基于信息模型的铁路桥梁协同设计研究与实践

2023-02-18张世基罗天靖

铁道标准设计 2023年2期

张世基，罗天靖，王珅

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.高速铁路建造技术国家工程研究中心轨道结构建造技术分研究中心，北京 100055)

引言

随着计算机与通信技术的快速发展和广泛普及，数字化时代已经悄然来临。近年来，国际上发布了ISO 19650系列标准[1-2]，同时在国家和行业层面对基础设施建设数字化转型提出了要求和指导[3-4]。政府部门、行业团体和业内人士进行了大量的数字技术标准研究与制定，以及项目应用研究与探索。

在铁路行业，国家铁路局发布了《铁路工程信息模型统一标准》，明确基于信息模型的铁路数字工程应用模式和基本规则，铁路BIM联盟发布了包括IFC、IFD、EBS、WBS、元数据等标准在内的16项标准，形成了铁路BIM标准体系。在标准体系下，用数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准等技术标准来规范软件编制，用设计应用标准、施工应用标准、运维应用标准等实施标准来规范项目实施。开展了以京张[5-6]、京雄[7]等多个高速铁路项目BIM试点应用。

在项目应用研究与探索方面，王巧雯等[8]对建筑多专业协同设计流程进行了分析，探索构建了BIM一体化多专业协同设计流程框架。黄立新等[9]研发了PKPM的“BIM数据中心及协同设计平台”。史海鸥等[10]在分析城市轨道交通正向协同设计模式的基础上，提出了基于数据驱动的多专业协同设计技术。赵钦等[11]对基于BIM的地铁多专业协同设计流程再造进行研究，提出了地铁工程BIM协同设计的新模式。李纯等[12]依托京张高铁项目构建了统一数据框架的协同设计体系。戴林发宝等[13]研究铁路工程BIM协同设计，提出了一种基于多源数据的BIM协同设计平台。

以往在建筑、轨道交通、综合铁路等多个工程领域中，对基于信息模型的协同设计，分别从流程框架[14-16]、体系构建[17-20]、平台建设[21-24]等方面进行了研究。研究内容主要集中于协同管理的基础层面，缺乏站在项目实施的角度，对如何实现模型信息的高效交互以及如何应用协同设计平台进行项目管理开展研究。因此，结合数字化实践，对铁路桥梁协同设计信息交互方法、组织管理形式开展研究，解决各专业间信息传递和利用不便问题，实现模型信息的高效获取利用，对提高项目信息化管理水平具有重要的现实意义。

1 协同设计平台研究

铁路桥梁设计环境关联性强、协作专业多、接口复杂，在设计过程中需要与多个专业主体密切配合。在项目复杂、周期紧张的情况下，由于不确定因素较多，存在与各个专业反复交换数据的情况，一旦数据提取不准确、更新不及时会造成差错漏碰问题，陷入低效、低质的陷阱。为保障多专业间的协同设计顺利进行，就必须要求信息传递具有准确性和时效性。首先，要保证数据存储的准确性和数据源的唯一性；其次，要保证信息的及时更新和高效交互。在基于信息模型的协同设计模式下，为消除各专业理解上的分歧，对存储格式进行了统一描述，对各专业设计成果采用了精准描述；为满足多专业不同的信息传递及交互需求，则提供了相对应的模型视图来传递特定信息。

基于信息模型的铁路桥梁协同设计，采用了某设计院数字工程研究中心自主开发的协同设计平台作为公共数据环境。协同设计平台对设计资源、过程、结果进行全过程管理。在协同设计资源方面，对项目人员、技术规范及模型库等资源进行管理；在协同设计过程方面，对设校审岗位、模型开发状态等过程进行管理；在协同设计结果方面，对成果的版本、检查、发布等进行管理。协同设计平台功能模块如图1所示。

图1 协同设计平台主要功能模块

1.1 协同设计资源管理

协同设计平台为基于信息模型的铁路桥梁设计提供了公共数据环境，信息模型文件的初始创建、状态管理和关系管理都在这个平台上完成。

使用协同设计平台对信息模型创建过程中所使用的标准化环境和资源进行管理。当设计人员登录平台进行工作时，获得平台提供的设计环境、公共设计资源和专业设计资源。桥梁专业设计人员在登陆平台进行工作时，平台自动赋予桥梁工作环境，自动提供桥梁设计对应的模板文件、构件库等资源。其中对于设计资源，按照公司级、专业级、项目级等多个层次进行递进式配置，如图2所示。

