基于BIM的铁路车辆站场场坪三维设计关键技术研究

刘 沛

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

随着全国铁路和城市轨道交通项目的大力建设，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术也逐步应用于铁路和城轨领域。同时，一系列建筑信息化等国家政策和标准相继出台，铁路勘察设计单位在隧道、桥梁等站前工程方面逐步突破了利用BIM技术进行正向设计，但在铁路站后工程方面仍是空白[1-2]。铁路站场作为铁路工程领域最具代表性的大型综合性站后工程，其BIM正向设计极其复杂，而场坪作为站场工程设计的基础，对其进行BIM正向设计研究是铁路站场实现数字化三维设计的首要任务[3-5]。

目前，国内外铁路站场场坪设计多采用传统的二维设计模式，尽管个别勘察设计单位借鉴公路停车场地设计方法实现了场坪的三维建模，但几乎均是在二维图纸的基础上进行建模工作，这与正向设计原则严重不符[6-8]。以某铁路站场场坪工程BIM正向设计为出发点，越行站场坪为研究对象，以全新的三维设计手段，在三维空间中以三维地形模型和三维线路模型为设计基础，辅以参数化横断面设计与分段里程横断面参数控制的方式。按照不同阶段的需求，利用Bentley-ORD软件自身的功能和对其二次开发的工具，设计出具备全面工程属性且土、石方量可实时计算的三维场坪BIM模型，避免了二维设计中因高程不直观造成的设计错误和工程信息不明显造成图纸会审时的误会，并且以三维空间的角度进行计算统计场坪的土、石方工程量，增加了设计数据的可靠性。

1 站场场坪BIM设计

1.1 站场BIM设计流程

铁路站场BIM设计基于Bentley-ORD工具与二次开发正向设计软件实现，主要包括输入数据准备、场坪区域划分、参数化模板创建、模板关键点参数表创建、边缘排水系统设计、场内排水系统设计、工程属性标准定义、工程土石方量计算统计等。设计前期，利用BIM工具生成符合场坪设计要求的地形和线路三维模型作为场坪三维设计的基础环境，依照铁路BIM联盟发布的IFC/IFD编码标准创建EC Schema文件[9]，并用设计工具按场坪划分的区域设计并创建整个场坪区间的参数化断面模板，再结合设计要求与里程信息完成每个模板在不同里程下关键点的参数表。在建模时，利用前期的基础环境、模板和参数表完成场坪区间的路基、坡面、边缘排水沟及场内排水系统等设计建模，并利用二次开发的工具进行工程属性附加和土石方量计算。设计人员以计算结果为参考对场坪模型进行深化设计，最终生成最佳方案场坪模型、图纸、工程土石方量表，为其余站后专业提供设计基础。铁路站场场坪BIM正向设计流程如图1所示[10]。

图1 铁路站场BIM正向设计流程

1.2 数据输入

1.2.1 地形模型输入

根据测绘专业提供的二维地形平面图，利用Bentley Power Civil平台，并结合自主研发程序提取等高线、高程点、特征点、特征线、道路、水系、坎、陡崖实体结点，通过离散点构TIN在Power Civil中建立地形三维模型，其设计结果如图2所示。

图2 地形三维模型设计结果

1.2.2 线路模型输入

利用基于Bentley软件自主开发的线路建模工具和最佳线路方案的数据库文件，建立线路平、纵断面线形模型。其中，主要用到的数据库文件内容有平面曲线表、断链表和坡度表，平面曲线表用以创建线路的平面走向，断链表用以控制线路的冠号里程，坡度表用以创建线路的纵断面坡度，线路平、纵断面三维模型如图3所示。

图3 线路平、纵断面三维模型

1.3 站场场坪BIM设计工具

由于Bentley-ORD的“断面模板-廊道拉伸”建模方法对于创建断面形状固定、大长型BIM模型效率较高，铁路站场本质为沿铁路线布置的可拉伸、变横断面空间体。因此，基于该建模思路，设计出站场在整个站场区间内参数可变的断面形式，并通过控制断面关键点参数和里程参数的方式进行铁路站场场坪模型的创建。场坪廊道模板与参数控制界面如图4所示。

