成段落站前工程BIM正向设计应用探索.pdf

2023年第4期专业应用专业应用成段落站前工程BIM正向设计应用探索赵亮亮1，董凤翔1，卢文渊2（1.中铁二院工程集团有限责任公司 BIM中心，四川 成都 610031；2.自然资源部第三地理信息制图院，四川 成都 610100）摘要：在行业政策及数字信息技术引领下，各铁路设计企业开展了大量BIM正向设计软件的研发工作，以期将BIM技术全面应用于设计生产工作。以15.477 km成段落铁路工程为试点，以OpenRail Desinger为基础平台，针对各站前专业开展BIM正向设计应用研究；利用ProjectWise实现专业协同，通过初始化、精细化、出图、算量等方式，完成各专业BIM模型、施工图纸、工程量等成果的生成。实践证明，BIM正向设计可提高施工图设计的质量和效率，方向完全可行、正确。关键词：铁路工程；BIM；正向设计；站前；段落；OpenRail Desinger中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2023）04-0069-10DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.02.27.0010 引言近年来，我国建筑、铁路、公路市政等行业在国家政策指导下，持续推进BIM技术应用，以解决工程全生命周期数字化的难点和痛点，各设计企业以此为契机，开展大量项目应用和平台软件开发，以期在日益白热化的竞争环境下增强自身核心实力1。在实施过程中，各个项目基本都是先开展二维 CAD设计，再人工建立模型2。企业管理者为了推进设计过程中从BIM模型直接出图，提出BIM正向设计要求3。在此趋势下，铁路行业各设计企业对达索、欧特克、奔特力等软件开展调研和应用，由于以上原生软件的效率、精度存在明显不足4，遂针对铁路各专业开展大量二次开发。依托成段落铁路工程项目开展 BIM 正向设计，对二次开发软件进行验证，实施区间共计 15.477 km，包含隧道、桥梁、路基、车站、轨道等工程。1 技术路线该项目BIM正向设计以ORD为基础平台、ProjectWise 为协同设计平台，基于自主开发的各站前专业BIM正向设计软件开展设计：（1）测绘、地质专业结合站前专业需求开展三维地形、地质体、断面、平面等数据的制作；（2）各专业结合测绘、地质、线路专业数据，在三维环境下通过参数化工具开展工程方案的研究分析第一作者：赵亮亮（1987），男，高级工程师。E-mail：通信作者：卢文渊（1987），女，高级工程师。E-mail：692023年第4期专业应用专业应用和快速建模，特殊结构采用手动建模；（3）通过ORD参考方式，对各专业模型进行整合，对接口进行完善，形成交付成果模型；（4）结合模型生成交付的施工图纸和工程量，与传统交付成果进行对比、分析、完善。成段落工程BIM正向设计技术路线见图1。2 各专业BIM正向设计2.1测绘测绘专业在二维施工图设计过程中，主要提供1500工点图和断面文件。在BIM设计过程中，一方面需要提交上述传统数据，满足各专业出图要求；另一方面应补充提供三维地形表面模型（DTM），满足三维连续设计需要5。但是，直接使用上述数据制作的DTM，无法达到BIM设计精度，需要将1500工点图及断面文件融合，完成满足设计精度且Bentley ORD软件支持的DTM文件作为最终成果。（1）离散三维点云。利用1500工点图提取等高线、高程点制作DEM数据，再将DEM按1500格网间隔要求（0.5 m）离散为三维点云。（2）利用断面线提取点云。读取线位数据库，计算断面资料真实坐标后，按照0.5 m间距提取断面点，形成断面点云。（3）重新构TIN生成DTM。将断面点云离散、融合至三维离散点云，将点云精度不符合处替换，构TIN生成最终DTM（见图2）。