基于欧特克平台的铁路路基BIM设计技术研究

靳 猛

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

自从BIM概念提出以来，最早应用于建筑领域，因为有较为成熟的配套软件支持，已有较多成功应用案例[1-3]。在铁路工程领域，近几年来在，在中国铁路BIM联盟组织推动下，其标准规范体系逐步完善，各试点项目正在稳步推进，BIM技术在铁路工程中的应用得到快速发展[4-8]。

铁路工程项目开展BIM以来，路基工程一直是铁路BIM设计的重难点[9]。铁路路基设计在铁路设计各专业中相对特殊，虽然在路基设计中将路基本体当结构物设计，但鉴于路基与地形结合的紧密性以及路基本体填料非刚性、非规则性结构，路基本体设计随地形变化，横断面形式多样，不能像一般刚性结构物那样快速进行标准化、模块化设计，并且BIM设计对标准化要求较高，对铁路路基BIM设计带来的困扰也较多。

在银西高铁BIM试点项目，选择欧特克平台进行了铁路路基BIM设计实践，探索验证了铁路路基BIM设计技术路线，探讨该平台在路基BIM设计的适用性，并系统研究了路基BIM设计各项技术难点，进行了平台软件二次开发，取得了较好的BIM设计应用效果。

1 路基BIM设计技术路线

初步设计和施工图设计时，按《铁路工程信息模型交付精度标准》及《铁路工程信息模型表达标准》进行BIM设计，则需要更专业的软件实现更精细化的模型设计[10]。在欧特克软件平台上铁路路基BIM建模主要采用Civil3D软件及Revit软件实现。在Civil3D上实现路基本体结构造型，用Revit软件实现路基附属结构造型。将路基本体结构模型dwg格式转成Revit格式，实现路基专业的模型整合。

银西高铁BIM项目全专业均采用Revit软件进行结构建模，各专业模型坐标系按线路专业绝对或相对坐标系，进行空间定位控制，在同一协同平台上进行组装，并进行专业间协同设计[11]。

路基BIM模型可以按照施工需要进行分部创建，对于特殊的复杂的路基工点，可以使用欧特克平台Navisworks软件进行模型渲染和施工模拟，也可以导入InfraWorks或其他3DGIS系统进行拓展应用[12]。

铁路路基BIM设计的载体核心是路基模型，在模型完备的基础上附加必要的工程信息，通过协同设计平台进行信息传递及信息交换。信息模型完备后，以此为基础，添加站后设备等其他信息模型，进行运营维护管理应用[13]。

2 欧特克平台下铁路路基BIM设计方案

2.1 创建路基本体模型

路基本体模型的创建采用Civil3D软件，基本思路是在设计好线路平纵断面后，通过设计装配进行放样等生成路基本体模型。装配就相当于路基标准横断面。装配由部件连接而成，部件指的是一些固定尺寸路基附属结构断面，例如实体路肩、路肩电缆槽等(图1)，一些可以通过设定目标追踪的进行平面及高程变化的部件，例如多级边坡(图2)、加宽(图3)、超高等，这样就可以实现路基装配相对固定的部件以及随地形或设计要素相对变化的装配(图4)，适应路基横断面根据地形曲面变化的设计要求。

图1 路肩电缆槽部件

图2 挖方边坡部件

图3 路堑部件

图4 路基装配

通过对不同里程段落的路基赋予不同的装配，生成不同段落的路基本体结构。通过提取道路实体命令提取路基本体结构模型(图5)含基床表层、基床底层、基床以下及侧沟、电缆槽等。路基本体模型提取后，可以将地形曲面与路基模型本体边坡曲面含路基模型顶面或底面进行剪切、粘贴等操作，将路基本体模型曲面与地形曲面有机结合在一起。对于路堑，用路堑地面对地形曲面剪切后形成类似开挖后的地质模型体(图6)。

图5 路基本体模型

图6 剪切后地质模型

2.2 创建路基附属结构模型

路基附属结构模型的创建主要在Revit平台上进行创建，通过Revit平台族工具创建常规模型的族文件达到参数化建模，采用参数化模型驱动及重复利用的效果。铁路路基BIM设计的族类型常用的有两种，公制常规模型和公制轮廓模型。公制常规模型族一般应用于单体结构物，比如挡土墙、单桩、桩板结构、集水井、排水槽、骨架、桩板墙、扶壁墙、吊沟、蒸发池、防护栅栏等(图7)。公制轮廓模型族一般用于随线路进行放样的路基附属结构物，如水沟、路肩、镶边、护脚、平台截水沟、脚墙等。

