王英杰 常 宇 周亞坤 康彥波

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

隨著京張、京雄高鐵開通運(yùn)營(yíng)，我國(guó)高速鐵路進(jìn)入了智能創(chuàng)新引領(lǐng)階段[1]。當(dāng)前建筑信息模型(Building Information Model，簡(jiǎn)稱BIM)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)相融合，構(gòu)建鐵路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全壽命可追溯閉環(huán)體系，由此可見，BIM技術(shù)已成為構(gòu)建智能高速鐵路體系框架的核心手段之一[2]。

鐵路建設(shè)項(xiàng)目涵蓋線路、軌道、路基、橋梁、隧道等多個(gè)專業(yè)，BIM技術(shù)憑借其信息多元、三維可視、易于協(xié)同等優(yōu)勢(shì)逐漸被應(yīng)用到鐵路設(shè)計(jì)、建造的多個(gè)方面。王同軍提出，應(yīng)建立以工程數(shù)據(jù)對(duì)象為核心，基于BIM技術(shù)的鐵路工程建設(shè)協(xié)同管理模式，并形成我國(guó)鐵路工程建設(shè)協(xié)同管理的理論基礎(chǔ)[3]。劉為群介紹BIM鐵路聯(lián)盟組織制定和發(fā)布的中國(guó)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，并將其應(yīng)用到多個(gè)線路、車站設(shè)計(jì)中[4]。靳猛依托銀西鐵路項(xiàng)目，利用Autodesk平臺(tái)開展了鐵路路基BIM設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討了該平臺(tái)在路基設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)問題[5]。王欣睿以京張高鐵清河站為例，將BIM技術(shù)的碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能應(yīng)用到了交通樞紐管線設(shè)計(jì)中[6]。張軒以Bentley平臺(tái)為技術(shù)支撐敘述了BIM技術(shù)在隧道建模中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證[7]。

鐵路線路設(shè)計(jì)是鐵路建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，貫穿從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的各個(gè)階段，是鐵路行業(yè)信息化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)。基于Autodesk Revit軟件開發(fā)了鐵路線路三維信息平臺(tái)，利用線路平面、縱斷面等資料生成線路中心線，進(jìn)而構(gòu)建線路三維空間模型，將各種構(gòu)筑物族按照線路設(shè)計(jì)里程進(jìn)行布設(shè)，完成線路三維信息平臺(tái)開發(fā)。所搭建的鐵路線路三維信息平臺(tái)可反映鐵路設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等全生命周期內(nèi)的各類工程信息，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)及覆蓋全生命周期的特性。

1 鐵路線路三維信息平臺(tái)開發(fā)

鐵路線路設(shè)計(jì)平、縱斷面是鐵路建造的基礎(chǔ)資料，其決定了各種構(gòu)筑物(如路基、橋梁、隧道等)的具體空間位置。目前鐵路線路設(shè)計(jì)成果大多采用二維成果，同時(shí)以郵件、會(huì)議等形式來完成與各專業(yè)的協(xié)同工作。從理論上講，單純采用二維圖紙來描述鐵路三維空間位置并不合理，無法實(shí)現(xiàn)所見即所得，同時(shí)還帶來各專業(yè)間信息溝通不暢[8]。BIM技術(shù)可應(yīng)用于線路空間信息、工程結(jié)構(gòu)實(shí)體、功能特征信息等的數(shù)字化表達(dá)，為勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等多部門提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)，進(jìn)而完成設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)維的可追溯閉環(huán)管理[9]。通過搭建鐵路線路三維信息平臺(tái)，既可提升線路設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，還可為建造及后期運(yùn)維等提供信息平臺(tái)。

