马 弯,孙 立,王森荣,张 杰,闫亚飞

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室,武汉 430063)

铁路BIM设计主要以模型为载体、以信息为核心，通过全专业全过程之间的协同设计实现全生命周期信息管理与应用。自铁路BIM联盟成立以来，先后围绕铁路BIM基础标准[1-3]、BIM关键技术[4-6]、BIM应用等方面开展系列研究，同时，依托福厦铁路[7]、京张铁路[8]、京雄铁路[9]、牡佳铁路[10]、西十铁路[11-12]、川藏铁路等[13-14]国铁集团示范工程，推动BIM技术在铁路场景落地。轨道工程作为高速铁路的核心技术之一，目前针对试点项目，基于欧特克平台[15-17]、奔特力平台[18]、达索平台[19]能够初步实现轨道模型的创建，但建模方法、效率与精度仍有待进一步研究和提高。针对高速铁路双块式无砟轨道结构，采用数据驱动的方式，基于Revit软件探索铁路工程中轨道BIM技术应用路线，为BIM正向设计的研究提供参考。

1 轨道BIM设计技术路线

铁路设计是一项系统性工程，需线路、轨道、桥梁、隧道、路基、信号等多个专业协同。轨道位于路基、桥梁和隧道等基础设施上，直接引导列车行驶，高速铁路双块式无砟轨道由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、底座等组成，如图1所示。针对轨道结构设计受线型与线下基础结构影响大、轨道设计施工精度高、部件产品类型多、专业接口多等特点，根据专业接口信息，采用数据驱动的方式开展专业设计与协同设计，以商业软件作为三维图形引擎，进行同种类型不同参数模型创建与组装，避免模型重复创建，提高BIM设计效率和精度。

图1 双块式轨道结构布置

1.1 技术方案

高速铁路双块式无砟轨道BIM的解决方案主要由两部分组成，创建轨道构件参数化模型、以数据驱动的方式沿线路定位与组装构件模型。

(1)依据《铁路工程信息模型分类和编码标准》[20]，对轨道结构进行分类与编码。针对道床板、底座等尺寸随线型、基础结构变化的零构件，附加类型参数属性形成参数化模型，通过修改长度、宽度、高度、超高角度等参数，形成同一构件在路基、桥梁、隧道不同线下基础结构以及直线、曲线不同线型段布置的族模型。

(2)依托《铁路工程信息模型数据存储标准》[21]和轨道设计数据标准，针对轨道工程在平面圆曲线、缓和曲线、直线地段，纵断面曲线、直线地段以及不同路基、桥梁、隧道基础结构下的工况进行结构分析、专业设计和协同设计，形成轨道BIM数据模型，同时，结合参数化族模型，实现零构件模型沿线路特性的实例化设置，以二次开发的方式实现双块式轨道BIM正向设计。

1.2 开发环境及研究方案

为避免线路、路基、桥梁、隧道等专业变更造成的轨道重复设计，同时尽量减少商业软件的影响，以数据驱动的方式，基于“数据与模型融合、分离、再融合”的思想构建双块式无砟轨道BIM设计软件，如图2所示。

图2 双块式无砟轨道BIM设计软件总体架构

(2)开发环境及方案

Autodesk Revit是建筑业BIM体系中使用较广泛的软件之一，用户多、参数化能力强、技术较成熟。考虑长大带状线型处理功能较差、沿线路平纵断面进行轨道标准件布置困难、对统一标准件大量应用时处理能力较弱等难点，双块式无砟轨道BIM设计软件采用C#语言开展轨道专业设计、专业间协同设计，设计成果存储于MySQL数据库中，将Revit软件作为三维图形引擎进行二次开发，形成基于数据模型的沿线路不同地段轨道BIM模型。

2 轨道构件模型创建

2.1 轨道构件模型创建方法

轨道构件模型的布置核心在于沿线路的准确定位及曲线超高、线路坡度、方位角的表达，而以Revit软件作为三维图形引擎的实施难点在于，软件中建立的常规族模型产生的相关约束导致族文件在项目中无法自由移动与旋转，因此，提出两种方式创建轨道构件模型。

