鐵路BIM技術(shù)工程設(shè)計(jì)論文

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1概述

建筑信息模型(BuildingInformationModeling，BIM)，是指利用數(shù)字技術(shù)表達(dá)建筑項(xiàng)目(現(xiàn)在泛指工程項(xiàng)目)的幾何、物理和功能信息，以及支持項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)及管理全生命周期的技術(shù)、方法或過程。BIM具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。它使得工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行;不但能模擬設(shè)計(jì)出真實(shí)場(chǎng)景的建筑物模型，還可以模擬不能在真實(shí)世界中進(jìn)行操作的事物。單體建筑的BIM技術(shù)及其應(yīng)用已趨于成熟，但鐵路工程bim技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用整體上尚處于起步和探索階段，沒有成熟的軟件可以使用，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。目前業(yè)主的需求越來越迫切和廣泛，有關(guān)部門已開始大力推進(jìn)BIM技術(shù)在我國(guó)鐵路工程的開發(fā)與應(yīng)用。今后工程設(shè)計(jì)單位除了提交設(shè)計(jì)圖紙外，還需要“傳模型”，沒有用BIM設(shè)計(jì)能力的單位將失去競(jìng)爭(zhēng)力，鐵路工程設(shè)計(jì)BIM技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已迫在眉睫。BIM時(shí)代已經(jīng)來臨，這是設(shè)計(jì)手段上的一次革命。首先，是在設(shè)計(jì)觀念和習(xí)慣要改變。過去設(shè)計(jì)人員只能用繪圖這種二維的手段來反映現(xiàn)實(shí)的三維工程項(xiàng)目。隨著BIM技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，今后設(shè)計(jì)人員將逐步過渡到直接用虛擬的三維模型來反映現(xiàn)實(shí)的三維工程項(xiàng)目，用數(shù)據(jù)庫(kù)來代替繪圖。通過建立基于BIM技術(shù)帶狀的鐵路工程真實(shí)場(chǎng)景模型協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)在同一個(gè)全線真實(shí)三維場(chǎng)景模型下的協(xié)同設(shè)計(jì)，使工程技術(shù)人員對(duì)各種工程信息作出正確的理解和高效的應(yīng)對(duì)，從而提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期。根據(jù)目前鐵路工程BIM技術(shù)火熱的發(fā)展勢(shì)頭，在未來三五年內(nèi)該技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用將會(huì)有一個(gè)跨越式發(fā)展。

2鐵路工程設(shè)計(jì)BIM技術(shù)的差異化

鐵路工程項(xiàng)目是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣、投資規(guī)模大、技術(shù)性強(qiáng)、專業(yè)分工細(xì)、參加單位多、流程復(fù)雜等特點(diǎn)，有的工程還涉及運(yùn)營(yíng)中的即有線改造。一條鐵路工程項(xiàng)目的建設(shè)，從勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工到交付運(yùn)營(yíng)將構(gòu)成一個(gè)龐大的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)既有嚴(yán)格的分工，又有密切的協(xié)作，同時(shí)又相互制約。鐵路工程與一般工民建筑的BIM技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的差異化，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2．1工程呈帶狀分布，沿途地理環(huán)境復(fù)雜

全線工程的作業(yè)面呈帶狀分布，每個(gè)建設(shè)項(xiàng)目長(zhǎng)度延綿從幾十公里到上千公里，沿途穿山、越嶺、跨河，工程地質(zhì)、地形和環(huán)境復(fù)雜多變;而一般的工民建筑只是相對(duì)集中布置在一個(gè)區(qū)域，大部分工點(diǎn)是建在已經(jīng)完成“三通一平”的簡(jiǎn)單地形上，地質(zhì)和周圍環(huán)境相對(duì)單純。

2．2工程數(shù)量巨大，數(shù)據(jù)海量

通常一條鐵路的建設(shè)投資都在幾億元以上，有的多達(dá)千億以上。項(xiàng)目常常被劃分成數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)標(biāo)段，工點(diǎn)數(shù)量更是巨大。無論是工程建筑信息還是工程地理信息數(shù)據(jù)都是海量的，這樣的海量數(shù)據(jù)將需要一個(gè)有效的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)管理模式來管理。

2．3參加專業(yè)眾多，需要協(xié)同設(shè)計(jì)

