軌道BIM正向設計軟件研發與應用

劉大園 龐 玲 姚 力 劉呈斌

（中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031）

BIM技術是一個系統性技術體系，不僅包含項目模型本身和建模過程，還包含各參與方協同作業、信息交換和信息共享的服務項目全生命周期的管理技術和一切與之相關聯的信息。BIM技術可運用到各行各業中，為項目的全生命周期服務。

近年來，鐵路行業依托鐵路個別工點和典型項目相繼開展了一系列從設計到施工的BIM技術應用，主要包括：滬昆高速鐵路全線最大跨度的橋梁北盤江特大橋在設計建設過程中利用BIM技術構建了全橋施工圖階段精細模型，結合地形、地質模型進行了接口檢查、工程數量計算、制造數據協同、施工組織可視化設計等［1-3］；京張高速鐵路成立了BIM項目組，開展了三站三隧BIM參數化設計應用和BIM與GIS融合三維可視化管控應用，實現了基于BIM技術的大數據綜合分析和展示等［4-5］；寶蘭客運專線石鼓山隧道、西成客運專線江油北站、海西鐵路東方站、京沈客運專線、陽大鐵路、連鎮鐵路等鐵路BIM技術也由工點到成段落的逐步深入應用，取得了豐富的應用成果［6-7］。

針對軌道工程專業的BIM設計，目前Bentley平臺的OpenRail Designer、Autodesk平臺的Civil3D以及Dassault平臺的3DExperience均提供部分功能支撐，比如鐵路平縱斷面設計、軌道超高計算、鐵路軌枕布置和鋼軌放置等。然而，以上平臺都缺少對中國鐵路軌道設計的基本類型、標準和場景的支持，特別是缺少對當前主流的無砟軌道設計標準的支持。因此，上述平臺無法滿足我國鐵路軌道方案設計和詳細設計需求，無法用于實際項目設計。

針對鐵路軌道專業的BIM應用現狀和設計需求，本文依托實際試點進行了鐵路軌道BIM正向設計軟件研發和應用，研發了基于中國標準的構件設計器、超高計算、無砟軌道布板計算、軌道鋪設地段自動劃分、三維模型自動生成和工程數量統計等算法，將軌道設計中的主要工作業務難點和低附加值的重復勞動等解決方案集成到軟件中進行計算。該軟件系統力圖解決適用于我國鐵路標準的軌道BIM設計軟件缺乏的問題，并通過軟件的應用提高設計人員的工作效率。

1 軟件框架

1.1 研發模式選擇

目前研發BIM三維模型設計軟件的模式主要有3種，分別為完全獨立研發三維設計軟件、基于成熟商業圖形核心的獨立三維設計軟件和基于成熟商業平臺的二次開發軟件。第一種模式需研發全新的圖形核心以及三維設計軟件，無需購買任何基礎圖形模塊，但所需研發周期太長；第二種模式需購買成熟的商業圖形核心，在此基礎上進行所有三維設計和專業功能模塊的研發，同樣需要較長的研發周期；第三種模式需要購買成熟的具有部分專業基礎模塊的商業軟件平臺，僅在此基礎上進行專業需求的特殊功能研發即可，開發周期最短。根據當前的設計實際需求以及既有商業軟件的使用情況，本文采取了第三種模式，即快速開發基于成熟商業平臺的軌道BIM設計軟件，并在適當的時候研發獨立的圖形核心進行替換，最終實現完全自主知識產權的專業BIM軟件的開發。

1.2 軟件框架設計

對比Autodesk、Dassault和Bentley三大主要商業平臺的應用能力，發現Bentley平臺對鐵路工程的支持較為系統和完善。功能方面，Bentley平臺從測繪、地質、路線、土建結構以及設備等方面均有不同程度的基礎圖形平臺，較符合鐵路工程設計工作內容需求；性能方面，Bentley平臺具有較好的大數據處理和圖形顯示能力，能較好滿足鐵路工程大體量模型承載需求。因此，軌道BIM正向設計軟件以Bentley Open Rail Designer（簡稱“ORD”）平臺技術為基礎，采用C#.NET技術，搭建專業功能模塊框架，實現軌道BIM的全流程設計，如圖1所示。

