基于BIM的铁路轨道工程三维数字化设计构想

朱福典

（西安铁一院工程咨询监理有限责任公司，陕西 西安 710065）

1 轨道设计现状及问题

随着我国交通行业的迅速发展，我国铁路轨道的规模也逐渐庞大，对于高速铁路轨道的设计工程面临着前所未有的机遇和挑战，因此，应该用最高的效率设计出高质量的铁路轨道。实际上，目前我国高速铁路轨道的设计技术中仍然缺乏系统且专业的软件，并且软件的交互性和设计成果等方面仍然存在着缺陷。在我国目前的铁路轨道的设计技术中，仍然存在许多问题等待解决。（1）在实际的设计过程中，所有的设计图纸都是二维的图纸，实际上二维这种表示模式并不能够形象地反映出想设计出来的实际铁路轨道的结构，也无法被广大群众所理解，只能由专业的工程师进行分析和解读，影响了图纸的设计意图的表达以及工程建造的理解；（2）二维图纸无法直观地表现出轨道各个接口之间部件的实际连接关系，无法对轨道中的各个部件进行碰撞检查，影响建造过程的实际运行；（3）设计的成果不能够有效地为线路经营以及管理发挥作用，在线路的经营管理的过程中，只能通过查阅资料和设计的存档才能够理解设计的具体方式，无法对问题进行及时的解决，而且如果要保存大量的二维图纸也是相当复杂的；（4）目前，我国的高速铁路轨道设计正在向外输出，这就导致我国的铁路轨道设计面临着国际市场的挑战，如何满足国际轨道的需求以及如何适应国际的管理和建设的差异性，也是当前我国高速铁路轨道设计需要解决的问题。

2 建筑信息模型（BIM）的由来以及应用

2.1 BIM的由来

最初，人们在建筑行业中开始使用计算机进行辅助建筑时，发现了在设计和建造的过程中，还存在许多的手工设计建造的过程来制约建造的效率。如果想进一步提高效率，就应该将对建筑的设计从图形转变到模型观念上，思考应该如何将几何信息、物理属性良好地结合起来，这就是建筑信息模型（BIM）的由来。BIM是在2002年由Autodesk提出的，最初是使用在建材行业中，后来逐步使用到其他产业中，而且涵盖了工程项目的策划、方案设计、施工以及实际使用等方面。国际习惯上将BIM界定为通过运用国际上面的行业标准来对基础设施进行设计，另外，还包括对这些基础设施的生命周期进行数字化的展示，并且为设计的过程提供技术，目的都是为了能够重视建筑项目工程的意义。

2.2 BIM如何具体应用于建筑设计

与传统的设计模式不同的是，BIM能够将建筑工程的所有信息集中在一个三维数字模型中，具有三维化、可协调性的特点，能够进行自动模拟和自动出图，并且在建筑行业中获得了很普遍的应用，特别是在建筑行业中。在国外，许多大型的建筑软件基本上都按照了BIM的规范，而且都是把建筑设计的思维模式与实际行为的模式组合出来，表达了协调建设的基本信息。在国际上，面对BIM技术的广泛应用以及设备越来越完善，目前，很多单位的建筑建设中都需要使用基于BIM的三维数字化建设技术，以此实现了一个节约资源和提升建设效果的目的，运用BIM技术进行建造建筑已经成为目前最流行的一种建筑方式。另外，我国对基于BIM技术的运用时间并不长，还处于刚开始阶段中。基于BIM技术的建筑技术能够优化传统建筑的设计流程，有着极大的创新意义和合理性，必然会成为建筑建造技术的发展趋势。

3 运用基于BIM技术进行铁路轨道的三维数字化设计

目前，我国使用基于BIM技术进行高速铁路轨道的设计方案中，仍然存在着许多尚未解决的问题，三维数字化设计技术的优势还未体现出来。根据铁路轨道结构标准化的特点，标准的铁路轨道结构能够有效应用于BIM的设计技术中，另外，中国的铁路轨道设计面临着向外输出发展的趋势，因此，在设计工程方面上还应该和国际接轨，从而来提高竞争的力量。因此，对于BIM技术应用于铁路轨道的设计工程中的研究非常必要。