近几年，测绘技术的发展为各专业BIM设计提供了更丰富的地形数据。如通过倾斜摄影，快速形成现场三维实景模型数据6，各专业可更形象、全方位、远程查看设计现场的地形、地貌、既有电力线、管线、铁路等现场情况，从而更精确、快速地确定设计方案；通过激光雷达技术，快速、大面积获取高精度的地形、地物点云；通过人工和自动滤波相结合方式，形成数字表面模型7，服务于BIM设计。2.2地质在BIM正向设计范围内，工区内上覆地层以第四系（Q4）、第三系（Q3）的粉质黏土、砂、圆砾土、卵石土为主，下伏基岩主要为板岩、千枚岩。在正向设计过程中，主要结合钻孔、现场调查及地形数据，通过EVS软件以岩性建模和剖面建模方式形成三维地质体8，剖切形成地质横纵断面：图1成段落工程BIM正向设计技术路线（a）初始点云（c）重新构TIN后DTM（b）断面替换后点云图2构TIN生成DTM702023年第4期专业应用专业应用（1）分析工程实际地质情况，选择利用钻孔数据和地形数据进行初步岩性建模。（2）根据岩性建模结果和区域地质情况分区域进行三维层序划分，基于层序划分结果进行地层建模，再根据剖面数据（若有）、区域地质数据、物探数据等进行模型的修正和细化（见图3）。（3）得到最终成果模型后，对模型进行剖切，得到地质断面并存储为所需格式。在三维模型基础上，导入线位数据库，通过设置横纵断面里程、间距等参数，快速批量输出地质横、纵断面，交付各专业设计。（4）相对于传统的手绘二维断面，三维模型自动剖切断面存在部分差异。主要原因在于地质认识存在多解性，2个钻孔之间地质界线连接方法有多种。在钻孔之间的控制区域（见图4（a），建模软件自动处理为透镜体，由于2个钻孔之间无钻孔控制，地质人员通常不处理为透镜体，而采用拉通连接（见图4（b）。2.3轨道该BIM正向设计区间包含车站、桥梁、隧道等区段；区段轨道工程包含区间轨道、车站轨道、道岔等。对于轨道BIM正向设计，根据线下基础情况和铁路功能需求，创建正线轨道模型、有砟轨道及工区整体道床轨道模型9，生成轨道图纸、工程数量清单。（1）创建轨道构件。轨道构件包括钢轨、扣件、轨枕、连接件、道岔以及其他辅助设施等，间隔布置的轨道构件为三维构件，连续延伸的轨道构件为横断面模板构件。（2）引用构件库构件。该试验段正线轨道结构为CRTS双块式无砟轨道，跨越活动断裂带、大跨度特殊桥梁以及变形不易控制地段为有砟轨道。对于无砟轨道结构设计方案，基于不同的线下基础类型（如区间路基、道岔间路基、隧道、桥梁等），根据设计原则调用构件，设置道床、轨枕、排水、底座等参数，形成结构设计方案（见图5）。（3）轨道工点设计。首先，按照站场设计要求布置道岔，根据接收站场平面布置图，选择对应道岔型号构件，设置方向、线路、里程，将其布置到对应位置；其（a）导入平剖面地质界线（b）生成地层面（c）切割生成地质体图3层面剖切建模（a）钻孔之间控制区域（b）拉通连接后图4三维模型剖切的横断面图5轨道结构设计方案712023年第4期专业应用专业应用次，通过铺轨地段表和其他专业相关设计资料，按照线下基础类型、活动断裂位置、变形不易控制地段形成分段表，包括轨排名称、轨排长度、结构设计方案等。（4）轨道工点建模。有砟轨道模型基于ORD廊道建模方式创建；无砟轨道根据形成分段表进行自动布板计算，若无法得到合理方案，则进行人工调整，完成后进行批量建模（见图6）。（5）图纸输出及工程算量。基于轨道结构模型输出路基、隧道和桥梁地段轨道设计图，创建站线轨道平面布置图纸。其中，横断面图、配筋图需手动处理。同时，快速生成正线轨道铺轨、无砟轨道、道岔、无缝线路等主要工程数量；根据站线轨道模型结构属性，快速统计有砟轨道道床、整体道床的材料数量，以及各类轨道结构铺设长度等。