注：本文為期刊公眾號(hào)簡版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

張建鋒，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司

劉 威，中國中鐵“一帶一路”互聯(lián)互通研究中心；中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司

唐文建，中國中鐵“一帶一路”互聯(lián)互通研究中心；中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司

李 偉，高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室；中南大學(xué)

BIM技術(shù)應(yīng)用是工程建設(shè)領(lǐng)域近年研究熱點(diǎn)，依托三維可視化、多專業(yè)協(xié)同化優(yōu)勢已廣泛在建筑、機(jī)電設(shè)備等領(lǐng)域中應(yīng)用。我國鐵路行業(yè)BIM技術(shù)發(fā)展較晚，但當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)橋、隧、站、線路等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的BIM研究設(shè)計(jì)，通過應(yīng)用中鐵二院自主研發(fā)三維空間自動(dòng)選線系統(tǒng)自動(dòng)生成初步方案群、BIMRDS系統(tǒng)平縱三維一體化優(yōu)化調(diào)整等策略探索了線路BIM技術(shù)的實(shí)施技術(shù)路線，并通過案例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，路線可行，成果可顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率。

一?概述

鐵路選線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)總攬全局的工作，被稱為“龍頭”，傳統(tǒng)的鐵路選線設(shè)計(jì)主要依靠線路工程師識(shí)別圖紙上的相關(guān)信息，然后運(yùn)用直尺、曲線板等工具布設(shè)線路的空間位置，過程中存在大量的曲線半徑選配、要素計(jì)算、表格統(tǒng)計(jì)等工作，效率較低。伴隨數(shù)字化選線的逐步普及和推廣，當(dāng)前鐵路選線實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，提高了數(shù)倍工效，同時(shí)AI等技術(shù)的推廣，自動(dòng)選線、智能選線等手段也相繼被提出，實(shí)現(xiàn)了鐵路選線設(shè)計(jì)的數(shù)字化、自動(dòng)化。在我國鐵路高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的背景下，國鐵集團(tuán)頒布《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，文中提出“建立完整的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建基于BIM的鐵路工程協(xié)同設(shè)計(jì)體系”。因此將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵道工程領(lǐng)域是行業(yè)發(fā)展要求，也是新時(shí)代鐵路選線設(shè)計(jì)發(fā)展方向及實(shí)現(xiàn)專業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。

BIM技術(shù)是三維平臺(tái)下的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，各個(gè)專業(yè)可緊密配合減少設(shè)計(jì)過程中的差錯(cuò)漏，有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)化工程，減少后期變更，利于質(zhì)量控制、進(jìn)度控制，同時(shí)由于成果為三維數(shù)字化模型，其可運(yùn)用于后期運(yùn)維階段，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的質(zhì)量控制。國外倫敦鐵路Crossrail項(xiàng)目在2007年選擇Bentley軟件公司作為其最佳軟件供應(yīng)商，為其提供專門定制的軟件，通過BIM模型提供準(zhǔn)確的信息，實(shí)施信息技術(shù)管理、資產(chǎn)信息和配置管理、文檔管理、地理信息系統(tǒng)（GIS）、CAD管理及其支持服務(wù)，以及建筑信息模型（BIM）的信息應(yīng)用和最佳實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)長期的成本節(jié)約，大大減少了合同和各個(gè)項(xiàng)目階段之間的信息遺漏，提高了設(shè)計(jì)和施工過程的可見性；2013年5月，中國鐵路總公司啟動(dòng)了“鐵路工程建設(shè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究”等科研項(xiàng)目的研究工作，于2013年12月，中國鐵路BIM聯(lián)盟（簡稱鐵路BIM聯(lián)盟）在北京成立。

鐵路BIM聯(lián)盟的成立為鐵路BIM技術(shù)研究和應(yīng)用提供了組織支撐，在設(shè)計(jì)階段中主要在可視化設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、性能分析、工程量統(tǒng)計(jì)及管線綜合等領(lǐng)域，國內(nèi)鐵路各個(gè)設(shè)計(jì)單位相繼開展了隧道、橋梁、路基、站房、四電集成等多個(gè)專業(yè)的BIM應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究工作，取得了一定進(jìn)展，提高了專業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量及水平。

鐵路BIM模型可視化效果如圖1所示?，F(xiàn)有鐵路線路設(shè)計(jì)涉及20余個(gè)專業(yè)，涉及面廣、專業(yè)接口內(nèi)容多，易產(chǎn)生差錯(cuò)漏現(xiàn)象。由于BIM設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可視化、多專業(yè)協(xié)同、高仿真模擬、方便工程優(yōu)化等特點(diǎn)；能有效幫助設(shè)計(jì)人員更準(zhǔn)確、更快速地分析和判斷各種地物地貌、地層信息等現(xiàn)象；多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少專業(yè)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施階段的差錯(cuò)漏；高仿真模擬實(shí)現(xiàn)高效組織，運(yùn)維控制。因此將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵道選線中將顯著提高線路設(shè)計(jì)工效和質(zhì)量。