在一個(gè)鐵路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中通常需要有眾多的專業(yè)協(xié)同工作，如:經(jīng)調(diào)、行車、測(cè)繪、地質(zhì)、線路、路基、軌道、橋梁、隧道、站場(chǎng)、機(jī)務(wù)、車輛、給排水、通信、信號(hào)、信息、電力、電化、房屋、暖通、環(huán)保、工程經(jīng)濟(jì)等專業(yè)。隨著技術(shù)進(jìn)步和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，這些專業(yè)不但技術(shù)上要求高，而且需要多專業(yè)間的密切配合協(xié)同設(shè)計(jì)，平行交叉作業(yè)繁多。

2．4工程屬性差異大，不易開發(fā)通用軟件

由于各專業(yè)工程內(nèi)容的屬性不同，其設(shè)計(jì)的表達(dá)方式也有所不同。如:土建工程中設(shè)計(jì)的表達(dá)方式主要是幾何結(jié)構(gòu)、受力分析、強(qiáng)度計(jì)算;四電工程中除了視覺層面的外，在設(shè)計(jì)上更多的表達(dá)方式是邏輯關(guān)系、負(fù)荷計(jì)算、信息規(guī)則;而對(duì)于軌道、路基、隧道、接觸網(wǎng)等工程為沿線路走向連續(xù)延伸。因此，采用或開發(fā)一個(gè)通用的軟件來解決這些個(gè)性化的需求在現(xiàn)階段是不可能的。

2．5專業(yè)間存在“信息孤島”，現(xiàn)用軟件大部分沒有BIM接口

在鐵路勘察設(shè)計(jì)企業(yè)的信息化建設(shè)過程中，一開始各專業(yè)都是本從本專業(yè)的需求出發(fā)，對(duì)勘察設(shè)計(jì)的軟件和設(shè)備進(jìn)行引進(jìn)、開發(fā)或升級(jí)換代，在此過程中逐步形成了本專業(yè)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式。這些專業(yè)數(shù)據(jù)雖然能滿足本專業(yè)鐵路勘察設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)需求，但是下游專業(yè)開展設(shè)計(jì)時(shí)常常需要先經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換或重新錄入，才能使用上游專業(yè)提供的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)跨專業(yè)使用的效率較為低下。隨著信息化建設(shè)的深入，各設(shè)計(jì)專業(yè)也在逐步完善自己的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)，但沒有從一個(gè)全局性的高度來規(guī)劃和協(xié)調(diào)，使得各專業(yè)信息化的程度越深，專業(yè)間“信息孤島”的現(xiàn)象越嚴(yán)重。另外，由于鐵路工程BIM技術(shù)的應(yīng)用起步比較晚，各專業(yè)正在使用的輔助設(shè)計(jì)軟件在開發(fā)時(shí)大部分沒有考慮與BIM軟件的接口問題。

2．6部分專業(yè)和設(shè)計(jì)不宜采用BIM的表達(dá)方式

雖然BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)同性、模擬性等特點(diǎn)，但不是所有的設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)思想和解決問題的方式都可以用BIM的方式來表達(dá)，如:方案研究階段、預(yù)可研階段，以及經(jīng)調(diào)、行車的分析計(jì)算等，BIM并不是最佳的表達(dá)方式。

3解決方案

帶狀大范圍工程設(shè)計(jì)三維真實(shí)感場(chǎng)景技術(shù)的研究成功，開辟了一個(gè)全新的鐵路工程設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM技術(shù)途徑。從真實(shí)場(chǎng)景模型上不但能量測(cè)對(duì)象的三維位置信息，而且還能反映對(duì)象的屬性信息，如房屋的層高和新舊、地表植被類型、裸露地土壤類型等。對(duì)于地質(zhì)專業(yè)的不良地質(zhì)、滑坡、斷層等信息，從航空的角度更容易判釋。真實(shí)感場(chǎng)景不但為設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)信息來源，同時(shí)也提供了一個(gè)空間平臺(tái)，使得地理、地質(zhì)、水文、城市規(guī)劃、線路設(shè)計(jì)走向等各方面的空間數(shù)據(jù)，可以在統(tǒng)一的地理空間上同時(shí)表現(xiàn)出來。線路、地質(zhì)、路基、橋梁、隧道、站場(chǎng)等多個(gè)專業(yè)都可以在這個(gè)空間里進(jìn)行信息獲取、信息挖掘、輔助設(shè)計(jì)、方案對(duì)比等工作。同時(shí)，各專業(yè)在設(shè)計(jì)過程中生成的BIM模型作為一種三維信息模型，也可以在真實(shí)場(chǎng)景模型中呈現(xiàn)。使用航空遙感影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)生成與現(xiàn)場(chǎng)一致的的三維真實(shí)場(chǎng)景模型，將各專業(yè)的分析與計(jì)算、圖形與信息交互、設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)等數(shù)據(jù)，按照里程坐標(biāo)集成在一個(gè)帶狀連續(xù)的真實(shí)場(chǎng)景中，在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式下，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)在真實(shí)三維場(chǎng)景模型下的協(xié)同設(shè)計(jì)，既建立一個(gè)各專業(yè)在三維真實(shí)場(chǎng)景下同時(shí)開展設(shè)計(jì)工作的大平臺(tái)，如圖1所示，具體解決方案如下。