图2 设计资源配置示意

使用协同设计平台对基于信息模型的铁路桥梁设计过程、文件关系和成果版本进行管理。在设计开始时，工作文件被创建在协同平台的指定目录处；在设计过程中，本地的文件副本实时与协同平台上的文件保持同步；当桥梁设计成果进行变更时，及时自动对文件版本进行标记，同时记录和保存工作过程，以便于各专业进行协同设计。同时，在桥梁专业开展设计工作时，通过参考的方式对平台中其他专业共享的成果文件进行引用；如果引用的文件发生变化，与其相关联的桥梁构件将会收到变更通知，以确保即时获得协同方的设计信息，如图3所示。

图3 协同设计平台桥梁设计模型与相关专业文件关系和状态管理示意

1.2 协同设计过程管理

使用协同平台对设计过程中的任务计划、人员配置、资料分发、设校审流程等进行管理。按照项目级的组织方式对铁路设计项目进行生产管理，人员角色包括设计、复核、审核和审定等。通过文件目录对设计工作进行分解，按照任务计划将时间节点分配到各层级的目录中。

对于桥梁设计而言，由专业负责人对桥梁工作目录下的子任务进行管理，指定子任务的工作目录，进行人员角色分配和时间节点设置。工作目录的构成和信息模型的组成相关，一般情况下按总体布置、构件构造、构件详细设计3个层级开展。按照分层参考进行组织，总体布置引用桥梁构件、桥梁构件引用构件详细设计的递进方式逐层细化，如图4所示。根据不同设计阶段对信息模型的需求，各层级的信息深度均有所不同。

图4 桥梁信息模型层级示意

将设计任务按照目录、人员进行分解后，根据设计阶段明确信息模型的创建范围和信息深度层级，采用流程引擎驱动设计工作有序开展。将任务计划中的时间节点及任务状态配置到对应的流程引擎中，将设计校审过程、文件的互提及分发等流程标准化。通过控制文件在工作流程中的各种状态，赋予不同角色在不同状态下对文件的访问权限，规范设计工作流程，保证各层级信息交互节点的有序和安全访问。流程驱动引擎可生成相应的质量管理凭证，如各步骤的审查、接收等意见。

应用协同平台对设计数据和过程进行管理，实现了原始资源共享、设计文件全过程管理和协同工作。在协同平台的管理下，所有过程的相关信息都记录在案，相关数据图表都可以查询统计。通过自动化的管理流程使设计标准化变得简便，减少了人力投入，同时也提高了设计质量。

1.3 协同设计成果管理

协同平台依托文件集中存储的优势，可以统一进行设计成果的发布和交付。利用协同平台提供的电子沙盘功能可在GIS场景中对设计成果进行浏览和应用。

各专业设计文件在完成质量体系管理流程后，最终的成果文件变更为发布状态，进行成果锁定和对外的模型、图纸、文件交付。通过模型转化功能可实现设计模型和电子沙盘GIS场景的自动转换；通过图纸发布功能可实现图纸的自动签章和发布；通过交付功能可将设计成果集成移交到其他系统中，完成设计交付。

集中的成果管理，自动化的发布、转换和交付方式可减少众多的重复性工作，省去诸多中间人工环节。电子沙盘提供的GIS仿真环境为查看、分析和审批环节提供了完整的项目模型，为成果的利用提供了便捷的条件。某项目电子沙盘桥梁模型如图5所示。

图5 某项目电子沙盘桥梁模型

2 基于信息模型协同的桥梁设计研究

铁路桥梁设计根据项目阶段不同，开展的工作深度也相应不同。常规的信息模型创建流程一般为：根据线路平纵条件、地形地物以及地质情况等相关资料确定布跨形式，选择合适的桥梁结构形式和构件对全桥进行建模，对桥梁结构进行计算分析，完成桥梁整体和细节设计。

2.1 基于协同交互的桥梁设计方法研究

铁路桥梁的设计数据主要包含工点信息、桥式方案、构件信息和协同专业信息。这些设计内容可组织为树形结构，按照不同层次结构有机地组合起来。通过协同平台的协同接口，从关联专业如线路、地质、地形、环境等专业的信息模型中读取相关结构化数据，并转化为桥梁设计的边界条件，储存并接入到桥梁设计的流程中。以简支梁形式的工点桥为例，基于协同交互的桥梁信息组织关系如图6所示。

