BIM技术在铁路设计行业的应用研究.docx

bim技术在铁路设计行业的应用研究bim概览 张雪才摘 要：以达索、欧特克产品为技术支持，研究了铁路设计行业中bim技术应用的解决方案。在对 国内外bim相关理论调研分析的基础上，提出了铁路行业中bim的定义，分析了目前本领域bim技 术应用的现状与特点，提出了设计阶段三维设计流程。阐述了中铁二院在测绘、地质、桥梁、隧道 和路基等专业的bim技术应用，应用达到了优化设计方案的目的，以期为进一步提高我国铁路设计 行业bim技术应用水平作出贡献。关键词：达索；欧特克；铁路设计；bim；二维出图；碰撞检测中图分类号：u212.3；tp3文献标识码：a文章编号：1672-061x（2014）05-0014-050引言建筑、机械、电子等行业的设计企业对bim技术的运 用日趋成熟，并因此带来了技术的革新和效益的增长1。 近年来，我国铁路建设行业也取得了突飞猛进的发展，其 设计领域对新技术、新产品的研发与应用也层出不穷，但 bim技术在铁路设计领域中的应用尚处于探索阶段。随着中国铁路总公司对在建项目的安全、质量、投资、工期和 环境等目标的逐步提高，将bim技术应用于铁路设计领域 是必然趋势。国外bim技术在设计行业中的应用已经如火如荼，如 美国运用bim技术的项目数量增长迅速，建筑业bim技术 普及率从2007年的28%增长至2013年的78%；北美也大 力推动bim技术的应用，在大、中、小型企业中的利用率基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2013g015-b）。bim概览分别达到了91%、86%和49%以上。相比之下，我 国应用最早的建筑业bim技术普及率仅为12%2-5。美国乔治亚技术学院的查克伊斯曼教授 最先提出了建筑信息模型（building information mo d e l i n g， bim） 的概念 6，之后在美、英、 日、 韩等国逐步发展完善，并形成了严格的行业 标准及指南。如国际机构building smart颁布的 industry foundation classes（ifc）、international framework for dictionaries（ifd）、information delivery manual（idm），美国颁布的国家bim 标准7，新加坡颁布的新加坡bim指南（2.0） 8。我国在b i m技术应用方面起步较晚，但发展较 快，建筑、机械等行业已初步形成了相应标准，如 2008年由中国建筑科学研究院、中国标准化研究院 等单位共同起草了gb/t 255072010工业基础类 平台规范9，2010年清华大学bim课题组提出了中 国建筑信息模型标准框架（cbims）10并编制了设 计企业bim实施标准指南11。目前，我国各大设计院正加紧开展铁路三维设 计与bim技术应用的研究工作，以尽快将bim技术真 正运用于铁路设计行业中。通过对bim相关理论的深 入研究，给出了铁路行业中bim的定义，研究分析了 铁路设计行业bim技术应用的现状与特点，并就bim 技术在铁路设计行业中的应用进行了研究与探索。1bim定义查克伊斯曼教授首次提出bim的理念后，各国 学者和企业又从不同角度给出了bim的理解与诠释。 通过对国内外相关资料的广泛调研，提出了bim在铁 路行业中的定义：bim是利用信息模型对铁路工程建 设项目进行规划、设计、施工、运营的过程；模型包 含了项目所有的几何尺寸、空间关系、结构功能和性 能等信息，项目不同参与方应共同维护该模型，并基 于相关信息进行协同工作。2铁路设计行业bim技术应用现状同bim应用较为成熟的建筑、水电行业相比，我 国铁路行业bim技术应用还处于起步阶段，但铁路行 业已经意识到bim应用和发展的必要性，中国铁路总 公司于2013年5月召集各大铁路设计单位召开了“铁 路勘察设计bim应用技术研讨会”，专题讨论了如何在铁路勘察设计中开展bim技术应用，并希望以勘察设计为突 破口，解决bim技术在铁路设计阶段的具体应用研究，为bim 在施工、运营阶段的进一步应用打下基础。同步立项“铁路工 程建设信息化关键技术研究”部控科研课题，标志着bim在我 国铁路行业应用正式启动。3 铁路设计行业bim技术应用特点铁路设计行业对bim技术的应用应具备以下特点：数字 化、可视化、多维化、协调性、可操作和全过程等（见图 1）。（1）铁路设计行业bim的概念应涵盖gis的内容，因为设 计阶段建立的bim模型包括三维地理信息模型、三维地质信息 模型和隧道结构三维模型。因此，设计阶段的bim技术应体现 出可视化、数字化和多维化等方面特点。（2）铁路设计行业各专业根据其自身特点的不同，往往 需要应用不同的软件平台进行三维设计，因此各软件平台的互 通和兼容在很大程度上考验了bim技术应用的协调性和可操作 性。（3）设计bim模型需要转换为施工bim模型，以实现各 阶段、各参建方之间的信息无缝传递。建立统一的编码体系、 制定相应的行业规范、打破阶段与各参建方之间的信息壁垒是 重中之重，这也极大检验了bim技术应用的协调性、全过程等 方面的特点。可视化数字化多维化协调性可操作全过程图1 bim技术应用特点（4）设计行业通过利用bim技术可有效进行专业间、专 业内的碰撞检验，可充分保证设计分析的效率与精度，可大大 提高设计文件的质量并优化设计。因此，该方面的bim应用将 很大程度上检验其可视化、数字化、多维化、协调性和可操作 性等方面的特点。2014年第5期15 bim概览4铁路设计行业bim技术应用分析铁路设计行业bim技术的应用涉及测绘、地质、线路、隧 道、桥梁、路基等20多个专业，建模流程为地质三维模型、地 表模型、三维选线、其他专业三维模型建立，后续在三维模型 的基础上开展bim应用研究。