图7 路基族库(部分)

族完成创建后可以纳入铁路路基专业族库进行统一管理。使用Revit族创建路基模型后可对模型进行信息添加，添加体积、材质、IFD代码、EBS信息等几何信息、非几何信息，对这些属性添加进行标准化管理，以更好地利用模型信息[14]。

令R1=R2=0.5，I0=1，在Matlab中画出干涉光强和腔长之间的关系曲线,见图4.图4中光强随着腔长周期性变化，且两者之间为多值关系，即一个光强对应多个腔长，这种状态下无法确定腔长.但根据式(2)可知光强随腔长变化的周期为λ/4.因而，将腔长的变化范围选择在半个周期之内时，光强-腔长曲线是单调的，可以保证干涉光强与腔长之间具有一一对应的值.

2.3 路基本体模型及附属结构模型的拼装

在Revit软件完成路基本体模型创建后，利用铁路路基专业族库中的路基附属结构如支挡结构、桩基、边坡防护、防护栅栏、路基排水设施等进行拼装，与路基本体模型有机结合，共同形成路基总装结构模型。

路基边坡防护设施中拱形骨架是最常用的一种边坡防护形式，并且形式变化较多，在边坡防护设计中，还要考虑侧沟、平台截水沟、镶边、护脚、脚墙、边坡平台、检查梯、踏步等。如果需要实现边坡防护措施的三维化设计而不仅仅是对边坡进行贴图的情况，人工进行这些边坡防护措施的系统化设计及拼装会耗费大量的时间。但是这些边坡防护措施布设又比较规则，要实现精确化的设计出图及数量计算，是可以实现边坡防护措施的自动化拼装的，所以在Revit平台上进行了二次开发，完成了路基边坡拱形骨架的自动化拼装，对路基边坡防护进行系统化布置(图8)。

同理，对于一般单桩或长短桩防护的地基处理，由于桩的设置规律性较强，通过参数化设置，同样通过二次开发进行系统化布置。

图8 路基拼装模型

2.4 路基排水设计应用

将路基本体模型曲面与地形曲面通过剪切合并等布尔运算后生成新的地形曲面，在该地形曲面进行汇水情况分析，结合地形直观地显示出汇水范围[15-16]。再根据其他水文资料，计算出降雨径流量并进行相应的水力计算，以确定过水断面形式及尺寸，确定路基排水结构模型几何尺寸。路基排水与其他排水设计模型(图9)进行对接，体现协同设计思路，相比传统CAD设计排水设计图，实用性更强，并能根据地形直观显示设计成果，用来指导施工。

图9 路基排水模型

3 铁路路基BIM设计应用的重难点分析

3.1 路基工程项目异形结构较多，BIM建模困难

铁路路基边坡防护、支挡结构、地基处理、排水用地系统、绿化防护系统、防护栅栏系统等结构物单元较多，与地形结合紧密且大多数不规则，设计细节表达要求较高，结构物布设及工程计算数据量非常大，需要更专业的软件。因为路基设计系统复杂，有可能需要不同的软件进行设计。软件之间数据流转也需要得到铁路IFC标准的支持，但目前难度比较大，主要因为国际IFC标准schema尚未纳入铁路工程构件类型及相应的属性集，信息无法传递，导致软件厂商对IFC支持难以满足目前的设计要求，不同软件进行模型信息交流与传递时无法传递非几何设计信息[17-18]。

目前BIM软件国产化程度较低，不能完全满足路基设计，完全在欧特克平台进行路基设计也受限较多，需要进行难度较大的二次开发，并且开发项目较多，周期较长，成果转化实际生产还需要较长的过程。

3.2 路基BIM设计与地质协同难度大

铁路路基工程是整个铁路项目的一部分，是同地形结合最为紧密的专业之一，路基工程既包含随地形反复变化的土石方，也包含随地形变化的支挡防护、复合地基和各种形式的附属结构物。复杂岩土地层对路基各构筑物的结构形式影响较大，这也导致在BIM设计中，路基与地质的协同关系最常见也最重要。