图4 场坪廊道模板与参数控制界面

2 场坪BIM三维设计实现

2.1 站场场坪的类型与内容

为保证行车安全和必要的线路通过能力，车站把一条铁路线路划分成若干个长度不同的站间，车站为相邻站间的分界点。车站是铁路运输的基本生产单位，按其技术作业和设备不同，分为会让站、越行站、中间站、区段站和编组站等[11]。TB 10099—2017《铁路车站及枢纽设计规范》[12]规定：铁路车站场坪应根据场坪宽度、排水要求和场坪挖填情况，设计出适宜坡度的边缘排水系统和场内排水系统，并根据车站的功能、容量等计算出工程土、石方量。常用站场场坪系统包含内容见表1。

表1 常用站场场坪系统包含内容

2.2 站场BIM设计方法

通过输入的线路和地形模型，利用Bentley-ORD工具与二次开发的模型设计插件，进行参数化场坪横断面模板库创建、断面关键参数表创建、场坪边缘排水系统创建、场坪场内横纵向排水系统创建、参数化站线绘制，轨道、轨枕、道床参数化自动布置等。以某铁路越行站为例，对其场坪工程开展BIM设计研究。

2.2.1 站场场坪工程特点

通常情况下，铁路站场场坪高程相对单一，即使存在变高程情况，但在同一平面上区域的高程近似相等，因此在场坪BIM设计过程中，应确认场坪区段正线线路的纵断面数据准确性，避免因线路数据错误而导致廊道拉伸场坪的高程起伏不一、表面不平[13]。某车站场坪工程区间示意如图5所示，起始里程为DK481+280，终点里程为DK482+420，全长为1.14 km，根据其设计要求，该越行站宜为6线越行(含正线)。由于该区域两侧傍山，且处于低谷之中，在设计过程中着重考虑该越行车站场坪的排水系统。

图5 某越行车站站场区间示意

2.2.2 场坪工程参数化断面库设计

根据场坪的功能要求将场坪划分成不同的区域。本站场坪区域可分解为桥梁端过渡区、隧道端过渡区、站房场坪区、给水所场坪区、污水处理站场坪区等。具体断面设计如下。

(1)由于越行站结构相对简单，不宜采用多路基本体断面，故两端过渡区场坪设计为路基不分层形式，采用变宽度参数控制双线正线向6线站线的过渡，无站台越行，桥梁端过渡区场坪两侧采用填、挖方坡并存的断面形式，坡面采用分级放坡(垂向高度每8 m)，填方坡脚设置“V”形水沟作为边缘排水系统的主体；隧道端过渡区场坪两侧几乎全为挖方，为满足排水能力，在傍大坡区段设置水沟与站线场坪平齐。两端过渡区场坪断面如图6所示。

图6 两端过渡区场坪参数化断面

(2)中间场坪区域除布置站线外，主要在其上布置站房及一些辅助站所。将此区域场坪设计为2个基本高程，且站房场坪低于站线场坪高程4.2 m，采用变宽度参数同时控制线路场坪与站房场坪沿正线方向的尺寸控制。为使站线区域场坪傍山侧的排水系统能较好地与地形融合，且满足相应位置地形的排水能力，此处的排水沟设计为两种形式，即在傍大坡区段设置水沟与站线场坪平齐，大坡面采用分级放坡(垂向高度每级8 m)，在无坡或小坡区段设置水沟低于站线场坪。在站房场坪边缘设置“V”形排水沟，并在其与场坪之间以1∶1.5的坡比过渡连接。中间场平参数化断面如图7所示。

图7 中间场坪区域参数化断面

2.2.3 场坪工程断面参数表设计

基于设计的各区段断面参数化模板与场坪沿线里程要求，利用二次开发设计工具，沿里程(每隔20m)对模板关键点进行参数自动化设计，最终形成各个模板对应的参数表文件。参数表文件包括模板名称、里程区段、关键点名称、参数类型、参数对应起止里程、起止里程对应参数值等。本越行站场坪3号断面模板参数表形式见表2。

表2 越行站场坪3号断面模板参数表形式

2.2.4 基本场坪生成

基于创建的断面模板及模板上关键点参数表文件，利用Bentley-ORD的“断面模板-廊道拉伸”建模方法生成表3所列的4个区段的场坪模型。通过精确控制参数设置，整个场坪区域的全部模型如图8所示。