1.1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

某鐵路線路三維信息平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，鐵路線路三維信息平臺(tái)主要包含三部分：線路中心線、三維可視化模型和三維信息平臺(tái)。首先，由線路平、縱斷面圖紙等資料確定線路中心線三維空間線形，將其作為平臺(tái)搭建立體空間模型的基礎(chǔ)。其次是三維可視化模型，通過構(gòu)建沿線路里程分布的不同構(gòu)筑物三維模型，包括軌道、路基、橋梁、隧道、站場(chǎng)、通信、信號(hào)、機(jī)輛及其他設(shè)備設(shè)施等，完成三維信息平臺(tái)可視化的要求，從而得到完整直觀的三維空間實(shí)體模型。在三維可視化模型的基礎(chǔ)上，賦予線路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段所需要的不同信息，包含幾何屬性、工程實(shí)體特征、工程管理信息、監(jiān)測(cè)維護(hù)數(shù)據(jù)等，最終生成鐵路線路三維信息平臺(tái)。

圖1 鐵路線路三維信息平臺(tái)組成

基于BIM技術(shù)的線路三維信息平臺(tái)覆蓋了鐵路設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的全生命周期，利用數(shù)字化、智能化、信息化技術(shù)可以在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各種鐵路構(gòu)筑物數(shù)據(jù)模型的過渡與銜接。在設(shè)計(jì)階段基于線路三維空間模型可實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而避免信息溝通不暢，有效提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。在施工階段，BIM技術(shù)包含豐富的施工信息，可應(yīng)用于工程量核算、施工進(jìn)度可視化、施工組織安排等，對(duì)保證工期、節(jié)約成本意義重大，也為數(shù)字化建造提供了基礎(chǔ)。運(yùn)維階段是BIM技術(shù)收益最大的階段，可用于設(shè)備管理、養(yǎng)護(hù)維修等。在線路三維信息平臺(tái)應(yīng)用中，要處理好設(shè)計(jì)、施工階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息向運(yùn)維階段的移交和運(yùn)用。

1.2 開發(fā)平臺(tái)選擇

當(dāng)前常用的BIM建模軟件主要有Autodesk、Bentley、Dassault等幾家公司的相關(guān)軟件，如圖2所示[10-13]。

圖2 常用BIM建模軟件

對(duì)于線路線形建模，常用的軟件有Autodesk公司的Civil3D及Bentley公司的PowerCivil，二者均具有面向鐵路、道路等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的特性，且對(duì)線形三維曲線、隧道帶狀模型支持能力強(qiáng)。與PowerCivil的輕量化處理能力相比，Civil3D在模型輕量化處理方面相對(duì)較差，且數(shù)據(jù)量過大會(huì)導(dǎo)致軟件運(yùn)行遲緩，這也使得PowerCivil更適用于線路較長(zhǎng)的鐵路工程。對(duì)于實(shí)體構(gòu)筑物建模而言，Dassault公司的CATIA雖在復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模方面優(yōu)勢(shì)顯著，但其操作復(fù)雜且價(jià)格昂貴，造成學(xué)習(xí)成本較高，不易推廣普及。與CATIA相比，Dassault公司的Solidworks和Autodesk公司的Revit操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在我國(guó)本土化應(yīng)用方面較好。在建模能力方面，Revit較Solidworks更為強(qiáng)大。另外，Revit具有參數(shù)化、族庫(kù)豐富、信息集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在參數(shù)化建模、多專業(yè)配合方面擁有事半功倍的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)鐵路線路特點(diǎn)及三維信息平臺(tái)開發(fā)要求，利用Bentley公司的PowerCivil完成三維空間線形模型，在此基礎(chǔ)上以Autodesk公司的Revit開發(fā)鐵路線路BIM信息平臺(tái)。

1.3 開發(fā)設(shè)計(jì)流程

鐵路線路三維信息平臺(tái)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 線路三維信息平臺(tái)開發(fā)流程

鐵路線路三維信息平臺(tái)開發(fā)流程如下。

①確定工程信息：獲取搭建平臺(tái)所需的工程基本信息，包括線路平面和縱斷面圖紙、各種構(gòu)筑物圖紙等設(shè)計(jì)資料。

②建立線路中心線三維線形：利用平面和縱斷面圖紙等資料在PowerCivil中繪制線路中心線三維線形，并將其導(dǎo)入到Revit模型中，用于后續(xù)建模。