圖1 軌道BIM正向設計軟件框架圖

1.2.1 主要模塊

軌道BIM正向設計軟件框架包含資源庫、管理、接口、軌道設計以及專業核心庫等主要模塊。

（1）資源庫模塊用于提供可共享和復用的軌道構件庫和規范庫，為軌道BIM設計提供基礎支持。構件庫可對BIM標準中所覆蓋的所有類型的軌道構件進行管理，規范庫則對軌道設計所需要的規范進行管理。

（2）管理模塊包括項目管理、線路管理、工點管理等功能，主要提供軌道實際設計過程中的項目信息和線路技術標準等進行管理。

（3）接口模塊包括用戶界面與接口數據協同。用戶界面以ORD平臺界面為基礎進行擴展以滿足交互設計要求，接口數據協同提供各種接口數據的協同能力。

（4）軌道設計模塊包括軌道方案設計、工點自動設計、工點模型生成、成果輸出以及相關的輔助設計功能，實現軌道BIM設計的參數化和自動化。

（5）專業核心庫模塊包含BIM動態庫和專業算法庫，提供線路BIM模型操作、軟件通訊、三維通用變換、模型信息附加、ORD軟件流程控制和軌道設計專業算法等基礎功能。軟件框架中包含的主要算法有曲線軌道超高分析算法、無砟軌道布板算法、工程數量統計算法等。

曲線軌道超高分析算法中內置了線路參數自動讀取、超高值自動計算和判別模塊，軟件將超高判別的欠超高、過超高和順坡率的標準數據化并集成到軟件中，設計人員直接根據線路標準選擇相應的判別標準即可進行超高值計算。軟件根據設計人員選擇的判斷條件優先順序直接分析得出最優的超高設計值并輸出設計報告，解決了人為判斷和人工操作可能出現的誤差，同時較傳統設計方式顯著提高了效率。

無砟軌道布板算法中，軟件采用了基于非線性整數規劃的優化算法。目前已有市場布板軟件一般采用了暴力算法和貪婪算法來進行無砟軌道布板。暴力算法是遍歷所有的可行布板方案然后確定合適的方案，時間復雜度高，若當配板長度較大時消耗的時間和內存較多；貪婪算法是分階段進行最優化選擇，先通過每一步貪婪選擇得到某個子問題最優解，最終得到問題的整體最優解，其時間復雜度優于暴力算法；然而，貪婪策略的選擇需要適合待解問題，否則可能在某些條件下無法得到最優解。本文建立了不同軌道板配置的數學模型并采用分支定界法計算非線性整數規劃問題最優解，取得了良好的效果。

工程數量統計算法中，軟件基于軌道信息模型數據進行了算法分析和優化，進一步提高了計算效率。通常情況下，基于創建的軌道工點模型來提取和統計工程數量是最精確的方式，但是由于模型的創建過程需要消耗巨大的計算機資源，特別是線路規模較大時模型的創建過程比較緩慢。如果等到模型創建完成再進行工程數量的統計，其效率優勢并不明顯。因此，本軟件采用通過讀取設計參數和信息并進行適當簡化的方法計算軌道工程的數量，可在模型生成之前計算得到精度滿足工程設計要求的工程數量清單，解決了效率與精度平衡的問題，符合實際生產需求。

1.2.2 基礎技術

基礎技術主要包含ORD基礎平臺、dotNet框架和第三方庫。ORD基礎平臺提供Dgn文件操作、三維基礎模型建立、信息附加與軟件運行框架等；dotNet框架提供文件讀寫、Windows窗體、基礎算法、數據結構、基類等軟件運行公共基礎庫。

1.3 軟件業務流程

由于軌道工程基本由標準件構成，軌道BIM設計軟件的基本業務流程設定為：創建軌道構件庫和軌道規范庫，采用積木法創建軌道結構三維設計方案，然后基于軌道結構方案和線路條件創建線上軌道工點設計方案并自動生成軌道工點模型，最后基于軌道BIM模型進行軌道設計應用。軟件應用流程如圖2所示。