3．1平臺(tái)組成及分工

大平臺(tái)由若干個(gè)專業(yè)BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)和一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)組成。由于各專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和流程十分復(fù)雜，每個(gè)專業(yè)需要建立自己相對(duì)獨(dú)立的專業(yè)BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)，主要解決本專業(yè)作業(yè)中的分析與計(jì)算、模擬與仿真、族庫(kù)的建立與調(diào)用、中間成果及最終成果的生成、設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)等縱向問題，針對(duì)每一項(xiàng)專業(yè)性強(qiáng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容還需要建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)子系統(tǒng);同時(shí)還要考慮施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等工程全生命周期BIM的條件。在真實(shí)場(chǎng)景協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上主要擺放各專業(yè)上下游互提資料及設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)等數(shù)據(jù)，主要是解決數(shù)據(jù)共享、設(shè)計(jì)協(xié)同及視覺上設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)等橫向問題。各專業(yè)的數(shù)據(jù)在本專業(yè)BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)上“重量化”，在真實(shí)場(chǎng)景協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上“輕量化”。

3．2各專業(yè)BIM模型在平臺(tái)上的呈現(xiàn)方法

鐵路全線工程設(shè)計(jì)是以線路里程為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)模式。建立BIM單體模型坐標(biāo)與里程坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，將各專業(yè)的BIM模型以里程坐標(biāo)在真實(shí)場(chǎng)景協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)這個(gè)統(tǒng)一的地理空間中進(jìn)行套合，解決單體BIM模型孤立存在的問題。采用地形重構(gòu)技術(shù)，對(duì)各專業(yè)要放置的三維模型與地形進(jìn)行融合處理，保證模型按照給定的設(shè)計(jì)高程、地理坐標(biāo)及其他規(guī)則放置后表面與結(jié)合處地表一致，實(shí)現(xiàn)地形與三維模型之間的無縫套合。同時(shí)，制定各專業(yè)放置在三維真實(shí)場(chǎng)景平臺(tái)上模型的比例尺、坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)及模型族庫(kù)建立規(guī)則，確保提交的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確融入系統(tǒng)和BIM的模型與模型之間無縫貼合。

3．3數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式

針對(duì)鐵路工程數(shù)據(jù)量大及專業(yè)相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)庫(kù)由全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和若干個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)項(xiàng)目、方案、坐標(biāo)系、專業(yè)、設(shè)計(jì)人員、規(guī)則等具有全局性的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)索引統(tǒng)領(lǐng)各專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成聯(lián)系。各專業(yè)建立自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)本專業(yè)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)索引信息注冊(cè)到全局信息庫(kù)。各專業(yè)的數(shù)據(jù)按照接口標(biāo)準(zhǔn)放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以完成數(shù)據(jù)，專業(yè)間通過接口標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)限來獲取各自所需的信息。