③建立三維構(gòu)筑物族：利用構(gòu)筑物設(shè)計(jì)資料中的尺寸信息，在Revit中建立各類構(gòu)筑物的三維模型，通過自適應(yīng)族建立三維族庫(kù)，為后續(xù)模型搭建做準(zhǔn)備。

④沿三維線路中心線布設(shè)各類構(gòu)筑物：根據(jù)各類構(gòu)筑物沿線位置，利用Dynamo命令將三維構(gòu)筑物族沿線路里程布設(shè)，搭建完整的線路三維模型。

⑤建立線路三維信息平臺(tái)：利用Revit平臺(tái)各族的信息提取與更新功能，為鐵路工程項(xiàng)目提供覆蓋全生命周期的信息支持。

2 工程設(shè)計(jì)案例

2.1 工程概況

以某區(qū)間鐵路線路三維信息平臺(tái)為例來說明開發(fā)過程。所選線路區(qū)間里程為K0+000～K18+600，共計(jì)18.6 km，包括車站3座。該段線路所經(jīng)區(qū)域地勢(shì)起伏較大且水域豐富，涉及多條河流及一座水庫(kù)。為避開相關(guān)水域，平面設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了3處曲線。同時(shí)，結(jié)合地形特征縱斷面采用多種敷設(shè)方式，包含路基2段，共計(jì)4.7 km；橋梁5座，共計(jì)6.8 km；隧道2座，共計(jì)5.3 km。因此，在BIM建模中需要生成含平面曲線的三維中心線空間線形，并沿三維線形布置不同構(gòu)筑物族庫(kù)，這也是本項(xiàng)目信息平臺(tái)開發(fā)中的難點(diǎn)。

2.2 生成線路中心線

利用Bentley公司的PowerCivil，結(jié)合所建區(qū)間線路的平、縱斷面圖紙生成線路中心線三維線形。圖4為Bentley公司PowerCivil的操作界面，其具有強(qiáng)大的繪圖與線路設(shè)計(jì)功能，是一款針對(duì)交通線路專業(yè)的BIM軟件。

圖4 PowerCivil軟件操作界面

線路平面可以通過在參考工具中直接導(dǎo)入線路平面CAD文件或是運(yùn)用PowerCivil平面幾何工具進(jìn)行繪制，再將其添加到視圖中。線路縱斷面可以通過縱面幾何工具，依據(jù)樁號(hào)、高程、坡度、豎曲線等元素繪制縱斷面設(shè)計(jì)線形。圖5展示了利用PowerCivil創(chuàng)建的線路平、縱斷面線形，這為后續(xù)生成線路中心線三維線形提供了基礎(chǔ)。

圖5 PowerCivil創(chuàng)建的平、縱斷面線形

利用PowerCivil創(chuàng)建完線路平、縱斷面線形后，再利用廊道模型工具欄中的創(chuàng)建廊道工具將平、縱斷面線形結(jié)合起來生成廊道線形。而后將廊道線形通過PowerCivil導(dǎo)出為三維線形，即為線路中心線三維線形?？蓪⑵鋵?dǎo)出為dwg格式文件，利用Autodesk CAD打開該文件，即得到線路中心線三維線形，如圖6所示。

圖6 線路中心線三維線形

2.3 三維建模

首先在Revit中建立項(xiàng)目所需的族庫(kù)，通過將dwg格式的二維設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)入Revit中建立各種構(gòu)筑物的族，如路基族、橋梁族、隧道族等，將其作為線路上各構(gòu)筑物的三維模型基礎(chǔ)元件，如圖7所示。而后通過建立自適應(yīng)族將構(gòu)筑物元件布設(shè)在線路上，即在族內(nèi)插入自適應(yīng)點(diǎn)，使構(gòu)筑物族隨自適應(yīng)點(diǎn)自由移動(dòng)。當(dāng)自適應(yīng)點(diǎn)移動(dòng)到分割好的線路路徑上時(shí)，便自動(dòng)捕捉路徑上的控制點(diǎn)，進(jìn)而將構(gòu)筑物族放置到線路上進(jìn)行拼接，得到完整的構(gòu)筑物模型。