圖2 軌道BIM設計軟件整體應用流程圖

2 軟件主要功能

根據前述分析，軌道BIM正向設計軟件的功能可分成項目管理、專業接口、軌道設計、成果輸出、設計輔助和資源庫6大功能模塊。

2.1 資源庫

資源庫包含構件庫和規范庫。資源庫具備可擴展、共享和復用的功能；規范庫的作用是：當設計人員在進行軌道方案參數化設計時，選定特定參數后，軟件將自動檢索規范庫中的參數，將與當前設置參數相關的可用標準參數顯示出來供設計人員參考或者選用，以達到指導設計的目的；構件庫用于軌道構件的管理，可以設置構件庫的位置，讀取構件庫文件并以列表的形式顯示構件列表，可對選定的構件進行修改和屬性設定等操作。軌道構件庫管理器如圖3所示。

圖3 軌道構件庫管理器功能界面圖圖

2.2 軌道三維方案設計

軌道三維方案完全采用參數化的方式進行設計，如圖4所示。參數化的方式可供設計人員采用搭積木的方式創建和管理軌道設計方案，設計人員可以通過選取構件庫中的鋼軌、扣件、軌枕、道床等基本軌道構件，直接創建三維軌道設計方案，同時可以任意調整方案尺寸和材質等參數。

圖4 軌道方案管理器功能界面圖

2.3 軌道工點設計

軌道工點設計根據線路條件、線下基礎分布和軌道特殊結構分布自動計算軌道鋪設地段表，將軌道鋪設地段映射到實際的三維線路空間，自動為每個鋪軌地段關聯軌道設計方案。在此基礎上，軟件進行無砟軌道排布計算并自動創建軌道工點模型，軌道工點及軌道排布計算如圖5所示，創建的軌道模型如圖6所示。

圖5 軌道工點管理器圖

圖6 軌道模型示意圖

若按照傳統方法（采用成熟的商業BIM設計平臺的通用功能）進行軌道專業BIM設計，需要按照線路敷設條件和曲線超高方案人工建模，250 km線路軌道BIM模型設計至少需要50天／人次。若采用本軟件建模，在接口數據齊全的情況下，約一天時間即可完成，但前提是將模型創建任務同時分派到多個電腦終端進行同步建模，因為模型的創建過程將消耗大量的計算機資源，這是目前軌道BIM設計過程中存在的客觀問題。

2.4 成果輸出

成果輸出主要包含工程數量統計和二維圖紙提取。設計人員可根據項目建設需求設置標段，隨后基于創建的軌道模型按標段精確地統計軌道工程數量，如圖7所示。在軌道方案管理器中，可基于參數化的軌道三維設計方案自動提取軌道二維設計圖紙，如圖8所示。經測算，工程數量計算時間小于100 s／100 km，出圖時間小于30 s／冊，工程數量統計和出圖效率較傳統方法有顯著提高。

圖7 標段管理器界面圖

圖8 軌道二維圖紙生成參數設置圖

3 軟件應用

為驗證軟件及其流程的正確性，在寧淮城際鐵路和魯南高速鐵路進行了CRTS雙塊式無砟軌道和有砟軌道BIM設計應用，在成渝中線高速鐵路進行了CRTSⅢ型板式無砟軌道BIM設計應用。

應用效果表明，基于軌道BIM專用設計軟件快速創建了軌道結構模型，并遵照鐵路BIM相關規范進行了結構分解、構件編碼和信息附加，形成了完整的包含三維幾何模型和非幾何信息的BIM模型。此外，基于BIM模型還進行了接口檢查、軌道數量統計、圖紙輸出和施工數據提取等應用，驗證了軌道BIM正向設計軟件正確性和高效性，為鐵路軌道BIM設計積累了實戰的經驗。

3.1 接口檢查

將軌道工點模型與線下基礎模型進行合模之后可以檢查軌道與線下基礎之間的接口是否產生沖突或者不匹配的問題。接口檢查主要內容包含軌道板布設與橋梁梁縫是否匹配、車站道岔區無砟軌道底座與路基面層標高檢查、無砟軌道與隧道之間的變形縫和標高檢查、鋼軌伸縮調節器安裝位置合理性檢查和車站咽喉區道岔間軌道板配置方案檢查等。經過檢查發現多處接口沖突，并根據檢查結果進行了優化設計，減少了后續施工階段可能會出現的變更設計，提高了設計質量和精度。