二?BIM選線設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前BIM選線設(shè)計(jì)處于起步階段，國內(nèi)幾大鐵路設(shè)計(jì)院在中國鐵路BIM聯(lián)盟的組織下紛紛開展研究，文章所述系統(tǒng)創(chuàng)新開發(fā)了基于Bentley軟件平臺(tái)線路設(shè)計(jì)接口軟件BIMRDS實(shí)現(xiàn)二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)專業(yè)設(shè)計(jì)向多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的過渡。

鐵路線路BIM技術(shù)應(yīng)用路線如圖2所示。

1?多方案自動(dòng)生成

應(yīng)用中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司開發(fā)的鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)對(duì)選線區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)選線，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在大面積、小比例尺環(huán)境下鐵路三維空間線路可行方案群的快速自動(dòng)生成，避免了鐵路人工定線中方案的有限性，可以快速進(jìn)行線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、快捷生成線路方案、并不遺漏有價(jià)值方案、降低設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短線路研究過程中決策周期、提高工作效率效果明顯。

流程：進(jìn)行選線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置；錄入 （圖中拾取） 線路起終點(diǎn)；進(jìn)行環(huán)評(píng)、地質(zhì)、禁區(qū)等約束條件、選線參數(shù)設(shè)置；建立格網(wǎng)數(shù)模；建立綜合地理信息模型；自動(dòng)計(jì)算線路方案群；方案調(diào)整，形成線路方案mdb數(shù)據(jù)庫。

2?BIMRDS主要功能及選線流程

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司基于Bentley公司旗下產(chǎn)品OpenRail Designer（以下簡稱ORD）開發(fā)了線路BIM軟件設(shè)計(jì)接口BIMRDS。BIMRDS主要功能：

（1）基于ORD平臺(tái)，組織和管理線路方案mdb數(shù)據(jù)的輸入和輸出；

（2）基于ORD平臺(tái)，直接讀取二維設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為Bentley平臺(tái)下的三維線路中線BIM模型（具有IFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線路BIM信息）；

（3）實(shí)現(xiàn)三維插旗附加功能，基于ORD平臺(tái)，在三維線形基礎(chǔ)上附加站場、橋梁、隧道、涵洞的插旗示意符號(hào)和標(biāo)注；

（4）具有三維地形建模的功能，基于ORD平臺(tái)，由測繪專業(yè)提供的地形圖提取點(diǎn)云、快速建立沿線的三維地形模型；

（5）具有線路三維幾何建模的功能，基于Bentley平臺(tái)，建立初步的線路三維幾何模型，包括路基段、橋梁、隧道段的初步三維模型。

Bentley平臺(tái)下線路BIM設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

三?應(yīng)用案例

選取某規(guī)劃高速鐵路項(xiàng)目進(jìn)行研究以驗(yàn)證鐵路BIM選線設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目線路全長80km，起終點(diǎn)海拔高差約500m，區(qū)域分布有火山等禁區(qū)。應(yīng)用項(xiàng)目區(qū)域概貌如圖4所示。

1?自動(dòng)選線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)初方案生成

應(yīng)用中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司開發(fā)的鐵路三維空間智能選線系統(tǒng)對(duì)選線區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)選線，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在大面積、小比例尺環(huán)境下鐵路三維空間線路可行方案群的快速自動(dòng)生成，避免了鐵路人工定線中方案的有限性，可以快速進(jìn)行線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、快捷生成線路方案、并不遺漏有價(jià)值方案、降低設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短線路研究過程中決策周期、提高工作效率效果明顯。

（1）設(shè)置主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

（2）項(xiàng)目研究區(qū)域?yàn)槲靼肭?，?jīng)度坐標(biāo)為負(fù)數(shù)，在地形數(shù)據(jù)投影處理過程中，為保證鐵路線路設(shè)計(jì)的可行性，坐標(biāo)投影分別將線路x坐標(biāo)向東移動(dòng)17000km，y坐標(biāo)向北移動(dòng)5000km，然后分別設(shè)置線路起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)為：起點(diǎn)（3001 194.027，17017865.941，30）、終點(diǎn) （3023111.349，17087859.942，508）。

（3）起終點(diǎn)設(shè)置完成后，輸入自動(dòng)選線初步經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化參數(shù)表如表2所示。

