刘彦明，朱肖，崔鸣

（1.轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），陕西 西安 710043；2.中国铁建BIM工程实验室（中铁一院），陕西 西安 710043）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等五大特点，基于BIM技术可实现项目的全生命周期管理［1］。近年来，BIM技术在铁路行业发展迅速，对BIM正向设计的研究探索也越来越多。杨海涛等［2］提出一种BIM正向设计出图方案，通过中间数据文件，在CAD软件下对由三维模型信息转换而来的二维图形信息进行处理，形成施工图；马润平等［3］依托沪通长江大桥项目进行BIM正向设计应用，在无图纸情况下，由设计人员按照设计理念直接建立BIM模型，并生成可交付的施工图；刘沛［4］以三维设计为核心，对Bentley OpenRail Designer软件进行二次开发，设计并建立铁路站场场坪高精度BIM模型，推动了铁路站场场坪的数字化三维正向设计。

以上文献虽对BIM正向设计表述不同，但均认为正向设计是基于三维信息模型创建二维设计图纸的过程模式。该模式难以保证二、三维表达的一致性、完整性，导致项目设计、施工、运维过程中的信息流通不畅，难以满足日益精细化的建造管理需求［5-7］。为了解决铁路BIM技术发展困境，依托某重大铁路桥涵工程开展BIM正向设计实践，规范了三维环境中桥涵设计上游专业接口，并通过以数据为核心的二、三维同源的设计路线，有效提高了铁路桥涵项目的设计效率和质量。

1 实施目标和平台选择

某特大桥为双线无砟轨道桥梁，线间距4.40 m，孔跨布置为：24-32 m简支梁，桥长798.10 m，海拔4 300～4 400 m，桥址区域地势平坦。该桥涵采用矩形实体桥台、圆端形实体桥墩、钻孔灌注桩基础，桩径为100 cm。某涵洞中心里程：DK922+460.00，为1-6 m框架箱涵，为排水兼牦牛通道而设，净高5.3 m，正交设计，全长21.10 m。以该桥涵为例，对铁路开展正向设计的技术路线、实施过程、成果总结进行具体说明。

1.1 实施目标

利用测绘、线路、地质等上游专业的基础数据，开展基于BIM技术的桥涵专业正向设计，探索建立适合铁路站前工程正向设计的新模式。

1.2 平台选择

Bentley软件二、三维表达基于统一的dgn格式，共享效率高，不仅有良好的操作性和开放性，提供丰富的应用程序编程接口，而且对铁路长大带状模型具有较强的承载能力，便于二次开发解决模型创建和应用过程中的难点［8-10］，因此选择Bentley MicroStation作为铁路桥涵正向设计程序开发的基础平台。

2 设计提资

在桥涵BIM正向设计中，为满足上游专业所需的文件数据需要，以及三维环境中的接口需要，分专业提出以下具体要求：

（1）测绘专业。

①地形BIM文件必须采用Bentley CE版本系列软件支持的dgn格式。

②地形数据采用规定的空间坐标系统，位置准确。

③地形数据精度不得低于传统dwg工点平面图的精度。

（2）线路专业。

①线路BIM文件必须采用Bentley CE版本系列软件支持的dgn格式。

②线路数据采用规定的空间坐标系统，满足空间定位（里程、高程）需求。

③包含线路空间线条、图形元素。

④提供mdb格式线路数据库文件，包含平、纵曲线要素信息，线路控制交点序号，每个交点的平面坐标N、E。

（3）地质专业。

①地质BIM文件必须采用Bentley CE版本系列软件支持的dgn格式。

②地质数据采用规定的空间坐标系统，位置准确。

③属性中必须包含设计所需的关键信息：岩土名称、密实程度、土石等级、基本承载力等，关键信息必须与所属土层体匹配。

3 桥梁BIM正向设计

桥梁BIM正向设计流程：

（1）输入桥梁总体设计信息。采用交互的方式输入桥梁设计参数，如项目参数（荷载标准、梁部参考图、墩台参考图、基础参考图）、工点参数（桥梁中心里程、孔跨布置、基础形式、地震参数）等（见图1）。

图1 桥梁总体信息输入界面

（2）线路数据输入。读取mdb格式线路数据库文件，自动导入线路平、纵断面设计信息。

（3）在平台中参考引入地形、地质BIM模型文件。

（4）初步生成桥梁BIM模型。根据输入数据，计算桥梁曲线布置、轨面高程等；根据地形模型、线路纵坡、承台埋深等，自动初步拟定桥墩高度，生成桥梁BIM模型（见图2），并参考线路BIM线条进行核对。

图2 桥梁BIM模型

（5）调整模型。结合桥梁BIM模型和地形模型，核查孔跨布置、墩高（承台埋深）等，提供承台与地面360°方向相互关系功能，设计人员可手动调整墩高、承台位置等参数；根据调整后参数，重新生成桥梁BIM模型。

