基于达索系统3D体验平台的铁路土建工程BIM协同设计技术研究 | 达索系统百世慧®
摘要
为了解决铁路土建工程建筑信息模型（BIM,Building Information Modeling）设计过程中出现的重复建模、数据传递不畅问题, 从协同设计环境出发，围绕“骨架-模板”设计方法，对路基、桥梁、隧道专业BIM设计技术及专业间接口设计技术进行研究。提出包括信息传递方法、模型设计方法在内的协同设计环境，实现了模型数据的有效管理和BIM技术标准的有效实施。提出以骨架设计、构件模板设计、构件装配设计三步骤为代表的土建工程BIM设计流程，实现了三维BIM环境下的土建工程设计流程再造。提出土建工程专业间接口设计技术，充分发挥协同设计环境在土建工程领域的应用价值。BIM协同设计环境、土建专业设计流程、专业间接口设计技术为满足各方信息需求提供了有效路径, 可为后续BIM技术在铁路工程中的应用提供借鉴。
建筑信息模型（BIM,Building Information Modeling）包含了建筑全生命周期各个方面的信息，可实现铁路工程设计阶段数据管理的协同共享，为工程建设全生命周期的各种决策及多方协同提供数字化基础。
2014年，铁总安排了以牡佳、京雄为代表的17个BIM试点项目，随着这些项目的成功开展,BIM技术在铁路工程领域得到了大力推广和应用。铁路BIM联盟在标准制定方面进行了大量的基础研究[1][2][3] ,目前为止发布了13项铁路BIM标准,为BIM技术在铁路工程中的应用提供了标准支撑。
在铁路土建工程BIM设计领域,许多业内人士进行了技术研究与工程实践,赵月悦等人[4]运用Revit软件建立一整套高速铁路桥梁构件库，对拱桥、钢－混组合梁斜拉桥以及预应力混凝土部分斜拉桥等特殊复杂桥梁进行BIM设计；谢先当等人[5]基于OpenRail Designer二次开发，形成具备路基本体、支挡工程、边坡防护、地基处理、三维排水等功能在内的路基正向设计系统；张轩[6]在京张高速铁路隧道工程中，使用Bentley平台开展了包括碰撞检测、出图算量、正向设计、协同设计在内的隧道工程BIM应用研究。上述研究多是针对路基、桥梁、隧道的单一专业进行,从各自所处的角色对BIM技术进行应用探索,而针对土建工程全专业BIM设计环境及设计方法的研究或应用案例未见介绍。从研究的广度来看,BIM技术已经应用于铁路土建工程的各个专业,从研究的深度来看,在单一专业的应用已经取得了一些成功案例[7][8],但鲜有在协同设计环境下串联起路基、桥梁、隧道三专业的应用案例。BIM技术的应用已经进入了“深水区”, 各工程参与方均在探索BIM技术的应用解决方案, 以发挥BIM技术的真正价值。
本文从基于达索系统3D体验平台的三维协同设计环境出发，围绕 “骨架-模板”设计方法，研究路基、桥梁、隧道工程各专业BIM设计技术及专业间接口设计技术,以期达到三维精细化设计与正向设计的目标。
一、三维协同设计环境
为了在三维BIM环境下实现土建工程设计各参与方之间的交互协同和信息共享,需要建立共同工作的基础环境，该环境包括信息传递方法、模型设计方法两方面内容。三维协同设计环境为土建工程专业间和专业内BIM设计创造了基础条件。
1. 信息传递
专业之间需要传递的信息分为2种类型，一是可以用结构化形式传递的信息，信息传递要满足软件自动读取的要求并用于BIM设计；二是只能以非结构化形式、通过管理平台传递的信息，用于人工读取。
1.1结构化信息传递
结构化信息依托设计骨架传递，骨架即铁路工程的主要位置及主要特征，以轻量化的点、线、面和参数对铁路骨干进行表达，在铁路工程BIM设计中起着定位与专业间信息传递的作用，骨架设计成果可作为模型装配和实例化的输入参数。因此，骨架设计的过程处处体现了多专业协同作业的过程。参考传统铁路工程设计过程，结合BIM设计特点，将骨架设计划分为两个阶段，即总骨架设计和专业骨架设计。
（1）总骨架
总骨架包括线路空间曲线，及路基、桥梁、隧道各专业缺口里程。
