基于BIM的铁路轨道三维数字化设计系统研究

BIM+ 铁路轨道

 
      铁路设计是一项系统性工程，需要线路、路基、桥梁 、隧道、轨道、车辆、通信、信号等多个站前、站后专业协调合作。   轨道引导列车运行，直接承受来自列车的荷载，并将其分布传至路基或桥隧结构物。   轨道作为高速铁路核心技术之一，具有设计施工精度高、专业接口多、受基础结构影响大等特点。   利用BIM技术可有效地减少建造过程中易出现的专业间信息沟通不及时、变更导致重复设计等问题。     
   

铁路轨道BIM技术

 
      BIM技术在武襄十铁路、沪通铁路、福厦铁路等多项试点项目轨道工程中的应用表明，利用Autodesk平台Inventor、Revit以及Bentley平台的PowerCivil、OpenRail Designer-4、Dassult平台的Catia等不同的商业软件均能够实现路基、桥梁、隧道不同基础结构下的有砟轨道、无砟轨道BIM模型的构建，满足各专业模型的协同可视化。

但仍存在一些问题难以解决，如手动翻模耗时长、无法实现参数化建模、类似但不同的模型需要重复构建、轨道沿线路的拼装采用手动方式定位等，不仅效率低，且难以满足轨道高精度需求。因此利用商业软件图形处理引擎，面向专业进一步开展BIM设计系统的研究是必不可少的。虽然Bentley平台参数化较弱、专业模块不够深入，但考虑平台运行效率髙、具备较高的精度、基础的图形功能、线路的工程概念、线路平纵断面曲线要素的处理功能以及处理长条型线状构造物的能力强等特点.

本文结合Bentley平台下基础图形软件Microstation(MS)、铁路工程的专业设计软件OpenRail Designer(OR)以及轨道工程特点，开展基于BIM的铁路轨道三维数字化设计系统研究。

铁路轨道三维数字化设计系统总体结构

总体设计

铁路轨道三维数字化设计系统以商业软件为三维图形引擎，结合轨道构件库，以数据模型为核心，形成基于数据驱动的轨道三维数字化设计，主要包含构建构件库、轨道数据模型与三维数字化模型三部分，数据模型与三维数字化模型相辅相成，构成轨道信息模型，即BIM模型，其中数据模型的创建不依赖于现有的商业软件，避免形成不同BIM商业软件之间的孤岛及减少软件更新的影响。系统设置构架如图1所示。

图1 轨道三维数字化设计系统架构

功能设计

铁路轨道三维数字化设计系统主要面向设计阶段，解决专业间信息孤岛，提高专业间协调沟通，减少变更，能够快速生成设计成果文件，为路基、桥梁、隧道各专业以及施工、运维各阶段的协同奠定基础，系统实现的具体功能主要包含以下方面：

一是，轨道工程全生命周期中各阶段数据接口、轨道与相关专业之间的数据接口的标准化处理。为了实现专业间与阶段间的协同设计，避免各专业各阶段因使用平台或软件不同造成的信息重复输入、模型重构，以及避免信息与模型在传递时发生丢失与出错，对工程数据库进行标准化处理，尤其是输入数据与输出数据。

二是，轨道工程构件库的创建和管理。轨道结构由钢轨、扣件、轨枕、轨道板、道床板、自密实混凝土层、道岔、道砟层、轨道加强设备、轨道附属设备等构件组成，部件产品类型多，为了避免信息与模型在设计过程乃至全生命周期中重复操作，集成轨道零构件三维模型与信息属性，创建零构件信息模型，形成轨道构件库。统一创建构件模型的标准格式，如构件分类、命名、材质标准、建模精度等；进行参数化模块开发，实现同类型但不同尺寸模型的构建，如轨道板、底座等；实现构件模型的统一管理，便于各阶段对构件的复用。

