高速铁路轨道BIM 设计系统研发

张高扬

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

BIM(Building Information Modeling)技术自产生以来,已在建筑领域得到广泛应用,并产生大量的专业设计工具。 相较于建筑工程,铁路工程专业更多、结构更复杂,对BIM 技术要求也更高[1]。 目前,铁路工程设计正处于传统二维文档化设计向信息数据化设计的过渡阶段,BIM 技术将在后续设计中占据重要地位[2]。

在中国铁路BIM 联盟主导下,我国已经初步建立较为完善的铁路BIM 设计标准体系[3-4]。 目前常用铁路轨道BIM 设计软件有Autodesk 平台下的Civil3D,Revit、Bentley 平台下的OpenRailDesigner 和Dassault System 等[5-7],这些软件中均有针对轨道结构设计的部分功能,如轨枕布设、轨道超高设计、有砟道床设计、道岔设计等[8-9],但是这些软件的设计功能、本地化及可定制性尚不能满足我国高速铁路轨道BIM 设计的要求,故部分学者对轨道BIM 设计进行了相应的探索和研究,并基于常用的BIM 设计软件进行轨道设计功能的二次开发。 随着我国高速铁路各类无砟轨道结构形式广泛应用,迫切需要能够满足复杂情况下高速铁路轨道BIM 设计的专业软件。

利用Bentley 平台文件格式统一、大体量模型支撑能力强的优点,基于MicroStation 开发适用于高速铁路轨道BIM 设计的专业设计软件。 MicroStation 是Bentley 面向全球基础设施的设计、建造和运营而开发的集二维绘图、三维建模和工程可视化于一体的完整解决方案,包括参数化要素建模、专业照片级渲染和可视化以及扩展的行业应用。 MicroStation 的二次开发语言主要有: MicroStation VBA(简称MVBA)、Addin(基于C#语言或其他. NET 开发语言)和MDL(基于C/C++)[10-11]。 本程序基于MicroStation CE Update10,结合常用的线路、桥梁等专业数据成果,针对高速铁路轨道BIM 设计要求进行开发,设计成果符合中国铁路BIM 联盟相关标准[12-13],可实现专业间数据级协同设计及各类线下基础上双块式无砟轨道模型的全自动化设计。

1 需求分析

铁路轨道结构构件种类多样,主要包含钢轨、轨枕、扣件、道岔、伸缩调节器、有砟道床、无砟道床、无缝线路以及轨道附属设备等[14]。 为满足高速铁路轨道BIM 设计需求,将轨道专业构件分为两大类,一类是轨枕、扣件、道岔、无砟轨道板等沿线路或空间曲线进行放置的构件型单元;另一类是钢轨、有砟道床等沿线路或空间曲线拉伸放样的断面轮廓型单元。 高速铁路轨道BIM 设计首先需要建立完善的轨道专业构件单元库和断面轮廓库,形成完整的轨道专业族库。

从空间位置和设计特点来说,铁路轨道BIM 设计可划分为站场轨道BIM 设计和区间轨道BIM 设计两部分,这两个部分既有区别又有相通之处,需针对车站和区间轨道BIM 设计的特点分别进行详细设计。

随着我国高速铁路的快速发展,无砟轨道结构形式得到广泛应用,本次主要针对我国高速铁路设计中常用的双块式无砟轨道及CRTSⅢ型板式无砟轨道的BIM 设计开展研究。 其中,双块式无砟轨道的布设既有沿线路放置单元的特点,也具有断面轮廓拉伸放样的特点,故需针对双块式无砟轨道结构开发单独的BIM 设计功能。 此外,针对CRTSⅢ型板式无砟轨道的设计特点,还需开发相应的设计接口,以满足CRTSⅢ型板式无砟轨道的BIM 设计需求[15]。

高速铁路轨道BIM 设计需要综合考虑线路、站场、路基、桥梁及隧道等相关专业的资料,为最大程度实现信息化、协同化设计,本次研究将轨道专业与相关专业的数据成果进行整合,无缝衔接相关专业的设计成果数据,实现专业间协同设计。

为充分实现高速铁路轨道BIM 模型的应用价值,模型内各类轨道构件的信息深度及几何精度参照CRBIM 1004—2017《铁路工程信息模型交付精度标准》。 基于BIM 模型的相关信息,进行轨道板配筋、轨道工程数量计算等方面的深入应用,充分实现BIM 设计价值。

2 系统设计思路

2.1 系统功能分析

高速铁路轨道BIM 设计系统包含工程管理、路线管理、有砟轨道设计、无砟轨道设计、工点自动化设计、结构配筋和工程数量统计7 大功能模块,系统功能架构见图1。

图1 系统功能架构

2.2 协同设计

BIM 设计广泛采用先进计算机手段,以标准化的数据为其核心特征,高速铁路涉及专业多,专业间数据传递需求较大。 目前,以AutoCAD 图纸、Word 文档以及Excel 文档为主,缺乏相应的数据格式标准,成为阻碍专业间和专业内信息化水平提高的主要障碍。 针对这种弊端,本次研究中,与线路、桥梁、站场等相关专业进行沟通协商,基于各专业现有的数据成果格式,制定相应的专业间数据传递标准格式,实现专业间协同设计,为轨道BIM 设计的信息化、自动化打下基础。