（2）专业骨架
专业骨架具体内容根据专业特点确定，是对总骨架的进一步深化，工程特征描述更精细，如表1所示。专业骨架与总骨架之间保持联动，总骨架的修改将驱动专业骨架随之更新。
参考铁路土建工程技术特点，结合BIM技术在三维参数化、协同化方面的优势，进行路基、桥梁、隧道工程数字化设计流程再造，明确每个设计环节所产生的下序资料，并与骨架结构进行映射。土建工程各专业骨架承载的结构化信息如图1所示。
1.2非结构化信息传递
非结构化信息以各种数据文件承载，包括Word、Excel、AutoCAD等常用软件生成的文件。
ENOVIA是达索系统3D体验平台的B/S架构应用模块，设计人员可通过ENOVIA模块在浏览器端实现模型数据库、人员权限及任务分配、文件数据的远程管理。有关责任人在启动所负责的任务后，于ENOVIA端提交设计文档到每项任务，并开展成熟度状态和版本管理工作。
2.设计成熟度管理
为从源头上保证铁路土建工程设计的系统性，提出“三棵树”的设计理念，并制定相应BIM实施标准。“三棵树”分别对应不同的设计成熟度。
（1）骨架结构树：用于工程结构的框架性设计和信息传递。
（2）设计结构树：用于设计过程和BIM模型组织。海量模型及其关联关系的存储会带来数据库性能的下降，减少数据库记录可有效提高数据存取和索引效率，增强协同设计体验。因此，在满足设计检查、优化和工程数量统计的前提下，使用简化特征表达标准构件，对组合后发挥特定作用的若干构件按一个构件进行设计，每个构件使用特征表达，并从特征层面建立约束关系，以达到减少数据库记录、提升平台运行效率的目标。
（3）交付结构树：用于从设计模型转换为交付模型。按照《铁路工程信息模型交付精度标准》规定，模型需按单体构件存储、组织。在交付前使用平台工具将设计结构树升级至交付结构树，将以简化特征或整体表达的模型升级成单体构件，以满足建设管理、数字化施工等应用需求。
二、骨架设计
桥梁骨架设计
“骨架-模板”是一种自上而下的设计方法，以桥梁工程为例，骨架定义了桥梁上下部各构件的整体定位基准，其本身是BIM模型的一部分，通常外在表现为点、线、面和坐标系等形式。基于该方法，一座桥梁的梁体、桥墩、桥台和基础等组成部分，在相对空间位置发生变化时，能够继承原有的设计框架，自动实现设计更改。
线位主骨架是创建桥梁定位骨架的基础，在模型空间表现为一条空间曲线，既包含平面曲线信息，又包含纵断面信息。
获取线位主骨架后，为了完成对桥梁各部分构件的定位，还需要表格形式的输入信息。桥梁一般包含梁体、桥墩、基础以及桥台四个主要部分，输入信息由里程、高程、弯道布置、构件类型等数据组成。
基于上述输入信息，在达索系统软件知识工程模块的Knowledge Pattern工具中，使用EKL语言编写脚本程序，调用达索系统软件API(Application Program Interface)实现桥梁骨架运算算法，完成桥梁定位骨架批量建模。
2. 路基骨架设计
路基骨架分为工点线位（一级骨架线）和路肩线（二级骨架线），它们是路基工程BIM建模的重要输入元素。一级骨架线的创建方法是在每个路基工点范围内截取空间左线模型；二级骨架线是以工点范围作为边界条件生成左右侧路肩位置三维空间曲线，创建该三维空间曲线时需考虑轨道结构形式、铁路等级对曲线加宽的影响。
对于U型槽来说，以左线投影线作为基准，根据U型槽单元长度、伸缩缝宽度，使用EKL脚本语言中的split（）函数批量切割空间左线，生成每个U型槽段落的空间骨架，作为模型实例化的输入条件。
3. 隧道骨架设计
以正洞和洞室为例，首先编制设计信息表，该表既可以作为隧道构件模板实例化的依据，也可以作为骨架建模的依据。步骤如下：
（1）确定骨架起终点里程
从设计信息表读取各隧道节段的正洞起终点里程，以及各洞室所在里程、左右侧信息及轴线长度。
（2）生成三维起终点
