铁路站前工程BIM正向设计技术

齐成龙

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

BIM正向设计的本源目标是代替原有CAD设计模式，将二维设计升级为基于BIM模型的数字化三维设计，即从概念设计阶段开始，直接在三维环境下设计，设计过程不需要参考dwg格式的CAD文件，并能从BIM模型生成二维施工图纸，交付整套设计成果［1-2］。在铁路行业多年的BIM应用实践中，受技术、资源、管理等限制，BIM设计并未完成CAD设计的替代，很多项目的BIM应用流程仍为：根据二维图纸建模→开展碰撞检测→通过检测数据调整二维图纸［3］。作为BIM技术发展的一个过渡阶段，翻模不仅增加了设计人员的工作量，也不符合BIM技术的初衷。因此，应从BIM技术与专业设计的结合出发，通过渐进式设计流程、多专业协同、设计校审等正向设计场景，实现“铁路站前工程BIM正向设计”目标，促进BIM正向设计在铁路行业的广泛应用。

1 BIM与专业设计的结合

1.1 与已有专业设计软件结合

BIM正向设计要求直接应用BIM模型进行设计，而在传统二维设计流程中，铁路站前工程各专业已经积累了成熟的专业设计软件。其中，既包括某些与二维工程图强关联的软件，如桥梁孔跨布置软件以二维平曲线要素、竖曲线要素作为输入条件，生成孔跨布置结果，并导出平、立面布置图；也包括某些同时适用于二、三维设计环境的软件，如配筋计算软件，输入梁截面的轴力、弯矩、扭矩、剪力和尺寸特性、力学属性，调用桥梁设计规范的计算公式和判别标准，完成钢筋配置。

当从二维设计流程切换至BIM正向设计流程，就需要将BIM技术与专业设计软件相结合，充分发挥既有专业设计软件的作用，通过二维到三维的顺畅过渡，实现真正的“正向”流程［4］。

1.2 与有限元计算软件结合

出于异型复杂工程结构设计的需求，以及与机械航空领域的交叉特性，有限元计算早已普及三维化，对于铁路站前工程有限元计算来说，制约其一体化设计效率的重要因素是二维设计成果与计算分析模型的分离状态。虽然一些设计人员在有限元计算到CAD出图、CAD图纸到有限元几何模型这2条路径上均进行过尝试，达到了提高计算效率的目标，但尚未从根本上解决一体化设计的问题［5］。归根结底，只有在三维环境下才能实现有限元计算与铁路站前工程设计的完美结合，而BIM技术的出现提供了解决方案。

Dassault作为当今主流BIM设计平台之一，通过CATIA和SIMULIA两个模块的转换，实现了BIM设计和有限元仿真分析的无缝衔接。在基于Dassault平台的桥墩BIM设计中，其有限元计算一体化过程见图1。如图所示，设计人员使用CATIA建立BIM模型，计算分析人员通过SIMULIA在同一数据库环境下访问BIM模型成果，由于BIM模型同时包含了结构几何信息、材料属性等非几何信息，分析人员直接利用信息划分有限元网格，快速开展有限元计算，简化了前处理过程。同时，设计过程中BIM模型的变化能同步反映至有限元几何模型中，重新划分网格即可重新开展有限元计算，节省了传统二维环境下变更CAD设计成果造成的大量前处理工作。

图1 桥墩BIM模型的有限元计算一体化过程

1.3 BIM辅助工程制图

1.3.1 BIM制图技术

是否将二维出图作为BIM正向设计的环节，是业内广泛争议的话题之一。仅从当前设计行业现实出发，在可预见的相当长时期内，BIM正向设计仍需考虑二维出图的需求［6］。

目前，各主流BIM设计软件均支持三维模型基础上的二维表达。以Tekla为例，完成钢筋混凝土结构精细化BIM设计后，调用Tekla绘图API，首先使用构造函数View（ContainerView、CoordinateSystem、CoordinateSystem、ArrayList），对ArrayList包含的BIM模型构件，创建特定坐标系下的视图；然后，使用LineSegmentToPlane（）函数计算钢筋组和视图平面的交点，得到钢筋在二维视图上的精确坐标；根据交点计算结果，分别使用Mark和Text类创建与钢筋实体紧密关联的注释标记及普通文本标记；最后，使用StraightDimensionSetHandler类创建和编辑尺寸标注，每个尺寸标注结果是Tekla中的Straight-DimensionSet对象。通过创建视图、标记、标注3个步骤，最终从BIM模型生成二维图纸（见图2）。

图2 Tekla平台下的简支梁跨中截面视图及二维出图结果

通过上述流程创建的图纸，其二维线条与三维构件是关联的，无法像AutoCAD一样自由编辑。对类似平法制图等专业化表达方式，往往需要花大量时间研究如何实现，或者修改构件的二维表达。