BIM设计可直观、准确地表达轨道专业与线下基础等其他关联专业之间的相互关系，通过碰撞检测或接口检查，可有效减少或消除专业之间的差错漏碰10，并精确设计、布置无砟轨道排布的具体方案，实现传统设计中无法达到的精细度与深度。2.4路基试验段路基小里程接隧道，为填方工程，最大填方高度约13.6 m；大里程接桥梁，为挖方工程，最大挖方深度约30.0 m，总长约1 km，主要不良地质为砂土液化、季节性冻土。试验段BIM设计主要流程为：生成粗略模型根据地质补充工程措施11精细模型化设计生成二维图纸和工程量，具体如下：（1）参考试验段区间路基线路、测绘模型及地质参数，设置全局设计参数，创建初始化三维模型（见图7）。其中，全局设计参数根据工程地质情况及施工图设计原则设置，包括基床加固、路堤和路堑放坡、排水沟类型及尺寸等。（2）针对季节性冻土、砂土液化等不良地质，在初始化三维模型的基础上，根据施工图设计原则，通过参数化建模工具添加基床加固设计、增设纵向盲沟、护脚墙设计、碎石桩地基加固等工程措施。对于季节性冻土，主要采用增设纵向盲沟、路堤坡脚设置护脚墙等方式解决。以护脚墙设计为例，该工程措施主要解决路堤冻害问题，通过参数化建模工具设置护脚墙高 2.0 m、宽 0.8 m，基础埋置深度1.0 m，并保证基础底部在冻结深度线以下0.25 m，采用C45混凝土+0.90 kg/m3聚丙烯纤维浇筑（通过附加信息方式）（见图8）。对于砂土液化段落，通过采用碎石桩进行加固设计。结合设计原则，通过参数化建模工具设置碎石桩里程范围、宽度、桩径（0.5 m）、桩间距（1.3 m）、桩长（412 m）、布置方式（正三角形）等参数，生成图7初始化三维模型图8路堤坡脚设置护脚墙图6正线轨道工点模型722023年第4期专业应用专业应用碎石桩三维模型（见图9）。（3）进一步完善三维模型，包括添加边坡防护措施，对隧路、涵路、桥路、路堤路堑过渡段进行补充；根据站后专业需要，添加通信基站及牵引变电所场坪模型；梳理工程排水方向，保证排水通畅；根据低矮路堤防冻胀需要，增设桩板结构；根据深路堑防护需要，增设锚索桩间土钉墙及锚索框架梁、低预应力锚杆框架梁；根据桥台防护需要，添加路肩桩板墙（见图10）。（4）通过路基模型生成路基横断面、复合地基、路肩桩板墙、深路堑锚索桩间土钉墙等工点图，及相应的工程数量（见图11）。（a）操作窗口（b）模型图9碎石桩设计（a）完善后模型 （b）通信基站及牵引变电所场坪模型（c）路肩桩板墙模型 图10三维模型完善（a）路基横断面二维图纸（c）挡土墙工程数量表（b）深路堑锚索桩间土钉墙二维图纸（d）区间路基工程数量表图11生成二维图纸及工程数量表732023年第4期专业应用专业应用对于路基专业，采用BIM设计能够快捷生成工点图，节省绘图时间。相对于传统工程算量逐个输入各断面参数，BIM设计能够较快速地完成算量工作。区间路基左右侧场坪通常存在纵向放坡，在传统二维设计中，常需要依靠繁琐的纵向剖面进行补充设计，应用BIM技术可一键获得场坪放坡，直观查看放坡与相邻工程关系，从而判断是否进一步采用防护措施。目前，生成部分图纸未能全部满足施工图要求，仍需进行调整。对于锚索桩、锚索框架梁等工程措施还无法生成，需要通过“BIM+二维设计”方法解决。2.5桥梁桥梁专业BIM正向设计试点工程选择某特大桥，小里程端接路基，大里程端接某车站，全长1 597.79 m。全桥孔跨布置：2332 m+（32+48+32）m连续梁+2232 m，桥梁位于草地，整体较平缓，桥内通信、电力线路较多，跨国道，桥址内无居民房屋。（1）根据该段线路技术标准、线路数据、测绘数据、地质参数，选取墩台参考图、简支梁参考图、桩基参考图，创建桥梁BIM构件库。铁路常规桥梁通用图以数据形式保存于数据库，生成BIM模型和二维出图时，调用数据即可生成。采用数据库方式，可将三维模型与二维图形进行关联，为后续二、三维联动提供支撑（见图12）。