BIM应用于铁路设计论文

1铁路设计应用BIM的必要性

铁路项目全生命周期包括立项、设计、建设、交付、运营和维护等过程，铁路设计作为铁路项目的前驱性工作，是一项庞大复杂的系统工程，需要多专业间密切配合，频繁地进行信息交互，并且与业主、施工单位、监理等建设参与方进行沟通协作来完成，共同将设计蓝图转变为铁路构筑物实体。目前各专业都有专门CAD软件，但设计过程及成果都采用二维图，这种方式在一定程度上提高了设计效率，但用二维的手段来表达庞大复杂的三维铁路实体，其局限性逐步显现为:(1)在专业内部，二维设计不够直观形象，缺乏三维设计的整体和全局性，也无法承载更多非图形化信息，容易导致设计差错漏碰，设计质量难以进一步提高。(2)各专业间存在信息孤岛，沟通不及时、不顺畅。各专业在独立软件中进行设计，专业间接口繁多，大部分信息共享和交换是由人工完成的，难以实现设计信息的集成和自动化传达，使工程师们有时需耗费大量时间来处理和理解其他专业互提资料，并经常发生由于更新延迟而导致关联专业返工，人力、时间浪费严重，影响效率的进一步提高。(3)与外部单位沟通时，设计意图表达和理解不明确。设计方与业主沟通和施工方交底时，主要采用的是二维平面图的形式，甚至有的附属工程设计只有文字说明，施工人员不能准确地理解设计意图，直接影响到工程建设的质量。(4)设计成果不能有效地服务于包括建设、运营、管理和维护等铁路项目全生命周期，无法实现设计成果利益最大化。由于缺乏三维信息模型的支持，建设和运营仿真、管理技术集成和面向公众的三维信息系统难以构建，无法实现设计成果利益最大化;当前铁路养护主要依赖于人力发现问题，需在海量竣工图中来查找问题路段的资料，由于设计单位通常不参加铁路养护，设计成果有时不能得到正确的理解，导致养护维修工作效率低下。采用BIM的铁路设计，可让设计人员直接在三维场景中设计，有了表达全部几何参数和设计构想的可能，使整体设计过程能够在三维模型中分析与研究，能够更好地完善其设计思想，从而使设计方案合理化;各专业在同一集成的三维模型下进行设计并可获取任意视图二维设计图纸，加快制图进度，减少设计差错，更有利于专业协作，促进设计效率;有了BIM三维模型，将更直观方便地与业主、施工方等外部单位进行沟通，更有利于理解设计意图，减少变更和返工，提高整个行业效率;借助于BIM三维模型，可更好地服务于铁路建设、运营、管理和维护等铁路项目全生命周期，设计成果得到最大化利用，设计方、施工方和运维管理部门实现共赢。因此铁路设计中采用BIM是非常紧迫和必要的。

2BIM在铁路等工程设计中应用现状

随着信息技术、BIM三维技术等新兴技术的不断发展，铁路设计的计算机信息化水平大幅提升，传统的二维勘察设计技术正逐步向三维设计过渡，多家铁路设计院开展了多项三维BIM技术在铁路行业的研究，取得了一定的成果。但与建筑、机械等其他行业相比，铁路设计的BIM技术应用还处于初级阶段，还没有形成完整的BIM设计标准体系，设计与施工等阶段的信息共享机制还没有形成，没有形成承接整个产业链的BIM模型［1］。

2．1国外现状

在国外，勘察设计阶段的BIM三维技术应用已经相对成熟。在美国，越来越多的业主已经开始要求设计方提交BIM三维设计资料，而非传统的二维设计图纸。因此许多设计单位已在使用BIM三维设计软件、目前欧特克、奔特力、达索等国际知名软件公司是三维软件的领导者，大部分知名三维设计软件均出自上述公司。但广泛调研可知:任何一家公司的产品都不可能将铁路的三维勘察设计全过程覆盖，不同的软件开发商针对某一些特定专业研发了相应三维设计软件［1］。

2．2国内现状

国内的三维设计技术起步较晚。在香港，三维技术完成了从概念到实用的转变，处于全面推广的初始阶段。如香港铁路有限公司在港铁运营阶段成功应用数字化三维技术实现了采光、能耗、烟雾、人流和可视化碰撞检测［1］。在内地，自2004年起一些项目率先应用了三维技术，比如南水北调工程、天津港国际邮轮码头设计和上海世博会德国国家馆设计等。不过三维技术的应用还相当有限，要贯彻到整个产业链，真正融入设计师理念，尚需时日［1］。在国内的轨道交通勘察设计行业，三维设计技术的应用也在逐步开展:中铁二院［1］研发了基于数字地球的铁路三维空间选线系统，并实现了GoogleEarth规划设计、CAD精细设计及轨道交通三维仿真模块的集成;并开展铁路工程三维地质建模与可视化系统研究;建立了三维仿真可视化系统，开发了部分三维GIS功能;研发了二三维结合的测绘数据集成共享平台，为每个阶段提供全方位数据支持;利用3DMax等三维软件，开展轨道交通前期投标和后期成果展示的三维模型和动画渲染技术研究工作。铁三院已专门成立铁道部重点实验室，集铁路勘察设计各专业技术人员，准备基于GIS、网络、虚拟现实、数据库等新技术，正开展“数字化三维协同设计系统研究与开发”;中铁四院利用基于航空摄影与遥感获取的DEM、DOM以及各种多源数据，建立三维地形场景，开发线路设计的矢量图形系统，在三维建模、工程量预算等方面进行了一些应用。国内的专业CAD软件企业也看到了三维设计的未来发展趋势，如理正、天正和鸿业等公司纷纷了相关三维设计平台，但都是针对某一领域做到了三维设计，离贯通铁路全专业的三维勘察设计还有较大距离。

