱动和模型引用实现协同设计的过程中容易造成引用关系上的死循环，除此之外，规范化的模型组织结构也是提高BIM设计效率和保障模型顺畅交付的基础，因此，有必要对海量铁路工程BIM数据在平台中进行层次分明的组织，从而实现BIM价值的最大化。出于上述需求，牡佳铁路BIM项目在IFC、IDM和IFD这三种标准研究成果的基础上，开展了铁路BIM工程结构分解标准的编制和验证工作。如图6所示。

图6 桥梁BIM工程结构分解标准

铁路站前站后工程的BIM模型组织原则不同，站前工程模型按设计单元组织，其中桥梁专业BIM工程结构分解标准如图6所示，站后工程模型按照系统进行组织，在满足系统完整性前提下设计工点尽可能细分。站前工程设计单元以线下单体工程分，即以路、桥、隧、站进行划分，轨道工程最小结构单元(板单元)可以跨越单元边界。站后工程以最小系统单元进行划分，如某站室外给水、污水分别为一设计单元。按此原则，标段1的总装结构树如图7所示。

3.3.3 在Enovia平台进行上下序工作流程管理

通过梳理传统二维设计上、下序资料，本项目对BIM环境下的专业间上下序工作流程、资料内容和接口形式进行了研究。各专业通过Enovia协同设计管理平台，向上序专业提出要求，根据这些要求，各专业在进行BIM设计时，以点、线、面、实体、坐标系等形式，按照BIM工程结构分解标准，在规定的节点位置为下序专业预留相应骨架。下序专业同样根据BIM工程结构分解标准，到上序专业模型结构中按需索引骨架元素，开展本专业BIM设计。如桥梁专业按照接触网专业要求为其预留坐标系，作为接触网立柱的定位骨架，如图8所示。

图8 桥梁专业为接触网专业预留的立柱定位骨架

4 桥梁工程BIM设计

4.1 构件批量建模工具

作为牡佳铁路BIM项目的主平台，达索软件最初是机械、航空领域的专业设计工具，与它们相比，铁路工程具有构件数量更多、几何造型更简单的特点。以往的其他铁路BIM项目在开展工作时大多借鉴机械、航空行业的手段，使用“骨架-模板”方法，通过达索action功能批量实例化桥梁构件，这种方法在某种程度上虽然实现了批量建模，但是存在建模效率低、内存负荷严重的缺陷。

针对上述问题，在牡佳铁路BIM项目中开发了一系列的桥涵工程建模工具，覆盖了连续梁、框架涵、桥墩、基础等多种常用构件，这些工具嵌入到达索软件内部，使用达索/组件应用架构(component appljcation architecture，CAA)二次开发语言实现，用户交互界面友好、建模效率高、内存消耗低，确保了牡佳铁路BIM项目的成功实施。

从开发方法来看，这些建模工具分为特征封装方法、模型参考实例化方法两种。

4.1.1 特征封装方法

特征(feature)是达索软件向用户开放的基本可操作元素，通过输入坐标值生成的点和通过输入首尾端点生成的直线都是特征。本方法就是将构件封装为特征，封装后，这些构件以设计过程中的参数和骨架为输入，建模过程对使用者不可见，从而在满足骨架驱动和几何构造的前提下大幅度降低了内存占用，连续梁、框架涵、基础这三种构件建模工具的开发即采用此种方法[15]，如图9所示。

图9 连续梁BIM建模工具操作界面

4.1.2 模型参考实例化方法

模型参考和模型实例是达索软件的两个重要概念，在达索系统中，模型按照树形结构组织，结构树的每个节点代表一个模型实例(Instance)，模型参考(Reference)是模型实例的来源。一个模型参考对应多个模型实例，各模型实例可在不影响模型参考的前提下修改其几何空间位置。在数据库中，只有模型参考占用内存空间，真正占用建模时间的也是模型参考的生成过程。

本方法就是利用实例和参考的上述特点，首先使用达索软件自带的Component Family模块在服务器中创建模型参考。再使用CAA开发出批量建模程序，本程序的运行是一个循环的过程，在每一个循环体当中，从服务器索引出所需的模型参考并生成模型实例、修改实例的几何空间位置至与定位骨架重合，从而快速完成全桥构件实例化。

桥墩建模工具的开发即采用此种方法[16]，批量创建的桥墩BIM模型如图10所示。由于桥梁设计是一个反复修改优化的过程，同一种型号桥墩被重复利用的情况非常普遍，采用本建模工具，使用者在准备阶段为每一种型号的桥墩生成一个模型参考，在设计开展过程中仅生成模型实例，多次循环不会产生内存垃圾，有利于数据库的维护和建模效率的提高。

图10 使用批量建模程序创建的桥墩模型结果

4.2 钢筋混凝土构件建模工具

与混凝土主体结构相比，钢筋模型的内存占用巨大，而目前的硬件环境还不支持创建与全线混凝土结构规模相匹配的钢筋模型，因此，牡佳铁路BIM项目仅针对施工及运维阶段的重点应用需求，开展部分关键桥梁构件的钢筋BIM设计。

经过研究，本项目选择TEKLA作为钢筋建模程序，同时，为了提高BIM建模效率，在牡佳铁路BIM项目中，使用C#语言，调用TEKLA钢筋建模API，分别针对简支梁、连续梁、桥墩、框构等桥梁构件开发了专用建模工具[17]，这些工具读入参数文件后，可以批量生成符合铁路工程标准的钢筋混凝土构件BIM模型。其中，使用简支梁建模工具生成的钢筋混凝土BIM模型如图11所示。

图11 简支梁钢筋混凝土结构BIM模型

5 施工阶段BIM应用

施工建造是一个处于复杂环境的动态过程。传统模式下，对施工过程可能产生的碰撞与干涉，往往需要依靠工程师丰富的经验来进行判断。借助BIM技术可构建虚拟场景并进行施工现场地形地貌、施工安全风险信息查询以及施工过程中的工序工艺虚拟仿真，与传统方法相比，能更加及时地发现存在的问题，提高沟通效率，显著提高施工组织和安全管理质量[18]。

在牡佳铁路施工中，利用BIM技术的可视化与可模拟性等特点，针对复杂的重、难点工程，提前预测施工中可能会遇到的干涉与碰撞问题，辅助决策[19]。

牡丹江特大桥T构梁位于牡丹江火车站咽喉区。其门式墩上跨既有铁路线，两侧一侧为河堤，一侧为既有火车行车线。在如此复杂的施工环境下，机械设备的选型、进场路线和站位规划[20]，以及施工过程中设备与周围构筑物的干涉都会关系到方案能否顺利实施。因此，对本工点开展了基于BIM技术的虚拟仿真。

先通过无人机倾斜摄影采集了T构梁附近的点云数据，使用实景建模技术创建环境模型，并将设计交付的BIM模型和环境模型同时载入到Autodesk Navisworks软件叠加。施工工程师在Navisworks模型上测量与施工相关既有构筑物的间距，拟定合理的施工方案(一个或多个)。最后依照施工工程师拟定的施工方案，在Navisworks软件中进行施工过程仿真[21]，如图12所示，验证方案是否存在干涉与碰撞，确定最优解决方案。