（2）参考线路、地形BIM模型，加载桥梁构件库，输入桥梁里程，选择梁、墩、台和基础类型，按控制要求布置孔跨，生成初始化三维模型12（见图13）。该桥梁桥系受地形、既有道路控制设计，跨越既有国省道路，根据立交协议，采用（32+48+32）m连续梁跨越。（3）对桥梁结构进行设计计算，包括桥梁基础设计、沉降计算、墩身线刚度等内容，并深化桥梁主体BIM模型。以基础设计为例，对于试验段桥梁1#墩，根据设计原则初步拟定桩基布置形式（2排4行）、承台大小（6.7 m10.4 m）。利用BIM设计软件读取或输入承台外力及地质参数，考虑基层地质为W2千枚岩，选取了柱桩形式，通过桩基验算计算结果自动调整BIM模型桩长（15.5 m）、主筋钢筋数量（24根）及直径（20）。（4）在ORD下生成二维桥址平面图、总体布置图、主要工程数量表，完成设计输出（见图14）。应用BIM技术进行设计，可快速建立直观、形象的三维全桥信息模型，有利于工程设计人员更充分、更高效地进行沟通、讨论与决策，提升设计质量。通过参数化驱动的桥梁信息模型，高度适应桥梁设计过程中多个轮次校审造成的方案频繁变更，大幅提高设计效率。2.6隧道试验段隧道为单洞双线隧道，全长9 270 m，隧道进口接桥梁，为护桥式明洞门，出口接路基，采用双耳墙式明洞门，于线路右侧设1 409 m斜井1座。在隧道BIM正向设计中，通过接收线路、地质、测绘等专业提资，在ORD平台开展隧道洞口、洞身、施工组织等设计，形成全隧三维BIM模型及二维设计图纸，并通过Excel完成全隧工程数量计算。（1）设计准备。根据参考图，应用BIM设计工具，将隧道所需的正洞和辅助坑道洞身衬砌参数、附属洞室轮廓、支护钢筋参数等存入设计数据库。该隧道存在一些特殊衬砌，如护桥室明洞、单压式明洞、偏压式明洞，通过特殊衬砌设计方式，将手动绘制的衬砌轮廓作为模板存入数据库（见图15）。（a）简支梁（b）桥台图12桥梁构件图13初始化桥梁模型742023年第4期专业应用专业应用（2）洞口设计。按照“确定里程范围主体结构设计开挖与防护设计回填及防排水设计”流程进行设计。沿里程垂直剖切三维地形形成断面，研究断面洞顶与地面线的位置关系，确定进出口明暗分界里程（见图16）。根据地质纵断面和地质BIM 模型，以明洞衬砌基底结构线为参照，初判洞门结构位置和结构型式，协同相邻专业确定洞口里程、结构型式以及明洞衬砌范围。根据洞口的明洞结构形式以及地质情况，在BIM模型上研究确定洞口开挖、支挡、坡面防护（见图17）。（a）三维模型（c）总布置图（b）主要工程数量表 图14设计成果（a）洞顶与地面线位置关系1（b）洞顶与地面线位置关系2图16洞门及明暗分界里程图15模板入库（a）洞口开挖（b）支挡（c）坡面防护图17基于明洞结构形式及地质情况的BIM设计752023年第4期专业应用专业应用（3）洞身设计。洞身设计采用“施工图纸数据库集成三维设计”同步开展的模式进行。根据地质专业的围岩分段信息数据完成自动分段；综合考虑隧道深浅埋、不良地质、接触网锚段、线间距等信息，在ORD下通过交互方式完成衬砌详细分段；根据衬砌分段结果，开展自适应附属洞室布置，通过数据协同方式，自动避让分段位置，确保洞室与衬砌分段位置“0”碰撞；结合洞身及洞室设计数据，完成洞身模型和纵断面设计图（见图18）。该过程BIM设计结果与数据库实现同步，并结合标准断面库与衬砌分段生成隧道洞身BIM模型，实现“施工图纸数据库集成三维设计”的关联。（4）施组图设计。试验隧道采用大型机械化施工，首先按照设计原则配置不同工况下施工组织速度，根据洞身及辅助坑道 BIM 设计结果，按照进口施工3 500 m、斜井向小里程方向施工 3 277 m、出口施工2 508 m的方案进行施工（见图19）。