三維空間自動(dòng)選線系統(tǒng)依據(jù)設(shè)置參數(shù)，計(jì)算約1h，生成了200個(gè)具有差異性的方案，選取自動(dòng)生成方案中具有典型代表性的走向方案進(jìn)行擬合，擬合后的線路方案與人工設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

應(yīng)用項(xiàng)目推薦線路示意圖如圖6所示。

（4）選取最優(yōu)線路走向進(jìn)行擬合，得出推薦方案。圖6中北側(cè)推薦方案為智能選線系統(tǒng)中輸出排序第一的方案，南側(cè)比較方案為智能選線輸出的任一差異性較大的方案。經(jīng)分析兩方案長度差別不大，北側(cè)方案稍長，但其線路基本沿平坦廊道走行，橋隧比例較低、工程簡易，南側(cè)比選方案短直、但線路走行于山嶺區(qū)域，橋隧比例較高、工程復(fù)雜；本次研究暫采用北側(cè)工程簡易的推薦方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2?BIMRDS實(shí)現(xiàn)線路方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及BIM模型輸出

在鐵路三維自動(dòng)選線完成后，利用中鐵二院自主研發(fā)的線路BIM設(shè)計(jì)插件BIMRDS軟件進(jìn)行線位方案平縱三維一體化精細(xì)化調(diào)整。

（1）建立三角網(wǎng)數(shù)模。BIMRDS中構(gòu)建應(yīng)用項(xiàng)目數(shù)模如圖7所示。

三維地形數(shù)據(jù)線路BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)核心數(shù)據(jù)，其建模將消耗大量計(jì)算機(jī)資源，為使線路后期優(yōu)化調(diào)整流暢，ORD提供了類似CAD參考圖形的方式進(jìn)行數(shù)模的載入。

（2）導(dǎo)入MDB線路方案。BIMRDS可自動(dòng)識(shí)別線路自動(dòng)選線軟件形成的MDB方案數(shù)據(jù)庫，同時(shí)通過讀取曲線表、斷鏈表、坡度表等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)線路方案平縱數(shù)據(jù)的一體化導(dǎo)入，并形成三維空間線位。BIMRDS中導(dǎo)入應(yīng)用項(xiàng)目線路方案如圖8所示。

（3）線路方案平縱一體化三維調(diào)整。在激活數(shù)模的條件下，選中線路平面方案在右側(cè)視口中，軟件將自動(dòng)從mdb方案數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)繪制既有縱斷面，此時(shí)左右側(cè)視口聯(lián)動(dòng)即左側(cè)線路方案調(diào)整，右側(cè)縱斷面也實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（4）線路BIM模型一鍵式初始化構(gòu)建?；贐entley內(nèi)部三維引擎，開發(fā)了線路方案一鍵式線路方案橋梁、隧道、路基模型生成模塊，橋隧模型構(gòu)建基于用戶完成的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，路基模型構(gòu)建依據(jù)線路方案與地形關(guān)系自動(dòng)計(jì)算生成，顯著提高了可視化設(shè)計(jì)效果。BIMRDS中應(yīng)用項(xiàng)目平縱一體化優(yōu)化調(diào)整示意如圖9所示。

BIMRDS中線路方案BIM模型如圖10所示。

四?結(jié)論

我國鐵路BIM研究應(yīng)用相對(duì)建筑行業(yè)起步晚，但伴隨國鐵集團(tuán)的精心策劃，鐵路各參建單位的積極研究，各專業(yè)BIM設(shè)計(jì)成果豐碩，形成了專業(yè)領(lǐng)域的BIM實(shí)施路線，但由于BIM設(shè)計(jì)軟件多、平臺(tái)不統(tǒng)一，專業(yè)協(xié)同成為難點(diǎn)，當(dāng)前尚未達(dá)到真正意義的多專業(yè)BIM正向設(shè)計(jì)。

文章以線路專業(yè)為研究對(duì)象，以Bentley公司旗下產(chǎn)品ORD為基礎(chǔ)平臺(tái)，研發(fā)了BIM專業(yè)設(shè)計(jì)軟件與鐵路三維自動(dòng)選線的接口程序BIMRDS，探索了自動(dòng)選線初方案生成、BIMRDS進(jìn)行線路方案優(yōu)化的線路BIM正向設(shè)計(jì)方法，并以某高速鐵路方案研究說明了技術(shù)路線的可行性。結(jié)果表明，自動(dòng)選線可高效生成線路方案群，BIMRDS可對(duì)初步走廊方案進(jìn)行快速平縱三維一體化優(yōu)化調(diào)整，并一鍵式生成三維模型，顯著提高設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。

來源：鐵路BIM聯(lián)盟