BIM技术在轨道工程设计中的应用探讨

■ 艾山丁

BIM技术在轨道工程设计中的应用探讨

■ 艾山丁

分析轨道工程BIM设计成果特点，结合京沈客专BIM试点轨道工程中的应用，研究轨道工程BIM设计方法；建立零件库、模板库、骨架线，进行零件装配、模板实例化，对基于BIM模型的工程数量计算方法、有限元分析方法、二维图纸生成方法进行初步研究；结合轨道工程设计特点，得出BIM设计技术在轨道工程中的适应性分析结论，为BIM技术在轨道工程设计中的应用奠定基础。

BIM；轨道工程；京沈客专；适应性分析

近年来，BIM技术以其可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性、造价精确性及造价可控性等特点［1-2］，在工程生产效率，进度、质量、成本控制，资产运维等领域起到了重要作用。由于铁路行业工程的复杂性、参与专业的多样性、专业接口与信息交换的高频性及工程建设管理的精细化［3］等特点，BIM技术在铁路行业的探索、推广、应用将为铁路行业带来一次技术革命。

1 轨道工程BIM设计成果特点

轨道工程作为铁路工程项目中的一项站前工程，具有设计内容精细、繁琐、专业接口多、设计精度要求高等特点。

1.1 信息丰富化

当前轨道工程设计主要采用CAD计算机辅助设计，设计成果往往为文件说明与二维通用设计图纸。首先，二维设计图纸并不能充分表达三维实体结构；其次，二维通用设计图纸并不能表达某个具体工点的设计情况，而要辅以相应设计表格，进行查询换算；此外，二维设计图纸较难反映与相关专业设计接口信息。因此，利用目前轨道工程采用的设计形式并不能直观、精确地表达设计成果，而轨道设计过程中大量信息也不能得以存储，无法将丰富的信息传递至制造、施工及运营单位。

若利用BIM技术进行设计，将设计文件、BIM模型作为设计成果，并辅以关键工点的二维图纸，则一定程度上可提高设计精度、深化设计成果。以BIM模型为载体，将丰富的设计信息存储至模型上，则可提高信息传递利用率，为后续工作所用。

1.2 可优化性

设计过程中运用BIM模型，经过模型的简化处理、网格划分、边界定义等，可利用常用有限元软件进行结构初步分析，对设计成果进行优化，从而达到优化结构参数、降低工程造价的目的。

1.3 协调性

轨道工程传统设计一般在工程线位，桥、隧、路基形式及其缺口较为稳定的情况下，才具备开展设计工作条件。但凡上述任何一个专业进行微小改动，轨道设计方案都需要随之调整。

利用BIM技术进行设计，可保证上序来源的唯一性与同步性。当交付成果为具有可视化、协调性的BIM模型时，可对专业接口处设计成果进行重点检查，及时发现问题，调整设计方案，降低差、错、漏、碰出现概率，为保证施工工期、减少返工、提高施工质量打下基础。

2 BIM技术应用案例

铁路行业BIM设计探索主要集中于桥梁、隧道工程等［4-8］，结合京沈客专BIM试点轨道工程进行分析。

2.1 工程概况

京沈客专BIM试点位于DK373+975—DK380+417.82处。含车站1座，长1 400 m（站内桥梁231.75 m）；区间桥4座，总长2 502.87 m；区间隧道1座，长380 m；区间路基4段，总长2 159.95 m；线路全长6 442.82 m。双线线间距按5.0 m设计。轨道工程区间采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，岔区采用轨枕埋入式无砟轨道结构。

2.2 轨道结构设计

2.2.1 零件库建立

建模过程中，对于规格种类相对较少的构件（如轨道板等），采用局部坐标系下独立建模，并批量装配的方式进行BIM模型建立。针对这一类构件纳入零件库进行管理。

BIM试点建立的零件主要包括：轨道板、自密实混凝土层、隔离层、路基上18号单开岔区无砟道床、路基上18号单渡线岔区无砟道床及桥上18号单渡线岔区无砟道床等（见图1）。

图1 零件库模型

2.2.2 模板库建立

建模过程中，对于规格种类复杂多样、构件几何和非几何信息随线路状况变化而变化的构件（如底座、底座伸缩缝泡沫塑料板、聚氨酯等），采用全局坐标系下建立骨架线，然后重复调用模板，批量生成构件的方式进行建模。针对建模时用到的模板纳入模板库进行管理。