在此施工组织下，可得隧道土建总工期为81.29个月。（5）工程数量计算。利用设计过程中产生的数据，一键导出满足隧道工程数量格式的表格（包括衬砌支护、附属洞室、工区信息等），快速完成洞身工程数量计算，无需设计人员重复填写设计数据，提高算量效率。应用 BIM 技术在三维模式下开展隧道洞门设计，避免人工基于测绘地质不连续断面分析的缺点（工作繁琐、精度低），洞口里程设置和洞口排水更合理，开挖轮廓获取精度高、速度快，缩短洞口设计时间。对于洞身BIM设计，通过数据协同方式调整衬砌段落更便捷，实现数据变、图纸即变。2.7站场试验段车站距离县城主城区约1.7 km，全部位于填方路基段，地表为草地。在站场BIM正向设计中，利用二次开发的铁路站场软件，以测绘、地质、线路专业信息模型为依据，结合路基、桥涵、隧道及站后相关专业信息模型，绘制车站平面图、纵断面图；依据站场设计原则输入各设计参数，并对车站边坡、排水等方案设计，生成车站模型；输出车站平面布置图、横断面图及主要工程数量表13-14。（1）设计准备。接入测绘、地质、线路专业的数据，站路分界资料及各类通用图等；对轨道类型、道岔选型、路基半宽、轨道中心高度等设计原则进行管理；核对地形模型的范围、线位区段等是否满足站场设计要求。（2）平面纵断面设计。结合经调行车专业前期对车站作业量的统计分析数据，利用BIM软件对车站股道进行平面设计，包括场坪、工区、站房布置、通货场道路、工区道路、改移道路、平交道、道岔、股道、各类导曲线等平面布置，按股道对平面要求进行复合，并赋值纵断面数据。（3）站场设备设施建模。在股道平面基础上，根据设计原则进行车站设备三维参数化设计，包括基床、站台、排水设施、边坡及防护、道路及场坪等。以基床设计为例，按照区间正线标准，基床表层及底层厚度分别为0.4、1.8 m，填方地段基床底层采用0.71 m厚弱冻涨AB组（冻结深度为1.11 m）+1.09 m厚A、B组填料，利用BIM设计软件输入各项基床参数（路基半宽、轨道上建厚度、基层厚度、分坡类型），可得站场基床模型（见图20）。（4）车站排水设计。通过测绘三维表面模型，直观地看出该站地势平坦，地形整体呈西北高、东南低走势，基于软件的排水设计工具快速设计车站内股道图18洞身设计图19施工组织设计762023年第4期专业应用专业应用间纵向排水槽、横向排水管、边沟、侧沟等排水措施，并就近引入涵洞内或场坪外（见图21）。（5）平面、横断面及工程数量的输出。根据站场设备和排水三维模型，快速生成车站的横断面、平面设计图，以及土石方、边坡防护数量（见图22）。站场BIM设计相比传统模式即平均距离法计算的数量统计，利用图层及模型导出工程数量更准确，效率更高。车站模型衍生于二维平面，但同时从三维的角度去优化二维设计，有利于优化设计方案。3 结束语各专业针对试验区间工程类型，以ORD为基础平台，先构件建立、初始化模型、精细化模型、出图、算量的BIM正向设计思路顺利开展了设计工作，实践证明BIM正向设计的方向完全可行、正确。（1）在三维环境下方便设计人员更充分、高效、全面地获取相关信息并进行决策，发现和解决二维设计经常不易发现的细节问题，能够提升设计质量和效率。（2）通过参数化方式快速驱动模型的变化，高度适应专业设计过程中多个轮次校审可能带来的设计方案频繁变更，大大提高了会审效率。（3）根据三维模型和设计参数快速地完成工程数量计算工作，且结果更加精准。（4）BIM设计能准确且可视化表达关联专业之间的相互关系，通过碰撞检测或者接口检查能有效减少或消除专业间接口的差错漏碰。