基于BIM的鐵路軌道工程三維數(shù)字化設(shè)計(jì)構(gòu)想

朱福典

（西安鐵一院工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

1 軌道設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及問題

隨著我國(guó)交通行業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)鐵路軌道的規(guī)模也逐漸龐大，對(duì)于高速鐵路軌道的設(shè)計(jì)工程面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此，應(yīng)該用最高的效率設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的鐵路軌道。實(shí)際上，目前我國(guó)高速鐵路軌道的設(shè)計(jì)技術(shù)中仍然缺乏系統(tǒng)且專業(yè)的軟件，并且軟件的交互性和設(shè)計(jì)成果等方面仍然存在著缺陷。在我國(guó)目前的鐵路軌道的設(shè)計(jì)技術(shù)中，仍然存在許多問題等待解決。（1）在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，所有的設(shè)計(jì)圖紙都是二維的圖紙，實(shí)際上二維這種表示模式并不能夠形象地反映出想設(shè)計(jì)出來的實(shí)際鐵路軌道的結(jié)構(gòu)，也無法被廣大群眾所理解，只能由專業(yè)的工程師進(jìn)行分析和解讀，影響了圖紙的設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)以及工程建造的理解；（2）二維圖紙無法直觀地表現(xiàn)出軌道各個(gè)接口之間部件的實(shí)際連接關(guān)系，無法對(duì)軌道中的各個(gè)部件進(jìn)行碰撞檢查，影響建造過程的實(shí)際運(yùn)行；（3）設(shè)計(jì)的成果不能夠有效地為線路經(jīng)營(yíng)以及管理發(fā)揮作用，在線路的經(jīng)營(yíng)管理的過程中，只能通過查閱資料和設(shè)計(jì)的存檔才能夠理解設(shè)計(jì)的具體方式，無法對(duì)問題進(jìn)行及時(shí)的解決，而且如果要保存大量的二維圖紙也是相當(dāng)復(fù)雜的；（4）目前，我國(guó)的高速鐵路軌道設(shè)計(jì)正在向外輸出，這就導(dǎo)致我國(guó)的鐵路軌道設(shè)計(jì)面臨著國(guó)際市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，如何滿足國(guó)際軌道的需求以及如何適應(yīng)國(guó)際的管理和建設(shè)的差異性，也是當(dāng)前我國(guó)高速鐵路軌道設(shè)計(jì)需要解決的問題。

2 建筑信息模型（BIM）的由來以及應(yīng)用

2.1 BIM的由來

最初，人們?cè)诮ㄖ袠I(yè)中開始使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助建筑時(shí)，發(fā)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)和建造的過程中，還存在許多的手工設(shè)計(jì)建造的過程來制約建造的效率。如果想進(jìn)一步提高效率，就應(yīng)該將對(duì)建筑的設(shè)計(jì)從圖形轉(zhuǎn)變到模型觀念上，思考應(yīng)該如何將幾何信息、物理屬性良好地結(jié)合起來，這就是建筑信息模型（BIM）的由來。BIM是在2002年由Autodesk提出的，最初是使用在建材行業(yè)中，后來逐步使用到其他產(chǎn)業(yè)中，而且涵蓋了工程項(xiàng)目的策劃、方案設(shè)計(jì)、施工以及實(shí)際使用等方面。國(guó)際習(xí)慣上將BIM界定為通過運(yùn)用國(guó)際上面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外，還包括對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期進(jìn)行數(shù)字化的展示，并且為設(shè)計(jì)的過程提供技術(shù)，目的都是為了能夠重視建筑項(xiàng)目工程的意義。