由于铁路工程中的里程是平面左线长度的数值反映，因此，为了生成三维起终点，首先沿平面左线以里程值为度量生成临时定位点，再通过该点沿Z方向延伸与空间左线相交生成三维起终点。
（3）生成隧道骨架线
使用EKL语言编写脚本程序，循环截取空间左线，并生成与洞室轴线长度相等且垂直于空间线位的短线，分别作为隧道正洞和洞室骨架。
三、构件装配设计
1. 桥梁装配设计
（1）简支梁设计
综合运用BIM软件的等截面实体、多截面实体、拉伸、剪切、布尔运算等三维几何造型功能创建简支梁精细化BIM模板。在BIM生产项目实践过程中，积累丰富的模板库，使用catalog功能高效管理模板设计成果。
调用系统Assembly Pattern功能，分别选择简支梁模板与装载坐标系的几何图形集，最终完成各类简支梁模板的批量实例化。
（2）连续梁设计
基于达索系统CAA架构，开发预应力混凝土连续梁桥BIM设计工具,该工具嵌入到达索系统软件内部，以用户界面对话框和Excel表格作为数据输入媒介。在模块设计方面，通过界面模块、特征模块、节段拓扑模块，使用户定义特征从虚拟的可派生基类逐步具体化成为可视的拓扑形状，并最终组装成全桥BIM模型，界面如图2所示。
（3）桥墩设计
对于桥墩设计，首先通过达索系统软件Component Family模块将桥墩一级模板分解为离散于数据库中的二级模板，并同时为二级模板的几何参数和属性赋值。然后使用CAA进行二次开发，编制桥墩二级模板组装程序，该程序从数据库调取满足属性要求的二级模板，并将二级模板移动至与骨架坐标系重合，循环操作，实现全桥桥墩的快速、批量BIM建模。
（4）基础设计
对于基础设计，使用达索系统CAA架构开发了基础批量BIM建模及审核程序，本程序具备批量创建基础模型并以excel表格的形式输出设计数据以供审核的功能。从开发角度上讲，本程序同样分为界面模块、特征模块、几何拓扑模块三部分，几何拓扑模块用于生成承台和桩的CATBody类型拓扑结果；特征模块将桩和承台各自封装为一种面向对象的模型，并调用几何拓扑模块实现特征显示；界面模块调用特征模块实现批量建模功能。
2. 路基装配设计
（1）基床设计
在进行路基基床BIM设计前，需要根据地形起伏情况分段调用路堤、路堑模板。为了有效判断路堤、路堑分界位置，首先应该根据地质情况将每个工点范围划分成若干个段落，每个段落采用同一个路堑标准横断面进行路堤、路堑分界判别。具体过程为，计算出每个段落判断线与地形面的交点，根据这些交点将段落划分为多个部分，在地形面以上的范围为路堤，地形面以下为路堑，以此为原则，分别调用路堤、路堑BIM模板，与三维数字地形交互运算，完成基床BIM设计，如图3所示。
（2）支挡结构设计
路基支挡结构主要包括桩板式挡土墙、重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、U型槽（坞式挡土墙）等常用类型。采用知识工程等参数化手段，创建支挡结构模板。
将U型槽通用工程模板及设计信息表添加到资源表，利用Action功能调用模板，循环读取空间骨架线及设计信息表中的U型槽尺寸参数，通过SetAttributeReal（）函数为U型槽工程模板赋值，使用InstantiateTemplate()函数完成U型槽实例化，BIM设计成果如图4所示。
3. 隧道装配设计
不同类型隧道工程构件在几何特征上存在差距：对于山岭隧道，每一段衬砌结构以围岩级别及埋深作为分类参数，不同类型衬砌的内轮廓相同，初支和二衬厚度不同；大部分隧道洞室采用相同的结构型式，仅尺寸参数取值不同；对于使用通用楔形管片的盾构隧道，每一环管片通常都由封顶块、临接块和标准块三种形式拼装而成，沿线路方向所有管片环只存在空间位置的区别，几何特征完全相同。
上述几何特征上的区别引起构件模板设计及模型实例化方法的不同，各类隧道工程构件的BIM模板如图5所示。
根据不同类型构件的几何特征变化规律，创建以骨架为输入元素的标准参数化模板库。通过达索系统知识工程工具，读入表格数据并识别构件骨架线特征，调用所需构件BIM模板并进行参数赋值，实现批量装配并最终完成全隧道BIM设计。