在BIM设计过程中，对于90%有规律的铁路工程可通过二次开发穷举方式解决正向设计，对于其余不规则工程仅能使用软件基础功能开展设计建模，效率低下；同时，二维图纸仍然是目前法定交付物，多数专业通过三维模型进行剖切或者参数出图，所考虑的细节太多，出图成果无法满足交付要求；BIM的核心不仅仅是模型，还有数据，当前专业间主要通过模型交互实现协同，数据协同需（a）设计界面（b）模型图21排水设计图20基床模型建立（a）站场模型（c）工程数量（b）横断面图（d）平面设计图图22成果输出772023年第4期专业应用专业应用要进一步研究解决方案；对上游专业数据质量要求更高，如测绘专业不仅提供DLG和断面数据，还要适时提供三维地形、实景、点云，而这些数据的提交需要投入更多的人力、购买更多的设备。由于上述原因，大部分铁路设计院仅在某几个专业实现了突破，还未全面应用于生产，导致部分企业管理者对BIM技术提出了质疑。但铁路工程专业多、兼顾的细节繁杂，原生BIM软件的模型生成和出图无法直接满足设计要求，一方面，需要管理者坚定信心，稳定固定团队长期开展二次开发才可见效；另一方面，开发人员应转变思路，先以出图为目的进行开发，并实现数据协同，通过数据驱动各阶段BIM模型的生成，返回优化设计，只要能够帮助设计人员快速交图、提升生产效率，设计应用就会有相应的内生动力。参考文献1 郑毅，万冬君.建筑设计企业BIM技术应用研究 J.价值工程，2022，41（4）：158-160.2 齐成龙.铁路站前工程BIM正向设计技术 J.中国铁路，2022（7）：12-17.3 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Natural Resources Ministry,Chengdu Sichuan 610100,China)Abstract:Under the guidance of industry policies and digital information technology,railway design enterprises have carried out a large number of R&D work on BIM forward design software to fully apply BIM technology in design and production.Taking the 15.477 km sectional railway engineering as a pilot project and OpenRail Desinger as the basic platform,BIM forward design and application research are carried out for each civil works discipline;this paper uses ProjectWise to realize professional collaboration,and generates BIM models,construction drawings,quantities and other results of various disciplines through model initialization,refinement,drawing,calculation and other methods.Practice has proved that BIM forward design can improve the quality and efficiency of construction drawing design,and the direction is completely feasible and correct.Keywords:railway engineering;BIM;forward design;civil works;section;OpenRail Desinger78