主要建模流程（含隧道专业bim 设计详细流程）见图2。中国中铁二院工程集团有限责任公司（简称中铁二院） 目前主要在测绘、地质、隧道、桥梁、路基等站前专业开展了 bim建模、信息附加、工程量计算、二维出图等应用研究，后 续将陆续开展覆盖站前、站后所有专业的bim应用研究。4.1 测绘、地质、隧道方面bim应用分析中铁二院测绘、地质、隧道专业基于宝兰客专石鼓山隧道 开展了地表建模、地质建模、隧道设计及应用等多方面的bim 应用研究工作，取得了一定的突破。4.1.1 三维地表建模首先对地形影像数据处理，根据获取的石鼓山隧道区域 10 km4 km的测绘数据，制作正射影像（dom）和数字高 程模型（dem）；其次对背景数据处理；最后基于skyline软 件，通过金字塔技术将dom和dem集成，生成精细的三维地 形模型（见图3）。4.1.2 三维地质建模三维地表模型三维地质模型三维选线各专业协同设计隧道专业bim设计流程骨架继承模型生成参数设置模板制作草图绘制模板实例化线路桥梁 路基 轨道 通信 信号 机车.图2 设计阶段三维设计建模流程地质建模过程主要是根据石鼓山隧道地质调绘资料及已有的纵横断面构建地层面，用建立好的地层面来剖切 拉伸体，以生成地质体（见图4）。4.1.3 隧道三维建模隧道专业在三维地质模型和线路模型主设计骨 架基础上，结合围岩分级、施工工法、衬砌形式等 因素，划分出各隧道段落的二级骨架，为隧道三维 设计提供定位支持。利用caita建模功能（如草图 绘制、知识工程阵列等）建立参数化、可联动修改 的隧道三维模型，并附加必要的非几何信息，利用 catia知识工程模板功能将建立的模型封装为模板， 在后续遇到同类型隧道建模时实例化模板即可。隧道专业依托石鼓山隧道工程，初步建立了部 分暗洞、明洞、附属洞室、防排水、洞门等模型。 以v级e型暗洞衬砌三维建模为例，介绍隧道三维建 模全过程。（1）模型架构。结合制定的命名规则，暗洞洞 身模型主要由超前支护、初期支护、二次衬砌和防 排水构成。（2）骨架信息。根据骨架设计理念，需要定义 与暗洞洞身相关的一系列骨架信息（如起始里程、 终止里程、平面线本段、空间线本段等），同时还 需绘制一系列模型草图（见图5、图6）。（3）模型建立。在草图绘制基础上，根据需要 设置参数，按照设计要求，利用catia的拉伸、扫 掠、剪切、结合等功能制作知识工程模板，再利用 知识工程阵列建立参数化的、可联动修改的隧道三 维模型（见图7）。（4）模板实例化。建立起规范、标准、科学的 隧道模板后，利用catia知识工程模板模块中的文档图3 三维地形模型图4 全隧三维地质模型162014年第5期bim概览模板、超级副本等功能可快速生成本段的文档模板，然后 利用文档实例化功能并设置合适的输入参数即可快速建立 起同类型的隧道三维模型。（5）工程量计算与二维出图。利用bim隧道三维模 型实现了二维出图、工程量计算、模型附加信息等功能。 4.2 其他专业bim应用分析（1）桥梁专业基于达索catia平台，以沪昆客专北盘江特大桥等项目开展了参数化建模、二维出图、工程 量统计、碰撞检测等bim应用研究工作（见图8、图9）。（2）路基专业以西成线江油北站路基为基础， 开展了civil 3d软件建立路基三维模型的研究工作。以 open inventor开发包为基础，开发了桩、锁口护壁、托 梁、挡土板等结构的建模软件，同时进行了数字化施工应 用研究工作。路基参数化三维模型见图10。图5 暗洞洞身骨架信息图6 二衬轮廓草图（a）洞身整体模型（b）超前支护模型图7 隧道三维模型（c）初期支护模型（d）二衬模型2014年第5期17 bim概览图8 三维参数化模型及模板图9 节段劲性骨架干涉及碰撞检查图10 路基参数化三维模型作，逐步解决bim难题，实现bim在铁路建设行业的稳步 推进。6参考文献1 王珺b i m理念及b i m软件在建设项目中的应用研究 d成都：西南交通大学，20112 李建成bim概述j时代建筑，2013(2)：10-153 贺灵童 b i m在全球的应用现状j 聚焦信息化， 2013，31(3)：12-194 王凯国外bim标准研究j土木建筑工程信息技术， 2013，5(1)：6-165 何关培bim总论m北京：中国建筑工业出版社， 20116 h edward goldbergthe building information modeljcadalyst，2004，21(3)：56-587 national building information modeling standard committeethe national building information model standardmunited states：national institute of building sciences，20048 building and construction authoritysingapore bim guide（version 2.0）msingapore：building and construction authority，20139 建筑科学研究院工业基础类平台规范（gb/t 25507） s北京：中国标准出版社，201010 清华大学bim课题组中国建筑信息模型标准框架研究 m北京：中国建筑工业出版社，201311 清华大学b i m课题组设计企业b i m实施标准指南 m北京：中国建筑工业出版社，20135结论与展望bim技术应用已成为铁路建设工程的必然趋势。目 前