3.1 BIM技术运用于铁路轨道设计的模式

运用BIM技术进行高速铁路轨道设计模式和传统的轨道设计模式进行比较，最大的区别就是能够通过3D数字化的设计技术对轨道进行设计，并且在设计的过程中，轨道内部的构件有着密切的联系，如果其中的某个构件发生了变化，和它存在一定联系的部件都会发生变化，并且利用3D轨道的设计模式能够进行碰撞实验以及对成本进行预测等。另外，采用3D设计的模式能够自动生成所需要的各种文档和图片，并且这些文档和图片与设计模型之间存在着联系，如果设计的模型发生改变，那么，这些文档和图片也会发生改变。

基于BIM技术的高速铁路轨道设计的模型基本包括所有的信息和元素，并且铁路轨道中的各种信息和元素之间的关系也是通过BIM进行连接的。其中，铁路轨道的主体以及部分主要的构件是运用BIM技术进行设计的核心，基本的对象不再是传统模式中的点线面这些基本的几何元素，而应该是铁路轨道中实际的钢轨或者是扣件等基本构件构成的整体。运用BIM技术能够将这些分散的轨道构件集合成为一个系统的整体，并且能够按照要求和一定的逻辑，自动生成一种三维数字化模型。

3.2 基于BIM技术的轨道的设计技术系统

实际上，BIM技术是一种将三维数字化技术作为基础，将高速铁路轨道中的所有信息以及与其相关的信息和元素进行集合，并且将其系统地封装在工程模型中的一种技术，也同样是一种面向对象的技术。根据实际的铁路轨道设计模式来讲，BIM设计技术能够对其中的构件进行抽象和自动集合封装，有利于实现相关的计算机程序。

（1）铁路轨道构件的抽象化。在计算机科学中，抽象化的含义就是将其中的数据和程序用计算机语句来表现出具体的结构形象，能够有效地减少计算机程序设计的复杂度。对于高速铁路轨道的抽象化，通常包括两个方面的内容，一是对铁路轨道的初始数据进行抽象化，实际上就是对于铁路轨道的纵面数据等，对于铁路轨道构件的抽象实际上就是对铁路轨道的基本结构进行抽象。如果要对全线铁路轨道的构件进行抽象，那么下属的铁路轨道部件的构建参数都可以看作子对象。根据组成的实际对象，这种设计的模型比较简单并且有着较强的系统性。再结合基于BIM技术的铁路轨道设计需求，能够对铁路轨道的一系列的基本部件进行抽象化，使其能够成为一系列的基本的三维对象。另外，这些三维化的对象能够作为设计的参考数据，包括基本的几何信息以及材料和外部的约束条件等，再加上对于不同三维对象的不同操作方式，能够对铁路轨道抽象的基本对象进行专业性的表达以及操作。

（2）高速铁路轨道的设计与组装。在高速铁路轨道工程的实际设计过程中，应该首先参考铁路轨道设计的技术标准以及铁路轨道的部件构件标准参数来选择铁路轨道的具体建造方式。所以，设计工程师应该首先从基本的轨道类型的件库中选择更加高级的轨道对象，轨道对象中包括构件的基本参数信息。如果标准库中不存在所需求的基本对象时，应该首先在标准件库中建立这种对象然后再进行使用。

3.3 具体的设计方式

因为高速铁路轨道的工程实际规模较大，传统的设计技术是通过借助计算机进行辅助来实现的。由于计算机的硬件发展并没有达到可以将三维数字化设计大范围普及，因此，使用传统的设计模式会严重制约高速铁路轨道工程的设计。目前，计算机硬件已经得到了广泛的推广和发展，三维数字化的设计技术也在各行各业中都得到了推广。结合高速铁路轨道的设计需求，运用BIM技术进行建造的过程中应该构建铁路轨道三维数字化模型，所以使用Auto CAD Civil3D作为开发平台是最合适的。通过借助基于BIM技术的高速铁路国道设计即在计算机平台上对一些特殊功能定制开发，能够获得高速铁路轨道建造的一些基本数据，然后再通过设计软件进行创建，构建内部的逻辑结构，从而形成高速铁路轨道的BIM模型，并且应该结合实际用相应的算法得到相关设计图纸。

4 结语

综上所述，文章系统地分析了高速铁路在轨道交通设计与施工中的实际情况应用以及其中存在的问题，而且还分析了运用基于BIM技术进行对高速铁路轨道的设计的优势，另外，还对基于BIM技术的铁路轨道交通三维数字化设计的模式以及应用系统方案设计与实施的新方法。此外，根据目前计算机技术的硬件与软件方面的相关应用的专业技术，以及通过设计软件平台进行的面向对象的程序设计技术，建立了通过运用基于BIM技术来建造高速铁路轨道工程的设计系统。