基于BIM的三维铁路路基建模应用研究

刘厚强，易旭鹏，朱 聪

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

基于BIM的三维铁路路基建模应用研究

刘厚强，易旭鹏，朱 聪

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

为推进铁路工程建设信息化发展，铁路设计行业大力推进BIM技术研究。通过对现阶段铁路站前专业BIM技术应用实例和路基二维辅助设计方法的广泛调研，提出一种基于运用自主研发的三维铁路路基辅助设计软件的建模方法，结合川藏线拉林段路基区间，完成建模流程和设计成果的展示。实践表明，三维设计有助于设计人员更为全面直观了解实际工程结构，新增可视化效果，提高设计精确性，为铁路路基设计行业带来新的设计理念和运用基础。

BIM；铁路路基；三维模型；辅助设计

铁路设计作为铁路建设的基础性和前提性工作，在很大程度上决定了铁路建设的成果质量，其影响贯穿铁路的规划、设计、施工和运营的生命全周期，也是促进铁路行业信息化、可持续发展与资源及环境友好的重要因素。目前，参与铁路设计的各专业都有专业性较强的设计辅助软件，但在设计过程中以及最终的设计结果都采用的是传统的二维图形的形式，这种方式虽然在一定程度上提高了设计效率，但用二维的手段来表达庞大复杂的空间三维铁路实体本身并不符合人类的认知和思维习惯，软件只是起到辅助设计的作用，对于复杂空间设计，无法达到“可见即所得”的可视化效果，工程师在进行设计时不能发挥最大的创造性。设计方在招投标过程中，不能给业主和地方政府提供直观的设计成果展示，在与业主、施工方的技术交底时，二维图形式可能出现设计意图表达不明确的现象，甚至有的附属工程设计只有文字说明，施工方不能准确理解，这将直接影响到工程建设的进度和质量，导致合理的设计意图得不到实现，并造成人力物力财力的浪费[1-2]。基于提高铁路设计文件可视化、信息化的迫切需求，行业内逐步开展“建筑信息模型”(Building Information Model)技术的探索和实践研究，势必有助于推动铁路行业建设的快速发展。

1 BIM在铁路土建专业的应用

1.1 BIM和相关软件(图1)

建筑信息模型是以三维数字技术为基础，集成建筑工程各种相关数据，以立体、联动、写实的模型，把工程项目全生命周期的动态可视化管理、信息共享和决策支持从理想变为现实[3-8]。对设计人员而言，首当其冲的就是完成对项目实体的三维模型建立，目前市场上所运用到的BIM核心建模软件主要有Autodesk、Bentley、Nemetschek、Dassault等公司的相关产品。

1.2 铁路土建专业应用

2013年12月，中国铁路BIM联盟在北京正式成立，相继开展了隧道、桥梁、路基、站房等土建专业的BIM应用和标准规范的研究工作[9-10](表1)。

图1 BIM核心建模软件

表1 铁路土建专业BIM应用情况

2 铁路路基三维设计

2.1 路基二维辅助设计

现阶段路基专业设计人员常用的二维路基辅助设计软件适用于铁路路基工程的设计以及工程数量计算，作扩展后也可用于公路路基设计[11-12]。功能如表2所示。

表2 路基二维辅助设计软件应用操作

2.2 路基三维辅助设计(图2)

路基专业开展三维设计需要考虑如下问题。

(1)专业设计人员目前使用的二维辅助设计软件多数时间的操作作用于横断面窗口下，使用方法和界面已被广泛熟知，三维设计推广时应考虑设计人员的上手难易程度和适用性。

(2)路基三维模型是贯穿路基项目的全生命周期模型，对模型的需求是形式多变的、内容丰富的，时间跨度很大，因此，应立足于模型平台的自主开发。

(3)BIM技术在铁路设计的应用目前尚处于起步阶段，应充分利用手中的优势资源，便于拓展和进一步研发。

基于以上需求，在路基辅助设计系统基础上，研发了三维版本，以OpenGL开发包为基础，完成路基本体及相关支挡附属结构物的模型开发，实现了路基部件的参数化三维模型定制功能。

(1)以现有的路基辅助设计软件为基础，能实现当下铁路路基二维设计的需求。

(2)新增空间主窗口，能呈现地面信息和路基本体及支挡附属结构三维实体，并可实现空间视角变换，局部放大缩小，线路漫游功能，提供更为真实的设计体验。

(3)主窗口下显示横断面设计信息，根据前后断面交互绘制路基三维实体，可对各结构物参数进行修改，提高适用性。并可通过已形成的三维路基结构，生成二维断面图和正面图。

(4)根据三维路基常用实体，生成工程数量表，较之二维设计工程量生成更为精确，并且便于分类查询。

(5)生成文件接口可与CATIA、Civil 3D、Navisworks等软件进行信息交换，并为将来实现全生命周期管理提供模型基础。

图2 三维建模流程

3 工程应用实例

3.1 工程概况

川藏线拉林段噶扎至扎其单线铁路，起讫里程DK83+887～DK93+100，途径扎莫隧道、江达特大桥、藏中隧道，路基以填方为主，中心最大高度9 m，最大挖方4 m，地貌属堆积高山宽谷区，地势平坦，地表高程3 561.9～3 581 m，相对高差小于20 m，地表多为牧场、耕地。工程结构物主要有：路基本体、复合地基、人字骨架护坡、侧沟、排水沟、重力式挡土墙、L型路肩挡土墙、路堑桩板墙等。