表3 越行站场坪里程、模板对应关系

图8 越行站站场场坪基础模型

2.2.5 场内横、纵向排水系统设计

以上文创建的站场场坪为基础，对Bentley-ORD软件二次开发，得到通用站场场坪内排水系统参数化三维快速设计工具，然后利用该工具对本场坪内部横、纵向排水系统进行三维设计。由于两端过渡区域边缘排水沟槽达到所属区段的排水要求，因此，仅在中间站房场坪内设置相应的排水沟槽，实现站房场坪区、给水所场坪区、污水处理站场坪区之间的排水。场内横、纵向排水系统三维设计界面与设计后中间场坪排水系统分别如图9、图10所示。

图9 场内横、纵向排水系统三维设计界面

图10 中间场坪场内排水系统设计

2.2.6 工程土、石方量计算统计

工程土、石方量计算是工程预算的重要组成部分，设计人员实时计算出不同方案下的土、石方量数值，以作为方案比选的指标[14-17]。车站场坪属于铁路工程中最具代表性的土、石方工程，基于Bentley平台开发场坪土、石方量自动计算统计工具，以地形模型与场坪模型为输入量，根据不同的挖、填方类型，实现一键计算与统计场坪的挖、填方量，提高设计效率。土、石方统计界面和越行站站场场坪的挖、填方工程量统计结果分别如图11、图12所示。

3 铁路站场场坪工程信息附加

《铁路工程信息模型交付精度标准》[18]指出，铁路工程信息模型的模型单元信息深度应与模型精度规定的相应等级对应，充分、准确地表达该模型单元在相应设计阶段的所有必需工程信息，满足各阶段的使用需求。

图11 场坪工程土、石方计算统计工具界面

图12 越行站场坪的挖、填方工程量统计结果

3.1 站场场坪工程信息内容

铁路工程信息模型的属性信息包括几何信息和非几何信息，几何信息宜分解至最底层，并采用结构化方式进行存储；非几何信息宜根据实际应用需求进行分解，部分数据可采用非结构化方式进行存储。随着模型精度的递增，模型单元几何精度和信息深度应按照项目应用需求从低几何精度、低信息深度向高几何精度、高信息深度递进。场坪工程模型在不同阶段对应不同的模型精度，而不同的模型精度又对应着不同的信息深度。结合《铁路工程信息模型分类和编码标准》与不同阶段的模型精度，站场场坪工程不同阶段的模型精度与信息深度见表4。

表4 站场场坪工程不同阶段的模型精度与信息深度

3.2 信息添加工具开发

基于Bentley-ORD平台，根据场坪工程的模型精度与信息深度表开发其工程属性附加工具。被工具采用自动遍历所有图形元素的方式，通过一系列判断准则、元素属性特征与元素间的尺寸关系，按照不同的精度等级或阶段需求，自动完成模型构件的属性附加[19-20]。其工作界面与越行站场坪工程信息附加结果分别如图13、图14所示。

图13 场坪工程信息附加工具界面

图14 越行站场坪工程信息附加结果

4 结语

以改善铁路站场场坪工程传统二维设计中存在的弊端和实现铁路站场场坪工程的BIM正向设计为出发点，以某越行站场坪为研究对象，基于三维设计思路将地形和线路数据库作为设计输入，建立由三维地形和线路构成的场坪三维设计环境。基于Bentley-ORD开发了场坪参数化横断面设计工具、横断面关键点参数表制作工具、场坪内纵横排水系统设计工具、场坪土石方量实时计算工具和场坪工程信息添加工具一系列场坪正向设计工具，并利用平台与该系列工具完成了某场坪BIM正向设计。综合研究分析，得出如下结论。

(1)三维场坪设计环境提高了场地设计的空间可观性，避免了因高程造成的设计干涉。

(2)横断面关键点参数表按里程控制参数化断面的几何形状，显著提高了场坪的三维设计效率与准确性，并实现了场坪与地形的完美融合，避免了人为因素导致的设计错误。

(3)场坪土石方量计算工具与工程信息添加工具，可以实时统计工程挖、填方量和高效添加模型全部工程属性，为后续专业开展设计工作提供了数据基础和信息基础。

(4)采用场坪BIM设计方法，使全设计过程均处于三维环境中，很大程度推动了铁路站场场坪数字化三维正向设计。