三是，轨道工程设计数据模型的创建和管理。轨道工程设置在路基、桥梁、隧道等结构物上，并需要与通信、信号等专业对接，为了避免商业平台与软件的更新与更换造成的信息丢失，以及线路、桥梁等相关专业信息的变更导致轨道工程的重复建模，创建轨道工程设计数据模型。设计数据模型的创建需充分考虑相关专业与轨道工程之间的关联和映射规则，以实现根据相关工程接口数据与轨道参数，形成轨道工程设计数据模型，为轨道BIM模型的创建提供依据。

四是，轨道三维数字化模型的创建。结合零构件模型与轨道工程设计数据模型，通过设置构件与数据之间的映射关系，实现根据数据自动生成沿线轨道三维数字化模型，并能够根据相关专业信息的变更实现模型的更新。

五是，信息模型管理。实现对轨道BIM设计过程中涉及的相关专业接口数据、轨道设计信息、轨道数据模型、构件库等信息模型的管理。

六是，形成轨道工程专业模块。采用人机交互的方式,通过系统界面完成轨道零构件创建、数据模型生成、三维数字化模型布置等轨道BIM设计所需的操作；具备明确的轨道信息、相关专业接口信息的输入与成果输出操作窗口，以方便操作并提高效率。

七是，成果输出与应用。生成构件库、数据模型、轨道数字化三维模型，并进行成果应用分析。面向功能主要开发项目管理、项目信息、工程信息、轨道结构设计、轨道数据模型、轨道BIM模型、构件库管理以及辅助设计等模块，如图2所示。

图2 轨道三维数字化设计系统模块组成

铁路轨道三维数字化设计实现方法

铁路轨道零构件和构件库的构建

（1）轨道零构件模型分类与编码

轨道构件的分类与编码参照已发布的分解及编码标准执行，主要参照中国铁路BIM联盟颁布的《铁路工程实体结构分解指南》与《铁路工程信息模型分类和编码标准》。将轨道划分为钢轨、扣件、轨枕、轨道板、道床板、自密实混凝土层、道岔、道砟层、轨道加强设备、轨道附属设备等，并进行编码，轨道构件划分如图3所示。

图3 轨道零构件模型分类

除考虑标准中的分类编码外，在编码中附加部分尺寸属性，钢轨构件中添加长度，如100m 长60轨编码为“XXX_60_100”；有砟道床添加道床宽度、高度、线间距信息，如路基地段单线轨道编码为“ XXX_3500_766_0 ”；无砟道床自密实混凝土层添加长度、宽度、厚度信息，如“XXX_5600_2500—90 ”；固定尺寸如扣件、承轨台等编码中不添加属性信息。

通过编码实现模型与信息的连接，经电子系统对信息的一次输入，实现各参与方在各个阶段中对信息的获取，如轨枕包含三维几何信息、型号、材质、物理属性信息、制造厂商、价格等信息，以支持全过程中信息查询。

（2）轨道零构件模型的创建

采用结合MS软件与OR软件二次开发的方式实现轨道构件模型的创建。根据轨道工程特点，将轨道BIM设计中需求的零构件模型划分为两种：一种为固定几何尺寸模型，每一种产品与型号对应固定的几何尺寸属性，且模型复杂，如道岔、扣件等；另一种为参数化模型，如轨道板、道床板、自密实混凝土层、底座、有砟道床等道床部分模型，尺寸随着线路、路基、桥梁、隧道等相关专业接口数据发生变化，尤其是异型轨道板。

固定几何尺寸模型直接通过MS软件三维功能进行创建，坐标原点设置为模型顶面中心点，如扣件设置在垫板中心、轨枕设置在中部顶面中心，并附加属性信息，如图4所示。

图4 轨枕模型与信息

参数化构件模型的创建主要通过构件库、轨道结构组成、轨道板、自密实混凝土层、底座、组合模型六个子模块实现。首先创建构件库，确定存储格式、路径等，用于组合模型的创建以及轨道BIM设计中对零构件模型的调用；其次通过界面输入轨道结构组成信息，为创建轨道板、自密实混凝土层、底座、组合模型提供数据支撑；根据输入的尺寸信息自动创建模型并更新模型信息及编码，调用承轨台模型实现轨道板模型的快速创建及信息更新；最后输入组合模型的信息，通过调用构件模型，实现组合模型的自动创建。