挖方路基开挖地层地质体，不但形成新的地层曲面，开挖部分岩土分层特性也需要提取出来进行工程数量计算，但在软件平台上，一旦对地质体进行剪切，地质体信息的继承较为困难，无法获取完整的信息。

路基本体设计、边坡防护设计及路基支挡结构设计都同地质参数有较大的关联，在设计过程中还存在互相影响的问题。例如路基支挡结构挡土墙设计，挡土墙的设计高度影响路基边坡高度，反过来路基边坡高度、坡率等以及边坡岩土地质特性又影响挡土墙高度等尺寸设置。目前铁路行业范围内，一般是独立做地质模型，模型难以与路基支挡结构进行互动，做参数化关联，对路基BIM参数化设计及地质模型的实时关联性带来新的挑战。

3.3 协同设计平台支撑不够

协同设计是BIM重要的理念之一，通过及早发现和解决冲突，从而避免在施工期间的变更设计、返工等问题，达到降低造价、缩短工期、提高工程质量的目的[19]。

路基结构模型创建过程中，为了使路基模型适应铁路项目的协同设计，除了附加IFC信息、IFD信息、EBS信息外，对于不同专业创建的模型，还需要通过IDM标准对模型信息进行交换传递[20]。

路基专业BIM模型几乎与所有铁路站前站后专业进行数据交换，模型的信息化应用不只是简单的传入传出，还要进行交互运算、专业协调，更需要协同设计平台及统一的行业标准，加大了路基模型协同应用的难度。目前尚缺少一个能够贯彻相关标准的综合管理协同平台，需要各个BIM应用单位自行搭建，难度较大。

3.4 平台软件对路基出图及计算工程数量支持不够

目前采用的BIM平台设计软件不能输出符合国内专业设计习惯和规范要求的设计成果图纸。在图纸成果自动输出、工程数量自动统计方面，需要与国内CAD设计软件进行对接或直接进行传统CAD设计，这样势必带来重复设计。如果基于模型直接进行绘图或工程数量统计需要进行大量的二次开发，这就所谓BIM落地的“最后一公里”。但是在研发的工作量上，绝对不是一般理解层面的“最后一公里”，投入的大量人力和时间成本往往对现状的改变有限，也是成为制约BIM应用价值的“瓶颈”和难点。

4 结论及展望

通过银西高铁BIM试点项目的应用实践，BIM设计在设计意图的表达上较为直观，尤其对于与地形结合变化较大的路基加固防护措施，可以实时根据地形进行调整，设计表达更为准确。在结构过渡上也能够直观地与桥隧等专业较好顺接。

试点项目研究了欧特克平台对路基BIM设计的适用性，也对BIM应用价值进行了一定的探索，对铁路路基BIM设计难点进行了分析，结论如下。

(1)本次工程实践，先后对欧特克平台下 InfraWorks、Civil3D、Revit、Navisworks等软件进行了使用。研究认为，欧特克平台软件基本能满足路基工程BIM设计要求，可以基本解决路基BIM设计建模问题，也能够有较好的应用价值体现，但还需要按路基工程的设计特点进行修改完善，以满足铁路行业BIM发展的需求。

(2)鉴于路基BIM设计的特点及难点以及目前BIM平台软件的功能概况，需要进行有针对性的二次研发，以使软件更符合路基设计的使用习惯。通过软件二次研发提高路基工程的建模质量及效率，同时添加完备的属性信息，再利用模型及信息，进行CAD出图及工程数量计算，这也是BIM设计在实际应用中的价值突破口。

(3)体现BIM概念的协同设计价值，需要研究并贯彻好中国铁路BIM联盟各项标准，更好地进行信息传递及交换，更好地进行专业内及专业间的协同设计。

BIM 作为未来铁路信息化建设的发展方向，已经在业内得到了广泛的认可和发展应用。BIM路基结构模型结合结构检算、设计模型转为施工模型施工应用，路基本体模型作为站后设备模型的承载体进行协同设计，还需要不断进行设计实践。虽然目前路基BIM设计应用场景与BIM概念有差距，但对路基BIM技术的发展宜持有积极的态度，不断探索在路基专业领域的应用，挖掘BIM技术的应用价值，是非常必要和具有现实意义的，达到最终应用BIM设计工具，系统化解决专业BIM设计的各项问题，达到BIM设计成果交付的目标，加快实现铁路工程设计的数字化及信息化。