3.2 设计应用

铁路路基三维设计中的建模工作主要包括地形曲面建立，空间横断面骨架搭建，路基三维实体组装，线路预览。

准备工作：录入线路专业提供的数据库数据，包括填挖表、曲线表、断链表、大中桥表、隧道表、坡度表等信息，更新里程冠号；读入地质专业提供的地层线、地质参数信息，生成SEC文件。

横断面设计和骨架搭建：准备文件填挖表信息给出中桩和路肩高程，在横断面窗口下，直接添加左右侧和基底工程，各工程结构参数根据需求自行设定，满足二维断面设计需求，完成三维设计所需的空间搭建骨架。如图3(a)所示。

三维实体组装：在主断面窗口下，显示设计完成的横断面设计图，通过前后相邻断面基准点的捕捉，由线路中线向两侧添加所需路基工程结构实体，并进行拖拽、拉伸、偏移等操作；三维实体不受横断面设计图的空间限制，根据设计者需求修改实体构件参数，完成整条线路的三维模型搭建工作。如图3(b)所示。

线路预览：通过查看窗口，观察该区段铁路线路空间走向及线路周边地形特征，并可将路基三维设计实体与地形曲面一并显示，根据需要显示横断面原始数据和设计数据；使用漫游功能，可模拟列车机车视角通过设计区段，提供更为直观的感觉。如图3(c)、图3(d)所示。

图3 三维设计展示

4 结论与展望

在高速铁路快速发展的大趋势下，对设计文件可视化、信息化的需求日益迫切，三维设计技术势必是未来铁路设计行业的发展趋势。结合川藏线拉林段实际路基区间，运用自主研发的路基三维设计软件进行设计和建模工作。取得的成果体现了该三维设计方法有助于设计人员快速熟悉和操作应用，更为全面直观了解实际工程结构，以便于细节的更改和完善，模块化实体更利于工程量的精确计算，为铁路路基设计行业带来新的设计理念，为推动铁路路基全生命周期BIM应用的发展奠定基础。

[1] 徐骏，李安洪，刘厚强，等.BIM在铁路行业的应用及其风险分析[J].铁道工程学报，2014(3):129-133.

[2] 朱江.BIM在铁路设计中的应用初探[J].铁道工程学报，2010(10):104-108.

[3] 何关培.BIM总论[M].北京： 中国建筑工业出版社，2011.

[4] 何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息技术，2010(4):110-117．

[5] 卢祝清.BIM在铁路项目中的应用分析[J].铁道标准设计，2011(10):4-7.

[6] 麦格劳—希尔建筑信息公司.BIM中国调研报告—建筑信息模型—设计与施工的革新，生产与效率的提升[R].北京:麦格劳—希尔建筑信息公司，2009．

[7] 陈彦，戴红军，刘晶，等.建筑信息模型(BIM)在工程项目管理信息系统中的框架研究[J].施工技术，2008(2):5-8．

[8] 刘照球，李云贵.建筑信息模型的发展及其在设计中的应用[J].建筑科学，2009(1):96-99．

[9] 刘大元,姚力,庞玲.基于BIM的铁路轨道工程三维数值化设计构想[J].高速铁路技术，2013(12).

[10]刘厚强,徐骏,李安洪.基于BIM技术的三维铁路路基信息模型分析[J].铁路技术创新，2014(2):50-52．

[11]中国铁路总公司.TB10504—2007铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制方法[S].北京：中国铁道出版社，2007．

[12]中国铁路总公司.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

The Application of Three Dimensional Modeling with BIM Technology in Railway Subgrade

LIU Hou-qiang， YI Xu-peng， ZHU Cong

(China Railway ErYuan Engineering Group Co.， Ltd. Chengdu 610031， China)

In order to promote the informatization of railway engineering construction， researches on BIM technology are conducted extensively by railway design institutes. A modeling method is proposed based on self-developed three-dimensional design software for railway subgrade in the light of the BIM-based modeling process and extensive investigations in the railway from Lasha to Linzhi. The practices show that the three-dimensional design helps designers to understand the practical engineering structure comprehensively with additional visual effects， and improves design accuracy， which brings about a new design idea and lays applicable foundation for railway subgrade design．

BIM; Railway subgrade; Three dimensional modeling; Aided design

2014-11-04

刘厚强(1969—)，男，高级工程师，工学学士，E-mail：liu_hq_cdey@hotmail.com。

1004-2954(2015)07-0020-03

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.005