(1)以自适应公制常规模型作为底座构件的族样板文件，通过数据模型中的起点坐标、终点坐标与自适应点一一对应来表达线路的平面与纵断面走向；以基于面的公制常规模型作为钢轨、轨枕、扣件、凹槽与凸台、道床板构件的族样板文件，通过基于已存在的实例面布置构件的方法，即基于底座顶面布置模型，表达线路平面、纵断面走向及轨道超高；除轨枕、扣件外其余模型均创建为参数化模型，同时构建参数之间的逻辑关联，如图3所示。利用Revit产品提供的API类库实现构件模型与数据模型的交互，包含参数的输入输出与变更、自适应常规模型布置和基于面的公制常规模型布置。

图3 构件模型创建方式

(2)以公制常规模型和基于面的公制常规模型作为轨道构件模型创建的族样板文件，创建轨道嵌套族。首先，创建钢轨、轨枕、扣件、道床板和底座参数化基础族模型；然后，在公制常规模型中创建带角度的参照平面作为基础族载入的载体，通过多次嵌套实现构件模型绕X轴、Y轴、Z轴3个方向的欧拉旋转，进而实现构件沿线路平面、纵坡布置和曲线超高的表达。利用Revit产品提供的API类库参数的输入输出与变更(Parameter接口)、常规模型布置(FamilyInstance接口)即可实现模型与数据交互。

轨道工程构件固定几何尺寸模型较少，钢轨、道床、底座等模型均可通过参数修改实现同类不同参数模型的创建，因此，采用嵌套族方式轨道族模型，定义实例参数实现构件数据与模型的融合。

和谐理论的核心是一个系统的内部各要素之间以及系统与外部环境之间都是相关的，且存在着一种和谐机制。在现实中，不和谐的状态是绝对的，而和谐状态则是相对的，因此和谐管理的目标即是使系统从不和谐状态向和谐状态转变。

2.2 底座模型创建

底座基础模型由底座体与凹槽两部分嵌套组成，以钢轨顶面为坐标原点，设置底座长宽高尺寸、超高、方位角、坡度、偏移值等参数；凹槽基于底座顶面放置，设置凹槽的尺寸参数、定位参数。通过2次基于面的嵌套，同时锁定实例参数，实现底座模型在项目文件中的实例化，实例化参数包含轨道结构组成高度、轨枕间距、凹槽位置、底座尺寸、超高、方位角、坡度、里程，如图4所示。

图4 实例化底座模型

2.3 道床板模型创建

道床板模型由道床体与凸台两部分嵌套组成，以钢轨顶面为坐标原点，设置道床长宽高尺寸、超高、方位角、坡度、偏移值等参数；凸台基于道床板顶面放置，凸台尺寸参数、定位参数与凹槽保持一致。通过2次基于面的嵌套，同时锁定实例参数，实现道床板模型在项目文件中的实例化，实例化参数包含轨道结构组成高度、轨枕间距、凹槽位置、底座尺寸、超高、方位角、坡度、里程，如图5所示。

图5 实例化道床板模型

2.4 轨枕、扣件、钢轨模型创建

轨枕、扣件等固定几何尺寸模型不设置参数，以钢轨顶面为坐标原点，通过2次基于面的嵌套完成模型创建。

钢轨模型以钢轨顶面为坐标原点，设置钢轨长度、超高、方位角、坡度等参数。通过2次基于面的嵌套，同时锁定实例参数，实现钢轨模型在项目文件中的实例化。

3 轨道BIM设计

3.1 轨道BIM数据模型

(1)超高设计。基于列车通过速度、线路平面曲线半径和缓和曲线长度等参数计算上下行线不同超高值对应的欠超高、过超高、超高顺坡率、超高时变率，通过与规范允许值自动对比检算，推荐超高设置值、限速值，超高设置值允许手动修改。

(2)配板设计。根据路基、桥梁、隧道段长度值以及输入的道床板板缝(默认值为100 mm)、轨枕间距(默认值为630 mm)信息，在配板数据库内匹配，若无经验对应值，则以道床板板缝、轨枕间距、基础结构长度、道床板基础版型长度为既有信息，设置每块板长、轨枕数量、轨枕间距调整的范围和顺序，同时，通过与数据库内既有长度对比分析，推荐配板数据，配板数据值允许手动修改，待确认后存入数据库内。