3 程序设计

3.1 开发平台和应用组件选型

选择Microstation 作为运行和开发平台,使用VisualStudio 2012 作为开发工具。 Microstation 提供了基于. NET 的二次开发接口,通过C#编写运行在Microstation 平台上的插件来扩展Microstation 的功能。

目前比较流行的单机版数据库主要有Access 和Sqlite,从运行性能、SQL 标准支持的程度和软件发布便捷程度等方面来看,Sqlite 是更好的选择,故决定采用Sqlite 作为后台数据库。

3.2 数据库设计

高速铁路轨道BIM 设计需要的数据类型较多,按照专业类别可划分为路基、桥梁、隧道及站场等专业间数据,此外,还有轨道专业设计过程中确定的设计原则及设计方案等专业内数据。

根据各类数据的具体组成及其特点,分别设计相应的数据表。 以线路数据为例,数据库Alignments.db主要存储线路信息及项目的基本信息,包括线路基准点、线路平面信息、线路纵断面信息、线路断链信息等,其数据库结构见图2。

图2 Alignments.db 数据库示例

3.3 族库创建

族库创建时,参照CRBIM 1004—2017《铁路工程信息模型交付精度标准》,轨道结构模型均以mm 为单位,按照1 ∶1 的比例进行建模。 轨道结构族库按照国铁和地铁分别创建,主要包含钢轨、接头、扣件、轨枕、道岔、伸缩调节器以及无砟轨道各类标准轨道板/段、加强设备及附属设备等构件。 另外,需要注意对各类构件设定合适的放置基点,如道岔一般以岔心作为布设基点。

道岔及伸缩调节器建模较为复杂,首先需要创建相应的扣件、轨枕等结构部件,然后根据道岔/伸缩调节器布设图进行钢轨、轨枕及扣件的布设,最后进行道岔及伸缩调节器部分的道床创建。

3.4 程序界面设计

高速铁路轨道BIM 设计软件各模块界面见图3～图9。

图3 工程管理模块

图4 路线模块

图5 通用模块

图6 构件模块

图7 工点布置模块

图8 钢筋模块

图9 其他模块

3.5 程序处理流程

铁路轨道BIM 模型体量大,在展示和应用过程中,对于平台的承载能力要求较高,故采用“大场景轨道模型+参考模型”的方式进行轨道BIM 模型的全方位展示,并很好地减轻平台承载压力。 大场景模型主要展示轨道的设计方案,不包含道床板、底座等各类钢筋混凝土结构的配筋及构件的构造细节等内容;参考模型一般为各类线下基础工点上的标准段轨道模型,包含钢筋混凝土结构模型及各类构造细节。 大场景模型通过在属性信息中链接相应参考模型进行相应细部模型展示。大场景轨道模型和参考模型见图10、图11。

图10 双块式无砟轨道大场景模型

图11 双块式无砟轨道参考模型

高速铁路轨道BIM 设计分为区间轨道BIM 设计和站场轨道BIM 设计两大部分[16],均按照准备设计数据及相关资料、进行BIM 设计、属性信息添加、轨道工程数量计算、BIM 模型校核等流程进行(见图12、图13)。

图12 站场轨道BIM 设计流程

图13 区间轨道BIM 设计流程

区间轨道BIM 设计需要准备的设计资料有:线路数据、线下基础工点表、轨道设计数据、轨道族库等;需要进行的轨道BIM 设计内容主要有:有砟轨道设计、CRTS 双块式无砟轨道设计、CRTSⅢ型板式无砟轨道设计等。 站场轨道BIM 设计需要准备的设计资料有:站场数据、线下基础工点表、轨道设计数据、轨道族库等;需要进行的轨道BIM 设计内容主要有:站线有砟轨道设计、站线无砟轨道设计、站场道岔布设等。

作为轨道BIM 设计的最终成果,轨道BIM 模型除了包含轨道结构各部件的几何形体外,还需要包含各个构件的属性信息(几何属性和非几何属性信息)。为便于对BIM 模型进行管理和使用,针对各类轨道构件均设置相应图层和材质。 模型的属性信息、图层及材质均采用软件内置相关规范要求来实现,用户仅需选择相应的构件类型即可,同时用户可通过修改配置文件来进行属性信息的定制。

4 结论

针对高速铁路轨道专业BIM 设计内容进行研究,基于MicroStation 软件进行二次开发,形成高速铁路轨道BIM 设计系统。 该系统能够自动导入并处理线路、轨道、站场、路基、桥梁、隧道等多专业数据,并建立相应的设计数据库,在此基础上,完成区间及站场内的高速铁路轨道BIM 设计。 相较于国内其他BIM 设计软件,可实现多专业间数据级协同设计,软件内置中国铁路BIM联盟相关标准要求,可由设计人员灵活定制使用。

高速铁路轨道BIM 设计系统已在铁路BIM 设计项目中应用,并得到实际工程项目的检验。 研究表明,该系统可有效提高高速铁路轨道BIM 设计的准确性和高效性。