3.2 無砟軌道智能排布設計

采用軌道BIM設計軟件進行了路基、隧道、橋梁地段無砟軌道軌道排布設計，如圖9所示。對實踐項目中主要橋梁梁型進行軌道排布設計，主要包括24 m簡支梁、32 m 簡 支梁、（28 + 48 + 28） m 連 續梁、（60 +112 + 60） m 連 續梁 、（68 + 128 + 68） m 連 續梁 、（36 +64 + 36） m連續梁和（48 + 80 + 48） m連續梁等。同時，對任意長度的路基、隧道和特殊橋梁上的無砟軌道排布進行了自動化和智能化設計。無砟軌道的排布設計基于優化的軌道板排布算法進行自動布置，該優化算法遵循標準軌道板優先布置的原則，最大程度減少非標準板和非標準扣件間距的使用。此外，無砟軌道的排布設計完全基于線路三維空間線形進行設計?；谲壍繠IM設計軟件的無砟軌道排布智能設計不僅提高了無砟軌道設計的效率，而且提高了設計的精度和合理性。

圖9 CRTSⅢ型板式無砟軌道排布設計方案圖

3.3 工程數量統計

基于創建的軌道BIM模型，按標段劃分統計軌道工程數量。軌道工程數量主要包含軌道鋪設長度、軌道道床結構數量以及附屬設施等。軌道鋪設長度完全依據模型創建的三維空間線形長度進行統計，提高了軌道鋪設長度計算精度。軌道道床結構數量依據實際工點三維模型作為數據源進行統計，由于模型創建考慮了曲線超高和實際三維空間鋪設長度，其統計精度大幅提高如圖10所示?；谲壍滥Ｐ瓦M行工程數量計算，在計算精度和效率方面均得到提升。

圖10 基于BIM模型統計軌道工程數量圖

3.4 二維圖紙輸出

目前，二維施工圖紙仍舊是當前鐵路建設的重要依據。因此，基于BIM模型輸出二維施工圖紙是BIM設計應用的關鍵要求之一。依據創建的參數化軌道設計方案和模型，通過讀取模型設計參數，直接生成標準的無砟軌道二維施工圖紙（如圖11所示）。其次，對道岔、鋼軌伸縮調節器等特殊的參數化構件進行了無砟軌道三維配筋設計，依據創建的詳細三維參數化構件，直接生成相應的二維施工圖紙。此外，根據三維模型創建了特殊軌道結構的三維可視化軸測視圖圖紙，將其補充到現有二維施工圖紙中，豐富了傳統二維施工圖紙內容，更加利于施工階段施工人員進行識圖和理解。

圖11 基于BIM模型輸出二維圖

3.5 施工數據自動提取

基于創建的軌道BIM模型，根據中國鐵路BIM聯盟相關標準要求，按照EBS、IFD標準對模型進行了分解、編碼和信息附加。根據軌道工程無砟軌道施工需求附加相應定位信息并通過軟件進行了施工數據自動提取。在項目應用中通過軟件自動提取了無砟軌道道床板定位關鍵控制角點、底座施工模板安裝關鍵點的三維坐標信息以及相應的里程和編碼信息，供下游施工階段鋪軌和鋪設無砟軌道道床結構使用，避免施工階段因人為計算誤差或錯誤造成無砟軌道底座和道床板施工偏差問題。

4 結束語

本文依托研發的軌道BIM正向設計軟件，在多個項目軌道設計中進行了全流程的BIM設計應用，解決了傳統設計中的數據傳遞障礙、設計效率和設計可視化等問題，設計計算效率和三維模型繪制效率提高至少50倍。需注意的是，計算效率的提高需要強大的計算機資源的支撐，若采用一般設計電腦恐無法達到上述設計效率。然而，前述應用效果表明軌道BIM正向設計流程和場景是正確的，軌道BIM正向設計軟件功能滿足當前鐵路軌道工程BIM設計的各項需求，其準確性、高效性和合規性等得到了實踐的驗證。后續研究將加強實踐和積累經驗進一步優化專業軟件，使之與硬件水平和設計習慣更加匹配，提高BIM技術在鐵路軌道工程的應用深度和廣度，為鐵路工程新基建和數字化建設提供服務。