(3)数据模型。基于线路平纵断面信息、路桥隧结构布置、轨道结构设计参数、超高设计、轨道配板设计以及接口专业信息、施工实时信息，生成轨道BIM数据模型，包含钢轨顶面、轨枕顶面、道床板与底座各角点的绝对坐标值与相对坐标值、构件的方位角、超高、坡度、道床板配板等，如图6所示。轨道数据模型作为BIM设计成果之一，为BIM模型创建、轨道结构制造与施工现场铺设奠定数据基础。

图6 数据模型流程

3.2 轨道BIM三维模型

以数据驱动的方式实现构件模型与BIM数据模型的融合，通过读取轨道BIM数据模型，调用、修改构件模型的实例化参数，进行沿线不同轨道构件的坐标和方向定位、装配。

(1)设置项目基点。铁路工程具有长大带状的线性工程特点，而Revit软件自身具有空间界限，当绝对大地坐标系下的经纬距值较大时，将导致模型的三维可视化发生变形，因此，对数据模型进行坐标转换，根据基础结构段落划分轨道模型，每段轨道模型以某一固定点经纬距(如基础结构起点经纬距)作为基点进行布置，基点设置如图7所示。

图7 项目基点设置

(2)轨道BIM数据模型与BIM三维模型以固定编码为接口进行关联，实现BIM模型与数据模型中属性信息坡度、方位角、超高、相对坐标、绝对坐标等一一对应，融合为信息模型。

(3)轨道BIM三维模型创建通过调用参数化的轨道构件模型，动态调整直线、曲线等不同工况下以及路基、桥梁、隧道不同基础结构下的构件参数方位角、超高、坡度、里程、基础结构类型等，实现全线钢轨、扣件、轨枕、道床板、底座等构件BIM模型的布置。

(4)变更设计。根据相关专业变更信息、施工过程前序工程现场实测信息，如桥梁实际长度、梁缝值等，修改对应的线路、路基、桥梁、隧道等参数，动态调整轨道BIM数据模型及BIM三维模型，实现BIM成果的更新。

4 实际工程应用

以福厦高铁为试点进行BIM设计应用，正线轨道采用CRTS双块式无砟轨道结构，主要由60 kg/m钢轨、WJ-8B扣件、SK-2型双块式轨枕、道床板、底座组成。首先，以沿线路左侧钢轨顶面为基准创建钢轨、扣件、轨枕、道床板、底座、钢轨伸缩调节器、道岔等构件的参数化模型；其次，依次输入福厦铁路线路平面参数、纵断面参数、断链参数、桥表、隧表，进行轨道配板设计、超高设计等，一键式生成福厦高铁轨道数据模型，如图8、图9所示；最后，通过选择段落布置相应地段的轨道BIM模型，如图10所示。

图8 福厦铁路线路信息

图9 桥梁地段轨道BIM数据模型

图10 桥梁地段轨道BIM三维模型

本项目实施过程采用数据驱动的方式，接口信息一经输入后可自动开展配板设计、超高设计、数据模型设计和BIM模型创建，专业间变更、协调对接可通过软件提醒、数据更新自动完成BIM设计的更新，较传统设计和模型创建减少40%时间，同时，BIM数据模型与三维模型能够根据施工过程相关接口专业的实测数据进行实时更新，进而指导轨道工程数字化、信息化和智能化铺设施工，有效促进轨道建设效率和质量。

5 结论

结合双块式无砟轨道设计特点，围绕直线、缓和曲线、圆曲线等不同线型工况与路基、桥梁、隧道不同基础结构工况，探索研发了基于Revit软件二次开发的双块式无砟轨道BIM设计软件，主要结论如下。

(1)研发的双块式无砟轨道BIM设计软件符合轨道专业设计与接口设计，可实现轨道工程专业设计与协同设计，能够形成BIM数据模型及三维可视化模型。

(2)通过构建参数化嵌套族的方式，实现了轨道钢轨、扣件、轨枕、道床板、底座等构件模型沿线路的准确定位及曲线超高、线路坡度、方位角的表达。

(3)双块式无砟轨道BIM设计过程以数据为核心，结合参数化构件模型的创建、调用与参数修改，基于数据模型可快速形成轨道BIM模型，减少了BIM设计过程中对商业平台的依赖，提高了模型的精度，并为后期施工、运维管理提供数据与模型支撑。

(4)研究成果在福厦高铁中进行实践应用，通过输入不同专业的信息自动形成轨道BIM模型，能够根据专业信息的变更快速更新轨道模型，初步实现了双块式无砟轨道BIM正向设计。