铁路轨道设计数据模型

数据模型以轨道设计数据为核心，通过线路、桥梁、隧道等相关接口专业信息分析线路平面参数、纵断面参数、断链参数、基础结构段落分段等进行轨道超高设计、配板设计等，进而计算轨道布置所需的里程、钢轨、扣件、承轨台等控制点相对坐标与绝对坐标值、坡度、超高等信息，形成轨道数据模型，为轨道BIM模型的创建提供依据。

（1）工程信息

通过工程信息的三个子模块（断链信息、平纵断面信息、分段表信息）实现相关专业数据的标准化处理与分析。

断链信息：通过导入项目断链信息，实现实际里程与连续里程的转换。

平面参数：根据起点经纬距、曲线半径、缓和曲线要素分别计算直线起点、前缓和曲线起点（直缓点）、前缓和曲线终点 (缓圆点）、圆曲线终点（圆缓点）、后缓和曲线终点 (缓直点）对应的里程、经纬距等，计算直线要素（直线斜角等）、曲线要素（切线长，曲线偏角，缓和曲线C、m、p 等参数），实现轨道结构沿线路布置的平面定位。

纵断面参数：根据起点高程、坡度、曲线半径分别计算直线起点、曲线起点对应的里程、高程等，计算竖曲线转交、曲线圆心的坐标等，实现轨道结构沿线路布置的纵断面定位。

分段表：根据桥梁、隧道布置信息，实现针对不同线下基础结构的轨道段分类，为配板设计、轨道结构设计提供基础数据支撑。

（2）数据模型

结合工程信息开展轨道结构设计、超高设计、配板设计，实现全线轨道数据模型的创建。如图5所示。

图5 数据模型模块

超高信息：根据行车、线路信息，计算轨道超高设计及沿线路各构件及关键点（直缓点、缓圆点、变坡点等）对应的超高值。

配板：根据线下基础结构信息进行配板设计，同时分析沿线每块轨道板的里程、轨道板基础参数等。

轨道坐标计算：根据平面参数、纵断面参数、路桥隧结构布置，判断每块轨道板起点里程所在的平面位置（直线段、曲线段或缓和曲线段）、纵断面位置（直线段、曲线段）及基础结构，生成标准化的数据模型，包含轨道板起点位置对应的经纬距、方位角、坡度、超高和轨道板、底座扣件螺栓孔各边角点经纬距等信息。其中坐标与方向严格执行构件标准，如单块轨道板的平面以板的起点为坐标原点，沿线路纵向为F轴，与之垂直的为X 轴。竖向以板的顶面为Z轴的坐标原点。

轨道三维数字化模型

结合轨道构件库，根据轨道设计数据模型，以数据驱动的方式，通过构件模型的命名、编码、构件之间的逻辑关系实现钢轨、轨道板、自密实混凝土层等轨道模型沿线路的一键布置，如图6所示。数据模型和三维数字化模型可根据相关专业变更、施工误差的影响等实时动态化更新。

图6 轨道三维数字化模型

总结

结合BIM技术特点和铁路轨道工程的特点，以商业软件作为基础三维图形引擎，以数据模型为核心，形成了铁路轨道三维数字化设计系统。根据铁路BIM 联盟发布的标准实现构件库的分类与编码，实现了轨道板、自密实混凝土层、底座等零构件模型的参数化创建；以数据驱动的方式实现了专业间的协同，打通了专业间的信息孤岛，实现了根据线路、路基、桥梁、隧道等接口数据的轨道BIM设计，快速生成了设计数据模型与三维数字化模型，大幅度提高了轨道BIM设计效率及精度。

系统基于BIM技术实现了铁路轨道三维数字化设计，但仍需在系统成果的基础上，以协同为核心，深入研究专业之间的协同设计以及三维数字化模型、设计数据模型在全生命周期的运用。