卞友艷

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

BIM作為一種全新的技術，受到國內外學者和業(yè)界的廣泛重視。住建部和各地方政府也不斷出臺相關政策推進BIM技術在工程建設全生命周期中的應用。中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告連續(xù)多年均以BIM為核心主題，這些都體現(xiàn)了BIM技術的應用將成為新經(jīng)濟時代設計企業(yè)發(fā)展的核心競爭力。近年來，我國鐵路建設取得了突飛猛進的發(fā)展，對新技術、新產(chǎn)品的研發(fā)與應用也層出不窮，雖然BIM技術在鐵路行業(yè)應用較建筑、水電等行業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速[1-15]。2013年12月，“中國鐵路BIM聯(lián)盟”正式成立，隨后相繼頒布鐵路行業(yè)BIM應用相關標準[16-18]。然而，鐵路工程因具有場地廣大、專業(yè)眾多、施工組織復雜、運營維護不便等特點，目前市場上現(xiàn)有的BIM設計軟件模型底層編碼及數(shù)據(jù)存儲格式都是按照建筑物的相關規(guī)范進行編寫的，均不能滿足中國鐵路行業(yè)的規(guī)范要求。尤其車站綜合路基工程，涉及專業(yè)多，相關BIM設計軟件不夠成熟，BIM技術應用研究較少[19-20]。本文基于滬通鐵路，通過選取Bentley平臺，并結合少量二次開發(fā)，探索了鐵路工程中路基BIM技術應用路線，為BIM正向設計的發(fā)展提供參考。

1 項目概況

滬通鐵路位于長江三角洲地區(qū)，是中國鐵路總公司16個BIM推廣應用項目之一。為研究BIM技術在鐵路綜合路基中的應用，選取太倉港站開展BIM設計。太倉港站位于太倉市與常熟市交界處，地形平坦，全長2 600 m，站前工程包含測繪、線路、站場、路基、橋梁、軌道等多個專業(yè)。該車站為軟土路堤，主要設計內容包括路堤基床結構、地基加固、邊坡防護、排水系統(tǒng)以及框架橋涵。

2 BIM設計方案

現(xiàn)有BIM設計主流軟件平臺主要有Autodesk、Bentley和Dassault，三者均有各自的BIM軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)交換接口。Autodesk在建筑行業(yè)應用最成熟，Bentley在水電行業(yè)應用較多，Dassault在建立精細化設計方面有獨特之處。然而，目前沒有任何一款軟件能夠解決所有BIM問題。滬通鐵路太倉港站綜合路基涉及專業(yè)多，Bentley的協(xié)同管理平臺ProjectWise可與Bentley設計軟件無縫集成，從而實現(xiàn)項目多專業(yè)的協(xié)同設計管理。Bentley面向道路、鐵路、橋隧、場地、地下管網(wǎng)等基礎設施開發(fā)的專業(yè)軟件PowerCivil(以下簡稱PC)基本可以滿足鐵路站前相關專業(yè)的BIM設計[21-22]。

本文基于PC進行綜合路基BIM設計的工作是在傳統(tǒng)設計“平-縱-橫”的工作流程基礎上，根據(jù)BIM設計要點，以協(xié)同工作的理念，按照“設計準備—平面設計—縱斷面設計—橫斷面模板設計—創(chuàng)建廊道—附屬設施設計”的工作流程開展工作，其設計流程如圖1所示。

圖1 基于PC的綜合路基BIM設計流程

3 項目應用研究

3.1 搭建協(xié)同管理平臺

為規(guī)范ProjectWise協(xié)同管理環(huán)境，結合工程項目分解要求，依據(jù)《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》(IFD)等相關標準制定“滬通鐵路BIM項目標準框架”，明確ProjectWise中目錄框架、文件及文件夾命名標準、角色、權限、流程、通知等規(guī)則，完成基于Bentley的ProjectWise協(xié)同設計平臺的搭建，如圖2所示。

圖2 ProjectWise協(xié)同設計平臺的搭建

3.2 設計準備

3.2.1 創(chuàng)建數(shù)字地模

地形信息是項目最重要的設計資料之一，為生成地面線、邊坡放置以及工程量分析等工作的必須資料，設計準備需要對地形數(shù)據(jù)進行相關的處理，完成數(shù)字地模的創(chuàng)建和導入。將DWG地形文件參考至PC中，通過“最大三角形長度”法構建地形三角網(wǎng)，如圖3所示，形成三維地面模型。

圖3 地形三角網(wǎng)