3铁路设计BIM技术应用

初级阶段的技术方案铁路设计的BIM技术应用还处于初级阶段，国内外尚无成熟的技术方案可供参考。笔者参与的中铁二院三维设计团队结合某铁路项目，同步于传统的二维设计开展了三维设计工作［1］，下面就现阶段基于BIM理念进行的线路选线、工点三维设计、三维地理信息集成应用等技术方案进行介绍。

3．1基于BIM的线路选线运用

中铁二院“数字地球铁路三维空间选线设计系统(GERailV1.0)”规划线路通道。根据规划成果进行航测制图，获取选线区域DEM和DOM，基于Sky-line构建三维数字地形，在此基础上二次开发叠加三维地质图层和环评、交通、水系等图层，形成三维选线基础环境。(1)基于GERail直接进行线路规划，提取地形数据、纵横断面地面线、设置纵断面变坡点、规划车站桥隧位置等(如图2)。(2)基于GERail在三维环境中展示线路方案，包括单个线路方案的线、桥、隧、站、地质、环评等各专业以及多个线路方案的对比显示。(3)规划完成后对选线通道进行航飞，获取选线区域DEM和DOM基础数据并集成地质、环评等专业数据，基于Skyline软件构建选线三维环境进行选线［1］。

3．2基于BIM的工点设计

工点三维设计主要是应用欧特克的Civil3D、Re-vitArchitecture、Naviswork等软件对线路、路基、站房、桥梁、隧道等专业开展局部工点设计。(1)运用Civil3D软件进行线路和路基设计。Civil3D可在三维地形模型的基础上，提供参数化的路线布局工具(支持直线、圆曲线和多种缓和曲线)，支持以动态交互方式的设计平面线路、纵曲线高程以及横断面路基形式，最终形成三维的铁路路基模型，并保证所有的三维工程对象都是智能关联，一处修改，处处更新。一旦三维模型完成后，系统可以自动批量创建图纸集，并生成土方施工图和计算报表。(2)运用RevitArchitecture软件开展了车站三维设计，能够根据建立的车站三维模型实时获取平立剖二维设计图纸，统计工程量，展现车站整体设计效果。Revit是从整体的角度建立建筑物的数字模型，而不是单独处理个别的楼层平面、剖面和立面图，所有需要的相关项目平立剖图纸、表格和各种二维、三维视图，都是根据BIM模型自动创建、并相互动态关联，如图3所示。(3)运用Navisworks进行三维漫游展示和四维虚拟施工模拟。在所建立的工点三维模型基础上，运用Navisworks创建施工进度动画，即在电脑上预先模拟项目施工的开展过程。通过4D模拟能够有效地帮助设计人员对设计和施工方案进行深入研究，预先探讨施工过程中可能出现的诸多问题，从而在早期确定风险，显著减少现场浪费［1］，如图4所示。(4)运用3DMax对设计成果进行视频展现。结合各项建立的三维模型，利用工具快速、方便的将Civ-il3D中的三维模型导入到3DMax中加以渲染和制作动画特效［1］，如图5所示。(5)利用CATIA强大的地质建模功能构建三维地质体，利用三维参变和知识工程快速构建复杂空间关系的桥梁信息模型［1］，如图6所示。(6)利用CATIA建立隧道三维地质体辅助隧道结构设计，利用隧道结构部件库结合参数化调整程序进行洞门、洞身三维设计［1］，如图7所示。

3．3三维地理信息集成应用

基于标准椭球体，采用高精度DEM和DOM数据，构建精细三维虚拟地形环境，将线路、路基、站房、隧道等三维设计成果直接转化为3DMax模型导入基于三维GIS技术的管理平台。实现在该平台上对铁路进行全线虚拟漫游和选定工点的模型展示，并能实现对设计成果进行信息标注、管理和分析查询［1］，如图8所示。图8各专业三维数据导入到三维地理信息系统中融合。

4结论

中铁二院三维设计团队通过上述应用，对BIM在铁路设计中深化应用进行了有益探索，初步形成了BIM应用初级阶段铁路三维设计流程，初步打通了各专业数据链路，构建了统一的三维信息模型，用于生成二维图纸、数量和投资计算、方案汇报等工作，并在三维GIS环境中对各专业信息模型进行了集成、分析和查询。结果证明在铁路设计中应用BIM至少具有如下优点:(1)采用BIM的铁路设计，可直观检查发现不合理的设计，有利于设计者兼顾整体和局部进行方案分析，从而优化设计，提高设计质量。(2)各专业在同一集成的三维模型下进行设计，简化了专业间信息交流，有利于减少设计差错漏碰，减少返工，提高了设计团队工效。(3)BIM模型可快速获取二维设计图纸，结合施工预算可快速获取整个方案工程数量和投资，使设计者从繁杂的绘图、数量和投资计算中解脱出来，解放了设计生产力。(4)BIM模型用于方案汇报工作，有利于各方沟通和达成一致，促进方案稳定，节约设计成本。(5)BIM模型可作为有偿产品进一步用于4D施工模拟，指导施工以及铁路部门运营、维护和管理等，从源头提升行业水平，也可实现设计单位利益最大化。

作者: 刘江涛 胡光常 单位:中铁二院工程集团有限责任公司