圖7 不同構(gòu)筑物構(gòu)件族

以曲線段隧道構(gòu)筑物的創(chuàng)建為例進(jìn)行說明。采用Revit自帶的開源可視化編程平臺(tái)Dynamo將構(gòu)建好的隧道族布設(shè)在線路上[14]。通過在Dynamo工作空間內(nèi)創(chuàng)建一系列節(jié)點(diǎn)指令，利用其參數(shù)化建模優(yōu)勢(shì)來完成隧道族部件的布設(shè)工作，如圖8(a)所示。首先在Revit中選擇線路中心線三維模型，獲取隧道區(qū)段對(duì)應(yīng)的曲線，再以等距離長(zhǎng)度在曲線上劃出一定數(shù)量的點(diǎn)，利用新劃分的點(diǎn)將曲線分割成一系列新的短曲線。通過獲取短曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，將其坐標(biāo)列于坐標(biāo)列表中，再根據(jù)每段曲線的坐標(biāo)點(diǎn)放置隧道族，便得到隧道構(gòu)筑物模型，如圖8(b)所示。需要注意的是，由于曲線地段存在超高，導(dǎo)致線路中心線和隧道中心線存在一定偏差，在布設(shè)隧道族時(shí)同樣需要考慮超高的影響。

圖8 通過Dynamo建立曲線隧道

同樣，將路基、橋梁等各類構(gòu)筑物在Revit中沿線路中心線三維線形進(jìn)行布設(shè)，可得到完整的線路三維信息平臺(tái)，如圖9所示。

圖9 線路三維信息平臺(tái)

2.4 平臺(tái)功能演示

鐵路線路三維信息平臺(tái)具有覆蓋項(xiàng)目全生命周期信息的功能。利用Revit平臺(tái)中視圖選項(xiàng)下的明細(xì)表工具，既可以提取項(xiàng)目所有構(gòu)件的清單列表，還能對(duì)所需信息進(jìn)行修改和統(tǒng)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段(即三維信息模型建立初期)可通過屬性編輯器定義各構(gòu)件的初始屬性及信息。在完成全部線路三維模型后，通過選擇統(tǒng)計(jì)對(duì)象并創(chuàng)建明細(xì)表，可以生成同一種構(gòu)件的完整統(tǒng)計(jì)明細(xì)[15]。圖10為Revit平臺(tái)建立構(gòu)筑物明細(xì)表的過程。

圖10 在Revit中建立明細(xì)表

從初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)階段，由于設(shè)計(jì)條件發(fā)生變化，可能導(dǎo)致構(gòu)筑物信息更改，如調(diào)整橋跨設(shè)置等，這些變化都可以在三維信息平臺(tái)中完成，如圖11所示。同樣，在后續(xù)的施工、運(yùn)維階段，可建立構(gòu)件基本信息動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，一旦構(gòu)件信息發(fā)生變化，便可在三維信息平臺(tái)中自動(dòng)更改，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物全生命周期信息跟蹤的動(dòng)態(tài)管理。

3 結(jié)論與展望

智能高鐵是我國(guó)高速鐵路發(fā)展的趨勢(shì)，符合交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略。BIM技術(shù)融合智能化、信息化等手段，可實(shí)現(xiàn)鐵路項(xiàng)目的全生命周期管理，有效支撐我國(guó)智能高鐵建設(shè)。在利用PowerCivil得到線路中心線三維

圖11 不同階段項(xiàng)目信息更新

線形的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Autodesk Revit建立了鐵路線路三維信息平臺(tái)，對(duì)線路構(gòu)筑物三維建模、工程信息提取等提供了一種可行的解決方案，為鐵路項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段實(shí)現(xiàn)信息化管理搭建可操作的平臺(tái)基礎(chǔ)，具有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值。同時(shí)，在三維信息平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過對(duì)各構(gòu)筑物族庫(kù)及其信息進(jìn)行二次開發(fā)，可進(jìn)一步豐富平臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)調(diào)互通，有效提升管理水平和工作效率。