BIM技术在沪通铁路站场路基设计中的应用研究

卞友艳

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

BIM作为一种全新的技术，受到国内外学者和业界的广泛重视。住建部和各地方政府也不断出台相关政策推进BIM技术在工程建设全生命周期中的应用。中国建筑施工行业信息化发展报告连续多年均以BIM为核心主题，这些都体现了BIM技术的应用将成为新经济时代设计企业发展的核心竞争力。近年来，我国铁路建设取得了突飞猛进的发展，对新技术、新产品的研发与应用也层出不穷，虽然BIM技术在铁路行业应用较建筑、水电等行业起步较晚，但发展迅速[1-15]。2013年12月，“中国铁路BIM联盟”正式成立，随后相继颁布铁路行业BIM应用相关标准[16-18]。然而，铁路工程因具有场地广大、专业众多、施工组织复杂、运营维护不便等特点，目前市场上现有的BIM设计软件模型底层编码及数据存储格式都是按照建筑物的相关规范进行编写的，均不能满足中国铁路行业的规范要求。尤其车站综合路基工程，涉及专业多，相关BIM设计软件不够成熟，BIM技术应用研究较少[19-20]。本文基于沪通铁路，通过选取Bentley平台，并结合少量二次开发，探索了铁路工程中路基BIM技术应用路线，为BIM正向设计的发展提供参考。

1 项目概况

沪通铁路位于长江三角洲地区，是中国铁路总公司16个BIM推广应用项目之一。为研究BIM技术在铁路综合路基中的应用，选取太仓港站开展BIM设计。太仓港站位于太仓市与常熟市交界处，地形平坦，全长2 600 m，站前工程包含测绘、线路、站场、路基、桥梁、轨道等多个专业。该车站为软土路堤，主要设计内容包括路堤基床结构、地基加固、边坡防护、排水系统以及框架桥涵。

2 BIM设计方案

现有BIM设计主流软件平台主要有Autodesk、Bentley和Dassault，三者均有各自的BIM软件系统及数据交换接口。Autodesk在建筑行业应用最成熟，Bentley在水电行业应用较多，Dassault在建立精细化设计方面有独特之处。然而，目前没有任何一款软件能够解决所有BIM问题。沪通铁路太仓港站综合路基涉及专业多，Bentley的协同管理平台ProjectWise可与Bentley设计软件无缝集成，从而实现项目多专业的协同设计管理。Bentley面向道路、铁路、桥隧、场地、地下管网等基础设施开发的专业软件PowerCivil(以下简称PC)基本可以满足铁路站前相关专业的BIM设计[21-22]。

本文基于PC进行综合路基BIM设计的工作是在传统设计“平-纵-横”的工作流程基础上，根据BIM设计要点，以协同工作的理念，按照“设计准备—平面设计—纵断面设计—横断面模板设计—创建廊道—附属设施设计”的工作流程开展工作，其设计流程如图1所示。

图1 基于PC的综合路基BIM设计流程

3 项目应用研究

3.1 搭建协同管理平台

为规范ProjectWise协同管理环境，结合工程项目分解要求，依据《铁路工程信息模型数据存储标准》(IFD)等相关标准制定“沪通铁路BIM项目标准框架”，明确ProjectWise中目录框架、文件及文件夹命名标准、角色、权限、流程、通知等规则，完成基于Bentley的ProjectWise协同设计平台的搭建，如图2所示。

图2 ProjectWise协同设计平台的搭建

3.2 设计准备

3.2.1 创建数字地模

地形信息是项目最重要的设计资料之一，为生成地面线、边坡放置以及工程量分析等工作的必须资料，设计准备需要对地形数据进行相关的处理，完成数字地模的创建和导入。将DWG地形文件参考至PC中，通过“最大三角形长度”法构建地形三角网，如图3所示，形成三维地面模型。

图3 地形三角网

3.2.2 线路平纵设计

线路平纵设计是路基设计的关键环节，线路方案从根本上决定了道路总体设计的水平。在PC中按照“交点法”绘制平面线位；点选平面线位，打开其纵断面视图，采用先插入坡度线再插入竖曲线的方式进行纵断面设计，如图4所示。

图4 三维线位模型

3.3 站场路基设计

3.3.1 创建横断面模板

导入线路平纵和三维地面模型后，采用PC软件廊道功能创建站场横断面。先利用横断面模板功能将路基面、基床、边坡、平台、脚墙以及排水沟等构筑物建成通用性的构件子模板，再通过“点特征”设置通用子模板之间的约束关系，使其实现联动，从而合成路基横断面模板。如图5所示。

3.3.2 廊道设计

横断面模板创建以后，激活地形模型，结合铁路带状构造的特点，以“沿路径拉伸创建实体”为原理，利用PC廊道功能，将横断面模板沿站场中心线对应到相应的里程范围，从而创建三维站场路基模型，如图6(a)所示。

图5 创建横断面模板

对于复杂断面，分别创建对应廊道，然后在汇合处进行模型剪切，再用共同的路基横断面模板构建融合以后的廊道，如图6(b)所示，曲线股道对应的路基，外边缘沿着曲线建模，解决了模型“以直代曲”造成的锯齿问题。

图6 路基模型

对于不同横断面模板之间的过渡，利用渐变法创建廊道。将前后横断面模板中，对应的渐变点，设置参数约束，从起始断面到终止断面，该参数由a值逐渐线性过渡到b值，实现复杂断面之间的渐变过程，如图7所示。

3.3.3 创建地基处理桩

地基处理桩为离散型布置，无法通过PC廊道功能直接实现。太仓港站为软土路基，整个车站范围都有地基处理桩，为提高建模效率，基于PC开发插件，实现参数化快速建模。基于路基廊道模型提取地基处理桩的设计边界，再利用开发插件，通过指定路线、起讫里程、设计范围及桩的设计参数创建地基处理桩模型，如图8所示。

3.3.4 边坡加固防护

路基边坡防护模型先通过横断面模板功能创建边坡构件，然后与路基模板组装起来，通过廊道建模一起生成。骨架护坡等坡面防护通过建立面模型，利用Bentley材质贴图功能进行渲染，镶边与脚墙则建立网格的体模型，如图9所示。

图7 多路基横断面模板图8 地基处理桩模型图9 边坡防护模型

3.4 桥涵设计

沪通铁路太仓港站含有6座框架桥和6座框架涵，为实现参数化建模，基于PC开发框架桥涵设计插件，支持1孔～3孔框架桥涵参数化设计，可以实现直交及斜交设计，如图10所示，将设计效率提高了20倍以上。

图10 框架桥涵模型

3.5 模型整合

利用PC的参考功能，将各专业的模型成果链接到总装模型中。首先对总模型进行碰撞检测，以供进行效果演示及其他深化应用。如图11～图13所示。

图11 总装模型参考各专业模型

图12 模型碰撞检测

图13 总装模型全景

4 结语

本文探索了基于Bentley平台进行站场路基BIM综合设计的解决方案，通过多专业应用实践，主要结论如下。

(1)基于Bentley的ProjectWise协同管理平台，可以实现多专业协同设计，方便专业间的设计交互。

(2)Bentley的设计软件PowerCivil，基本可以满足铁路工程三维地模创建、线路平纵设计、站场简单路基的设计，对于不同断面之间的过渡，实现起来难度较大，相关功能还有待改进。

(3)PowerCivil无法直接进行地基加固桩及框架桥涵等离散型构建的高效设计，通过二次开发可实现参数化建模，解决了重复性工作多、工作量大的难题，有效提高了设计效率，初步实现了基于Bentley的正向设计。