3．4現(xiàn)用專業(yè)軟件上傳數(shù)據(jù)庫(kù)的途徑

對(duì)于各專業(yè)目前使用的獨(dú)立軟件，無法直接連接到數(shù)據(jù)庫(kù)上，可按下列三種途徑來解決，如圖2所示。途徑一:通過編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序和本地?cái)?shù)據(jù)管理程序，完成專業(yè)軟件與協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的連接。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏鲗I(yè)的專業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)緩沖位置;本地?cái)?shù)據(jù)管理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)本地緩沖數(shù)據(jù)的。途徑二:修改現(xiàn)有軟件，增加標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出接口，通過數(shù)據(jù)管理程序數(shù)據(jù)。途徑三:重新編寫專業(yè)軟件，軟件直接以標(biāo)準(zhǔn)接口輸出數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)管理程序負(fù)責(zé)。甚至可以將程序直接寫入專業(yè)軟件，直接由專業(yè)軟件。如果現(xiàn)用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件能進(jìn)行二次開發(fā)，則通過途徑二進(jìn)行軟件改造，增加新的接口是最理想的方式;否則就應(yīng)選擇途徑一編制新的轉(zhuǎn)換程序，將數(shù)據(jù)按接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換;而途徑三由于要對(duì)既有軟件進(jìn)行更新?lián)Q代，代價(jià)太大，不宜采用。

3．5中間互通軟件和接口的選定

由于各專業(yè)的工程內(nèi)容屬性不同，其設(shè)計(jì)的表達(dá)方式也就有所不同，適合采用的BIM軟件也就不一致。在專業(yè)互提資料中，每個(gè)專業(yè)的上下游專業(yè)通常也有好幾個(gè)，如果沒有一個(gè)通用的中間互通接口和標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致接口過于復(fù)雜和接口設(shè)計(jì)困難。鑒于鐵路工程設(shè)計(jì)中一直采用的是AutoCAD系統(tǒng)，各專業(yè)在該平臺(tái)上開發(fā)和積累了大量的應(yīng)用軟件，設(shè)計(jì)人員對(duì)該系統(tǒng)也很熟悉;因此，為了使數(shù)據(jù)接口盡可能的減少和簡(jiǎn)化，各專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和屬性采用個(gè)性化的BIM軟件，但在進(jìn)入三維真實(shí)場(chǎng)景平臺(tái)互提資料和設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)時(shí)規(guī)定統(tǒng)一采用AutodeskRevit格式。這樣，不論各專業(yè)采用哪種BIM軟件，只需開發(fā)該軟件與Revit的接口即可。同時(shí)開發(fā)Revit格式的三維模型數(shù)據(jù)與三維GIS模型數(shù)據(jù)的交換軟件和制訂數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，使Revit格式的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后能夠完整保留其原來的各項(xiàng)屬性，實(shí)現(xiàn)在三維真實(shí)場(chǎng)景平臺(tái)上對(duì)各專業(yè)的三維模型屬性進(jìn)行查詢、調(diào)用、編輯、增加、刪除等操作。

3．6平臺(tái)初期拉通的原則

鑒于鐵路工程BIM技術(shù)才處于起步階段，要求開發(fā)人員不但要有軟件開發(fā)技能，還要熟悉設(shè)計(jì)流程，同時(shí)還需要有專業(yè)人員的配合;而剛開始對(duì)有些知識(shí)的認(rèn)識(shí)是模糊和不完整的，通常是在開發(fā)過程中逐漸了解和掌握，并加深理解的;有的是隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，被細(xì)化或變更。因此，在現(xiàn)階段各專業(yè)僅適合在視覺和幾何形狀層面上進(jìn)行初步拉通。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)和認(rèn)識(shí)不斷深入，專業(yè)間的不斷磨合，以及規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)的逐步制訂和完善，再加載物理屬性信息和分析計(jì)算功能，即實(shí)現(xiàn)各專業(yè)這個(gè)階段在真實(shí)場(chǎng)景協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上統(tǒng)一擺放的是Revit格式的三維模型。

4結(jié)論

帶狀大范圍工程設(shè)計(jì)三維真實(shí)感場(chǎng)景技術(shù)的研究成功，開辟了一個(gè)全新的鐵路工程設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM技術(shù)途徑。使用航空遙感影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)生成與現(xiàn)場(chǎng)一致的三維真實(shí)場(chǎng)景模型;將各專業(yè)的工程三維模型按照里程坐標(biāo)集成在一個(gè)帶狀連續(xù)的三維真實(shí)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)鐵路工程BIM方式下的協(xié)同設(shè)計(jì)。本文提出的鐵路工程設(shè)計(jì)BIM技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的解決方案，對(duì)鐵道工程設(shè)計(jì)單位開展BIM工作具有一定的借鑒意義。

作者：劉鵬工作單位：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司