图6 铁路桥梁设计内容与协同关系示意

2.2 桥梁协同设计接口研究

桥梁协同设计的边界条件源自于关联专业提供的数据信息。在传统的设计模式下，这些信息通过文本、图片、视频等方式相互沟通，需要设计人员对有用的关键信息进行提取、转化与修正，才能形成桥梁设计可以使用的专业数据。这个过程往往伴随着误差与错误，效率低下。在基于信息模型的协同设计方式下，数据采用标准化、编码化、三维模型的方式进行结构化承载，其中包含数字、文本、列表、字段等标准格式化数据。这些数据根据桥梁专业与其他专业约定的标准协议进行规范化存储，使用Json格式公共接口进行转换，将其解析为桥梁专业可用的设计边界条件，直接用于桥梁结构设计。关联专业的信息模型既可以通过三维可视化方式直观的进行查看，又可以通过协同接口读取转换为桥梁设计所需的边界信息。

通过这种交互方式，可以将其他专业信息模型中的数据无损地转化为桥梁设计的有效输入数据，并自动融合到桥梁内部数据结构中，省去人工操作过程。例如，通过协同接口向地质模型发送所需的土层信息坐标点，在协同平台关联的地质文件中自动读取地质模型上该点的土层参数后，通过协同接口过滤数据，转化为桥梁设计需要的土力学计算参数列表。同理，其他专业也可以通过协同接口从桥梁设计模型中获取桥梁专业的设计信息，包括墩台里程、高程、刚度、梁体构造、护轮轨、用地边界、工程数量等信息。通过协同接口进行信息交互的过程如图7所示。

图7 协同接口信息交互示意

3 协同设计应用实例分析

基于前期对信息模型的协同设计研究，开发了桥梁数字化设计软件用于实际工程项目，取得了良好的效果。选取新建兴县至保德县地方铁路二期工程瓦塘至冯家川段复线项目(以下简称“兴保铁路”)开展协同设计。兴保铁路为重载铁路，线路全长21.8 km，特大、大、中桥15座，桥梁总长4.1 km。在兴保铁路设计过程中，开展了设计资源管理、基于信息模型的信息交互、信息模型创建、协同设计流程管理、成果发布等方面的应用。

应用协同设计平台分配工作空间对设计资源进行集中管理，创建项目的目录层级，分配人员到对应的目录，按照设计流程和计划时间进行流程设置。分别对预可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段、施工图阶段、施工运维阶段等不同工程进度划分了文件目录，每个阶段目录中按专业分别存储设计成果、互提资料与校审资料。同时，对不同使用者分配不同的权限，以便进行修改文件、锁定数据、提交资料等不同级别的操作，并自动储存不同版本的文件，保留修改记录，追溯设计过程等。

应用桥梁数字化设计软件获取协同平台上其他专业的共享模型后，可直接从模型中获取协同交互信息。例如，从线路三维模型中获取空间线路的平纵曲线要素用于桥式方案设计；从三维地质体模型中获取桥梁工点任意位置处的钻孔信息及温度、地震等环境信息用于进行下部结构与基础设计；从测绘地形地物模型中获取沿线路横纵方向的地面线及墩台处地表地物信息等用于跨越方式与支挡结构设计；从三维轨道模型中获取轨道结构参数用于梁型选择。通过协同接口获取的地质钻孔信息如图8所示。

图8 通过协同接口获取的地质钻孔信息

在项目设计过程中，利用协同设计平台可以将参与的各专业组织在一起，实现项目统一的数据、人员、流程管理；将所有专业的三维信息模型实时关联装配在一起，得到三维设计成果，同时可自动对各专业的设计成果进行接口检查，避免差错漏碰。利用协同设计方式完成的单个桥梁工点信息模型如图9所示。

图9 单个桥梁工点信息模型

在以往的设计项目管理中，设计资料分散在各个设计人员手中，校审流程因人为因素不完全可控，项目进度依靠人工统计，不同专业间的衔接需要耗费大量人力进行反复比对检查，经常出现接口问题。相比之下，使用协同设计平台完成了15座桥梁的高效建模和便捷协同设计，发现多处承台部分外露、不同专业结构之间的衔接不合理、支挡结构形式不合理或不匹配问题、附属设施对接困难问题，提高了专业间互提沟通效率、数据传递效率及校审流程的可控性，提升了人员管理的便捷性，提高生产效率约30%，同时极大减少了差错漏碰问题，起到了提质增效的作用。

应用桥梁数字化专业设计软件进行三维协同设计，可以减少设计人员读取填写资料的误差与错误，减小各专业间信息转换的隔阂，还能即时对设计成果进行差错漏碰的三维可视化检查，展现专业段落间衔接问题，提高了设计人员的效率和设计成果的准确性。较国内已有平台，本平台在设计阶段前期即开始介入并统筹资料、模型与数据管理，提高了各阶段设计成果的数字化交付效率。