1.3.2 BIM成果导出dwg文件

BIM正向设计与二维CAD设计之间并非简单的替代关系。实际项目中，只有做到BIM模型结果与CAD二维图纸之间的无缝对接，才能真正让BIM正向设计落地。其中，无论各专业辅助设计软件与BIM设计软件之间的配合，还是审批、交付、归档等各环节的要求，均无法离开二维CAD这种设计成果表达方式。

虽然dwg是未来相当长一段时间内设计交互、成果交付的通行格式，但主流BIM设计软件对导出dwg格式的支持仍存在缺陷。对于Tekla，导出的dwg文件在使用AutoCAD软件打开后，所有线条相互独立，尺寸标注值与尺寸线、尺寸界限没有关联；对于Revit，导出的dwg文件难以实现接近AutoCAD绘图的效果，字体、图层、标注样式、线型等方面的设定自由度低。作为站前工程BIM出图解决方案的优秀供应商，上述2种软件依然存在如此缺陷，造成dwg文件的后处理工作量巨大。因此，BIM成果导出dwg的实现，仍需要软件企业大幅投入。

1.3.3 二、三维一体化设计

针对BIM软件出图的各种难题，有学者提出桥梁BIM二、三维一体化实现机制，通过唯一的设计信息输入，并行驱动二维图形和三维模型的自动化输出。该机制以“一体信息、多维表达”为核心思想，即把各种专业对象看作一个包含设计数据的信息节点，图形或模型只是该信息节点输出的不同表达方式，可支持也可不支持。

该机制强调通过信息、图形和模型的彻底分离，使三者之间形成松散的耦合关系，基于ObjectARX.NET开发并嵌在AutoCAD内运行，可直接生成各种二维图纸内容和三维BIM模型，还可输出XML格式的信息交换文件，支持模型和信息的后续BIM应用。该方式的优点是信息修改灵活、计算更新高效、成果按需自动生成，有利于解决BIM软件的出图难题。如一体化桥梁的BIM软件开发流程见图3。

图3 一体化桥梁BIM软件开发流程

2 渐进式专业设计流程

与传统二维设计相比，BIM设计通过三维模型表达几何信息，通过附着于BIM模型的数据表达非几何信息，设计成果的数据量大幅增加，三维几何拓扑运算与数据负荷的加成使设计效率大打折扣［7］。因此，在BIM设计过程中，可采取渐进式设计思路，将变更频繁、变更规模较大的方案设计阶段，与较稳定的详细设计阶段分离，分别采用低精度和高精度模型表达方式，最终形成适用于铁路站前工程的渐进式设计流程。

2.1 BIM方案设计

基于Dassault/CAA架构，开发桥梁方案设计程序，嵌入Dassault软件内部，其用户交互界面见图4。该程序包含孔跨增、删、改，自动布孔，桥位里程修改，平立交的增加、删除，以及净空检算等功能。最终，根据设计成果创建特征级桥梁方案BIM模型。

图4 桥梁方案设计程序用户交互界面

使用User Defined Feature（UDF）简化表达桥梁各构件，仅保留足以影响方案设计的关键属性。同时，采用三维空间曲面表达UDF模板的几何形状，与三维几何体模型相比，建模效率更高。

虽然桥梁构件类型众多，但是该程序通过有限数目的简化模板，满足了低精度方案的设计需求。梁体模板有2种：连续梁、简支梁，这2种模板仅梁高、梁宽尺寸为精确数值；桥墩模板有3种：圆端形、方形、圆形；桥台模板有2种：一字台、T台。由于方案设计阶段主要关注基础平面尺寸需求，基础模板只采用立方体表达。可将上述UFD模板存储于Data Setup数据库，以供程序调用。

2.2 BIM详细设计

将计算机图形学理论、BIM软件的数据结构及其开发框架，与专业化的铁路站前工程设计流程融合，进行BIM详细设计系统开发。由于该系统以施工图精度作为模型标准，建模效率低于方案设计系统，适用于变更较少的详细设计阶段。

以路基工程为例，其骨架分为工点线位（一级骨架线）和路肩线（二级骨架线），2种骨架均为路基工程BIM建模的重要输入元素。将基床横断面沿工点线位、路肩线拉伸，可得基床BIM模型。

一级骨架线的创建方法是在每个路基工点范围内截取空间左线模型；二级骨架线是以工点范围作为边界条件，生成左右侧路肩位置三维空间曲线，创建该三维空间曲线时考虑了轨道结构形式、铁路等级对曲线加宽的影响。