3.2.2 線路平縱設計

線路平縱設計是路基設計的關鍵環(huán)節(jié)，線路方案從根本上決定了道路總體設計的水平。在PC中按照“交點法”繪制平面線位；點選平面線位，打開其縱斷面視圖，采用先插入坡度線再插入豎曲線的方式進行縱斷面設計，如圖4所示。

圖4 三維線位模型

3.3 站場路基設計

3.3.1 創(chuàng)建橫斷面模板

導入線路平縱和三維地面模型后，采用PC軟件廊道功能創(chuàng)建站場橫斷面。先利用橫斷面模板功能將路基面、基床、邊坡、平臺、腳墻以及排水溝等構筑物建成通用性的構件子模板，再通過“點特征”設置通用子模板之間的約束關系，使其實現(xiàn)聯(lián)動，從而合成路基橫斷面模板。如圖5所示。

3.3.2 廊道設計

橫斷面模板創(chuàng)建以后，激活地形模型，結合鐵路帶狀構造的特點，以“沿路徑拉伸創(chuàng)建實體”為原理，利用PC廊道功能，將橫斷面模板沿站場中心線對應到相應的里程范圍，從而創(chuàng)建三維站場路基模型，如圖6(a)所示。

圖5 創(chuàng)建橫斷面模板

對于復雜斷面，分別創(chuàng)建對應廊道，然后在匯合處進行模型剪切，再用共同的路基橫斷面模板構建融合以后的廊道，如圖6(b)所示，曲線股道對應的路基，外邊緣沿著曲線建模，解決了模型“以直代曲”造成的鋸齒問題。

圖6 路基模型

對于不同橫斷面模板之間的過渡，利用漸變法創(chuàng)建廊道。將前后橫斷面模板中，對應的漸變點，設置參數(shù)約束，從起始斷面到終止斷面，該參數(shù)由a值逐漸線性過渡到b值，實現(xiàn)復雜斷面之間的漸變過程，如圖7所示。

3.3.3 創(chuàng)建地基處理樁

地基處理樁為離散型布置，無法通過PC廊道功能直接實現(xiàn)。太倉港站為軟土路基，整個車站范圍都有地基處理樁，為提高建模效率，基于PC開發(fā)插件，實現(xiàn)參數(shù)化快速建模?；诼坊鹊滥Ｐ吞崛〉鼗幚順兜脑O計邊界，再利用開發(fā)插件，通過指定路線、起訖里程、設計范圍及樁的設計參數(shù)創(chuàng)建地基處理樁模型，如圖8所示。

3.3.4 邊坡加固防護

路基邊坡防護模型先通過橫斷面模板功能創(chuàng)建邊坡構件，然后與路基模板組裝起來，通過廊道建模一起生成。骨架護坡等坡面防護通過建立面模型，利用Bentley材質貼圖功能進行渲染，鑲邊與腳墻則建立網(wǎng)格的體模型，如圖9所示。

圖7 多路基橫斷面模板圖8 地基處理樁模型圖9 邊坡防護模型

3.4 橋涵設計

滬通鐵路太倉港站含有6座框架橋和6座框架涵，為實現(xiàn)參數(shù)化建模，基于PC開發(fā)框架橋涵設計插件，支持1孔～3孔框架橋涵參數(shù)化設計，可以實現(xiàn)直交及斜交設計，如圖10所示，將設計效率提高了20倍以上。

圖10 框架橋涵模型

3.5 模型整合

利用PC的參考功能，將各專業(yè)的模型成果鏈接到總裝模型中。首先對總模型進行碰撞檢測，以供進行效果演示及其他深化應用。如圖11～圖13所示。

圖11 總裝模型參考各專業(yè)模型

圖12 模型碰撞檢測

圖13 總裝模型全景

4 結語

本文探索了基于Bentley平臺進行站場路基BIM綜合設計的解決方案，通過多專業(yè)應用實踐，主要結論如下。

(1)基于Bentley的ProjectWise協(xié)同管理平臺，可以實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設計，方便專業(yè)間的設計交互。

(2)Bentley的設計軟件PowerCivil，基本可以滿足鐵路工程三維地模創(chuàng)建、線路平縱設計、站場簡單路基的設計，對于不同斷面之間的過渡，實現(xiàn)起來難度較大，相關功能還有待改進。

(3)PowerCivil無法直接進行地基加固樁及框架橋涵等離散型構建的高效設計，通過二次開發(fā)可實現(xiàn)參數(shù)化建模，解決了重復性工作多、工作量大的難題，有效提高了設計效率，初步實現(xiàn)了基于Bentley的正向設計。