（6）地质参数自动获取。根据地质BIM模型及桥梁相关参数，自动获取墩台位置处地层物理力学参数，作为桥梁下部结构设计参数（见图3）。

图3 获取地质参数

（7）下部结构检算。根据提取的土层参数、结构外部荷载、基础布置形式，通过桥梁辅助设计系统不断迭代进行下部结构检算，直至计算结果全部满足规范要求；计算结果以交互方式呈现，若设计人员对计算结果不满意，可调整设计参数，根据调整后的参数，由程序重新执行下部结构检算；根据最终计算结果，重新生成桥梁BIM模型。

（8）吊篮模型。根据顶帽托盘参数，输入吊篮相关设计数据，参数化生成三维模型并准确定位（见图4）。

图4 吊篮模型

（9）钢筋模型。根据项目参考图，确定结构配筋方式；统一钢筋数据，生成钢筋模型（见图5）。

图5 钢筋模型

（10）空心墩检查设施。通过设定空心墩内检查设施参数（检查平台间距；墩底距平台的最小距离；检查平台、墩内检查梯、墩顶进出梁部爬梯的细部构件尺寸），能够快速生成空心墩内检查设施及预埋件的BIM模型（见图6），验证预留孔洞和预埋件的完整性、合理性，指导现场施工，规避工期延误风险和质量隐患。

图6 空心墩预埋件模型

（11）刷方设计。基于地形模型进行桥墩基础的地形开挖、桥台的刷方设计（见图7），并生成CAD平面刷方图，准确统计挖方、刷方工程量。

图7 刷方设计

（12）出图。依托自主开发完成的桥梁辅助BIM设计系统，直接调取中心数据库，完成二维全桥总布置图创建（见图8）。通过二、三维设计数据同源，实现三维模型与二维设计图纸关联，保证二、三维表达方式的一致性和准确性。同时，可根据《铁路工程设计信息表达标准》和设计相关要求，将BIM全桥模型生成常规二维剖面图［11］，并将其放置于标准的图框中。

图8 二维全桥总布置图

（13）工程量统计。对于有BIM实体模型构件，直接从BIM模型提取工程数量［12-13］；对于没有BIM实体模型构件的，可依托桥梁辅助BIM设计系统，从中心数据库提取工程数量。

4 涵洞BIM正向设计

涵洞BIM正向设计流程：

（1）输入涵洞总体设计信息。采用交互的方式输入涵洞设计参数，如线路参数（轨底标高、线间距、线路坡度）、工点参数（涵洞中心里程、孔径、净高、基础信息、上下游信息）等（见图9）。

图9 涵洞总体信息输入界面

（2）生成BIM模型。程序读取设计参数创建涵洞BIM模型［14］（见图10）；若对设计结果不满意，可调整设计参数，根据调整后参数重新执行涵洞计算生成涵洞BIM模型；达到设计要求后，根据设计参数创建涵洞BIM钢筋模型（见图11）。

图10 涵洞BIM模型

图11 涵洞BIM钢筋模型

（3）出图和工程量统计。二、三维设计数据同源，利用涵洞辅助BIM设计系统调取中心数据库数据，完成涵洞平立面布置图的创建（见图12）。涵洞数量计算统计原理和大中桥梁相同。

图12 二维图纸生成

5 正向设计成果

在桥涵专业正向设计中，集合以往设计经验和BIM技术，取得了以下成果：

（1）桥梁BIM模型构件的创建全部由程序自动完成，包括桥面系、梁部、桥墩、桥台、基础、桥墩附属吊篮、空心墩检查设施等，均有实体模型与之对应。

（2）对于承台埋深、桩长，提供与桥梁BIM模型交互操作的模式。即选择构件后，直接通过输入数据，调整承台埋深、桩长；修改后的构件模型随之发生改变，实现BIM模型“所见即所得”，并根据修改后的结果，自动修改二、三维同源设计数据。

（3）参数化自动生成桥墩、基础的钢筋模型。

（4）根据基础信息，自动从地质模型中提取桥梁下部结构计算需要的土层参数，再与其外部荷载结合，实现下部结构自动计算。

（5）自动从地形模型中提取数据，计算基础开挖数量；根据规则自动对地形模型进行修改，计算桥台刷方量。

（6）整个设计过程中，设计人员只需要在交互界面操作，无需手动创建任何BIM模型。

6 结论

随着BIM技术的快速发展，开启了改造传统设计手段的进程。结合2017年中国国家铁路集团有限公司《铁路信息化总体规划》要求和部署，利用BIM技术开展正向设计，系统化解决专业存在的各项问题，达到BIM成果交付目标，探索站前工程设计标准流程。主要实践结论归纳如下：

（1）采用二、三维数据同源的设计模式，通过数据间的有效融合，快速创建三维信息模型，生成二维图纸和工程数量表，有效提高设计效率，保证BIM模型与二维图纸的一致性、准确性，具有创新性强、实用水平高等特点。

（2）通过大量的程序开发，参数化快速生成桥涵检查设施及预埋件、钢筋、刷方等BIM模型，可验证预留孔洞和预埋件的完整性、合理性，以及工程数量的准确性，提高了设计质量，有效指导了现场施工，并规避了工期延误风险和质量隐患。

（3）对三维环境下桥涵设计上游专业的数据接口内容及格式进行了规范，为后续铁路项目开展BIM正向设计工作奠定了基础。