在进行路基基床BIM设计前，需要根据地形起伏情况，分段调用路堤、路堑模板。因此，合理确定路堤、路堑分界点，是基床BIM设计的前提。路基采用路堤还是路堑形式，通常以路堑标准横断面中侧沟与边坡交点的位置作为判断依据。当该点位于地形面以上，采用路堤形式；位于地形面以下时，采用路堑形式。但是，不同地质条件适用的路堑标准横断面不同。

因此，为了有效判断路堤、路堑分界位置，首先应该根据地质情况，将每个工点划分为若干段落，每个段落采用同一个路堑标准横断面进行路堤、路堑分界判别（见图5）。如图所示，依据上述流程，计算出每个段落判断线与地形面的交点，这些交点将段落划分为多个部分，地形面以上为路堤，地形面以下为路堑，以此为原则，分别调用路堤、路堑BIM模板，与三维数字地形交互运算，完成基床BIM设计。

图5 路堤、路堑分界点与基床BIM设计成果

3 BIM多专业协同设计

BIM协同设计指基于BIM模型和BIM软件，进行各专业的交互与协作，目的是取代或部分取代常规流程中以“上下序资料单”为渠道的专业间交互手段，充分利用BIM模型数据的可视化、可传递性，各专业实时掌握其他专业的设计进展，并随时引用、参照其他专业设计成果。同时，由于BIM具备参数化特性，参照目标的更新能及时反映至设计成果，从而提高设计效率、减少设计错误［8］。

对于铁路站前工程，在BIM协同设计环境下，不同专业人员基于同一数据库、同一三维地形协同工作。该环境不仅为设计人员开展土建结构物、边仰坡、电缆槽、排水沟等关联构件的精细化设计提供条件，也简化了专业间资料和信息的交换流程，提高设计质量，避免反复工作。

铁路桥、隧专业三维协同设计见图6。如图所示，隧道设计人员发布以三维空间平面代表的临时缺口模型，桥梁、隧道设计人员分别基于此平面开展专业模型设计，当缺口里程调整时，桥梁、隧道专业模型随之自动更新。上述流程实现了根据设计过程中的实际情况，综合考虑安全、经济、美观等多种控制因素的交互式专业间接口动态设计。

图6 铁路桥、隧专业三维协同设计

4 BIM设计校审

在传统二维CAD模式中，校审人员通过图纸标记、批注的方式，向设计人员传递校审信息。而BIM正向设计成果既包括传统意义上的图纸，也包括各专业的BIM模型，以及模型中的信息。因此，与传统二维模式相比，其校审过程针对的都是整体设计成果，而非打印的图纸，这对校审过程提出了更高要求。根据审查内容，BIM正向设计校审分为BIM技术标准合规性审核、专业设计信息审核2个层级。

4.1 BIM技术标准合规性审核

作为BIM正向设计的成果，BIM模型需要满足铁路BIM联盟发布标准的要求。为了提高BIM数据的标准化核查效率，开发了IFC数据自检工具（见图7）。

图7 IFC数据自检工具界面

该自检工具首先解析IFC文件，获取所有BIM构件的实体关系树和属性聚合关系，将每个节点送入规则检查器，自动分析模型结构树装配是否正确、属性集是否挂接准确、属性是否填写完整等检查项目，并即时输出检查结果。用户根据程序提供的错误信息修改原始模型信息，直至正确。

4.2 专业设计信息审核

4.2.1 模型检查标注

几乎所有主流BIM软件都提供了三维标注功能。以Dassault软件为例，其Design Review功能赋予审核人员在BIM模型中直接查看设计工作文件，并以三维批注的方式从专业角度提出审核意见的权限，该方式适合设计团队内部互校、专业负责人审核本专业设计成果［9］。

4.2.2 模型干涉检查

干涉检查功能主要用于检查模型和模型之间、模型和曲面之间的空间位置关系。Dassault平台将模型之间的位置关系分为碰撞（Clash）、基础（Contact）、间隙（Clearance）3种状态（见图8）。

图8 Dassault平台下构件的3种空间位置关系状态

Dassault平台对BIM设计成果中的所有构件进行空间位置关系分析，使用表格形式过滤出所有碰撞情况并区分3种不同的干涉状态［10］（见图9）。

图9 Dassault平台下的干涉检查结果报表界面

5 结论

BIM正向设计无法在粗放的管理模式下生存，没有强有力的企业级管理，则难以形成技术迭代，无法从根本上发挥BIM技术的优势。真正的BIM正向设计模式，应该是整个设计过程的流程再造与优化升级，是可落地的、可形成持续生产力的设计模式［11-13］，而不仅是尝试性的技术探索。因此，需要技术与管理两方面的总体规划，需要企业层面的体系化支撑。