BIM试点建立的模板主要包括：钢轨模板、底座模板、底座伸缩缝模板等（见图2）。

图2 模板库模型

2.2.3 轨道结构参数化设计

BIM试点以总骨架线为基础，实现了轨道结构超高设计（见图3）及CRTSⅢ型板布板设计。

图3 轨道结构超高设计表达

参数化建模主要体现在骨架线和各构件之间相互关联，以及利用模板自动批量化生成所需构件。

BIM试点初步实现骨架线和各构件之间相互关联，利用已建成的模板，完成近90个工点模型的建立工作（见图4）。

图4 工点模型

2.3 工程数量计算

利用已建成的BIM模型进行工程数量计算探索。初步实现了钢轨、轨道板、自密实混凝土层、底座工程数量计算［9-11］。

2.4 有限元模型

在设计过程中遇到特殊工况时，通常需要利用有限元软件进行结构检算。

在已建成的BIM模型中，选取个别计算单元，对影响网格划分的模型细部尺寸进行简化处理。然后进行网格划分，边界条件定义后，即可得到初步可用的有限元模型（见图5、图6）。

图5 BIM模型

图6 有限元模型

2.5 生成二维图纸

利用已建成的区间轨道结构模型进行生成二维图纸轨道结构布置图的探索（见图7）。

图7 轨道结构二维布置图

3 BIM技术在轨道工程中的适应性分析

可视化、协调性、优化性、可出图性、设计精确性是BIM设计的的5大特

点。

（1）可视化特点：轨道工程对于路桥过渡段、CRTSⅢ型板地段、伸缩调节器地段、岔区地段等特殊工点的轨道结构设计，在BIM设计模式下可以得到更清晰、更直观的表达。

（2）协调性特点：轨道专业与上下序各专业间的配合更加顺畅。如在接收上序专业的缺口里程时，将桥、隧、路基等专业的缺口点直接作为上序来接收，省去从上序专业提供的电子或纸质文件中读取缺口里程再转换至本专业设计成果中的过程。

（3）优化性特点：轨道工程在接口较多的岔区地段、设备较复杂的钢轨伸缩调节器地段完成BIM模型后，设计人员可以更直观地看到设计成果。利用BIM技术可以为设计优化创造更大便利条件。

（4）可出图性特点：轨道工程对于复杂的设计工点，可以利用BIM模型进行二维图纸的辅助输出，能够更清楚更丰富地表达设计成果。

（5）设计精确性特点：轨道专业相对其他土建专业来讲设计精度较高。如采用BIM设计技术后，模型中已经体现了施工坐标系下轨道板的位置、底座的位置等，与原有通用图设计模式相比，设计内容更加丰富、设计成果更加精确。

［1］ 何关培.BIM总论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］ 何关培，李刚.那个叫BIM的东西究竟是什么［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［3］ 刘延宏. EBS在铁路工程建设管理中的应用探讨［J］.中国铁路，2015（7）：62-65.

［4］ 李丽，马婷婷，袁竹.BIM技术在铁路隧道设计中的应用［J］.铁路技术创新，2014（5）：45-48.

［5］ 魏州泉.BIM技术在铁路桥隧工程中的应用研究［J］.铁路技术创新，2014（5）：9-13.

［6］ 刘彦明，李志彪.BIM技术在铁路设计中的推广应用［J］.铁路技术创新，2015（3）：51-54.

［7］ 张雪才.BIM技术在铁路设计行业的应用研究［J］.铁路技术创新，2014（5）：14-18.

［8］ 杨咏漪，徐勇，陈列.沪昆客专北盘江特大桥BIM应用研究［J］.铁路技术创新，2014（5）：54-58.

［9］ 朱丹.铁路行业EBS分解研究［J］.铁路技术创新，2015（3）：21-23.

［10］ 李华良，杨绪坤，沈东升.铁路工程信息模型分类和编码标准研究［J］.铁路技术创新，2015（3）：17-20.

［11］ 朱纯瑶，杨绪坤.建筑信息分类编码体系对铁路BIM的借鉴作用［J］.铁路技术创新，2014（5）：35-38.

艾山丁：铁道第三勘察设计院集团有限公司，工程师，天津，300142

责任编辑 高红义

U213.2；TP39

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1672-061X（2016）03-0062-03