四、土建工程专业间接口设计技术
在BIM协同设计环境下，不同专业人员基于同一数据库、同一三维地形协同工作。该环境不仅为设计人员开展土建结构物、边仰坡、电缆槽、排水沟等关联构件的精细化设计提供条件，同时也简化了专业间资料和信息交换的过程，提高设计质量，避免反复工作。
1.桥隧三维联动设计
隧道设计人员先发布以三维空间平面代表的临时缺口模型，土建工程其他专业以这些平面作为三维BIM设计的输入参数、用以限定模型边界范围，当缺口里程调整时，三维空间平面移动，桥梁、隧道专业模型随之自动更新。上述流程实现了根据设计过程中的实际情况，综合考虑安全、经济、美观等多种控制因素的交互式专业间接口动态设计。
2. 路隧排水接口设计
传统二维模式以平面布置图、横断面图作为设计手段、综合表达排水路径，该方法不适用于复杂空间地形及多专业系统排水设计场景。以实测三维地形曲面作为设计依据，发挥BIM技术的参数化优势，在协同环境下开展路基、隧道工程系统排水设计，如下图所示，隧道截水天沟汇集山坡水流，排入路基天沟，保证了水流的有效、畅通。
3.路桥过渡电缆槽(井)设计
过渡电缆槽（井）是路桥过渡段的一处重要地上接口。由于路基电缆槽间距普遍大于桥梁电缆槽，导致两个专业间的电缆槽无法沿线路方向直接对接，需要在衔接处设置过渡电缆槽（井）将各自电缆槽内的线缆平顺连接。图8为三维BIM协同环境下的路桥过渡电缆槽（井）接口设计成果，左侧为路桥过渡电缆槽，右侧为路桥过渡电缆井。
五、结语
结合BIM在铁路土建工程中的应用实践, 从“骨架-模板”设计方法出发，围绕三维协同设计环境、骨架设计、构件装配设计和专业间接口设计,研究铁路土建工程BIM协同设计技术。
建立同时具备三维结构化与非结构化信息传递、设计成熟度管理功能的协同设计环境。基于达索系统3D体验平台EKL脚本语言及CAA架构，运用多层次开发手段，实现骨架设计与批量BIM建模。在上述成果基础上，针对桥隧相接位置、系统排水、过渡电缆槽（井）工点开展专业间接口设计验证，充分体现了BIM技术的优势。
目前铁路土建工程BIM设计大多基于国外通用软件平台开展，未来应集中力量开发具有国产自主知识产权的BIM设计软件，并积极进行工程验证。
六、参考文献
[1] 铁路BIM联盟. 铁路工程信息模型表达标准(1.0版)[J]. 铁路技术创新,2017(6):13-105.
[2] 铁路BIM联盟. 铁路工程信息模型分类和编码标准(1.0版)[J]. 铁路技术创新,2015(1):8-111.
[3] 铁路BIM联盟. 铁路工程信息模型数据存储标准(1.0版)[J]. 铁路技术创新,2016(1):5-177.
[4] 赵月悦，彭灿，张超超，郭攀，黄卫. 福厦高铁桥梁BIM技术应用[J]. 世界桥梁，2020,48(S1):106-112.
[5] 谢先当，刘厚强，翟连吉. 基于Bentley平台的铁路路基BIM正向设计研究[J]. 铁路技术创新,2020(4):43-49.
[6] 张轩. 基于Bentley平台的铁路隧道BIM 技术应用研究[J]. 铁道标准设计,2019,63(4):107-112.
[7] 韩广晖, 李 辉, 等. BIM 技术在铁路桥梁工程中的应用及实现方法[J]. 铁道标准设计,2021,65(11):166-169.
[8] 靳猛. 基于欧特克平台的铁路路基BIM 设计技术研究[J]. 铁道标准设计,2020,64(7):59-63.
作者
齐成龙（ 中国铁路设计集团有限公司 ） 国家一级注册结构工程师，中国铁路设计集团有限公司高级工程师。同济大学工学学士、工学硕士，台湾逢甲大学财务金融研究所交换生，发表EI、核心等中、英文学术论文40余篇。拥有极其丰富的铁路工程勘察设计及BIM技术研发应用经验。关于百世慧：
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