2.2 BIM如何具體應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式不同的是，BIM能夠?qū)⒔ㄖこ痰乃行畔⒓性谝粋€(gè)三維數(shù)字模型中，具有三維化、可協(xié)調(diào)性的特點(diǎn)，能夠進(jìn)行自動(dòng)模擬和自動(dòng)出圖，并且在建筑行業(yè)中獲得了很普遍的應(yīng)用，特別是在建筑行業(yè)中。在國(guó)外，許多大型的建筑軟件基本上都按照了BIM的規(guī)范，而且都是把建筑設(shè)計(jì)的思維模式與實(shí)際行為的模式組合出來，表達(dá)了協(xié)調(diào)建設(shè)的基本信息。在國(guó)際上，面對(duì)BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及設(shè)備越來越完善，目前，很多單位的建筑建設(shè)中都需要使用基于BIM的三維數(shù)字化建設(shè)技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)了一個(gè)節(jié)約資源和提升建設(shè)效果的目的，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行建造建筑已經(jīng)成為目前最流行的一種建筑方式。另外，我國(guó)對(duì)基于BIM技術(shù)的運(yùn)用時(shí)間并不長(zhǎng)，還處于剛開始階段中?；贐IM技術(shù)的建筑技術(shù)能夠優(yōu)化傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)流程，有著極大的創(chuàng)新意義和合理性，必然會(huì)成為建筑建造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 運(yùn)用基于BIM技術(shù)進(jìn)行鐵路軌道的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)使用基于BIM技術(shù)進(jìn)行高速鐵路軌道的設(shè)計(jì)方案中，仍然存在著許多尚未解決的問題，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還未體現(xiàn)出來。根據(jù)鐵路軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的鐵路軌道結(jié)構(gòu)能夠有效應(yīng)用于BIM的設(shè)計(jì)技術(shù)中，另外，中國(guó)的鐵路軌道設(shè)計(jì)面臨著向外輸出發(fā)展的趨勢(shì)，因此，在設(shè)計(jì)工程方面上還應(yīng)該和國(guó)際接軌，從而來提高競(jìng)爭(zhēng)的力量。因此，對(duì)于BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路軌道的設(shè)計(jì)工程中的研究非常必要。

3.1 BIM技術(shù)運(yùn)用于鐵路軌道設(shè)計(jì)的模式

運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行高速鐵路軌道設(shè)計(jì)模式和傳統(tǒng)的軌道設(shè)計(jì)模式進(jìn)行比較，最大的區(qū)別就是能夠通過3D數(shù)字化的設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)的過程中，軌道內(nèi)部的構(gòu)件有著密切的聯(lián)系，如果其中的某個(gè)構(gòu)件發(fā)生了變化，和它存在一定聯(lián)系的部件都會(huì)發(fā)生變化，并且利用3D軌道的設(shè)計(jì)模式能夠進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)以及對(duì)成本進(jìn)行預(yù)測(cè)等。另外，采用3D設(shè)計(jì)的模式能夠自動(dòng)生成所需要的各種文檔和圖片，并且這些文檔和圖片與設(shè)計(jì)模型之間存在著聯(lián)系，如果設(shè)計(jì)的模型發(fā)生改變，那么，這些文檔和圖片也會(huì)發(fā)生改變。

基于BIM技術(shù)的高速鐵路軌道設(shè)計(jì)的模型基本包括所有的信息和元素，并且鐵路軌道中的各種信息和元素之間的關(guān)系也是通過BIM進(jìn)行連接的。其中，鐵路軌道的主體以及部分主要的構(gòu)件是運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的核心，基本的對(duì)象不再是傳統(tǒng)模式中的點(diǎn)線面這些基本的幾何元素，而應(yīng)該是鐵路軌道中實(shí)際的鋼軌或者是扣件等基本構(gòu)件構(gòu)成的整體。運(yùn)用BIM技術(shù)能夠?qū)⑦@些分散的軌道構(gòu)件集合成為一個(gè)系統(tǒng)的整體，并且能夠按照要求和一定的邏輯，自動(dòng)生成一種三維數(shù)字化模型。

3.2 基于BIM技術(shù)的軌道的設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)

實(shí)際上，BIM技術(shù)是一種將三維數(shù)字化技術(shù)作為基礎(chǔ)，將高速鐵路軌道中的所有信息以及與其相關(guān)的信息和元素進(jìn)行集合，并且將其系統(tǒng)地封裝在工程模型中的一種技術(shù)，也同樣是一種面向?qū)ο蟮募夹g(shù)。根據(jù)實(shí)際的鐵路軌道設(shè)計(jì)模式來講，BIM設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)ζ渲械臉?gòu)件進(jìn)行抽象和自動(dòng)集合封裝，有利于實(shí)現(xiàn)相關(guān)的計(jì)算機(jī)程序。

（1）鐵路軌道構(gòu)件的抽象化。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，抽象化的含義就是將其中的數(shù)據(jù)和程序用計(jì)算機(jī)語句來表現(xiàn)出具體的結(jié)構(gòu)形象，能夠有效地減少計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。對(duì)于高速鐵路軌道的抽象化，通常包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是對(duì)鐵路軌道的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象化，實(shí)際上就是對(duì)于鐵路軌道的縱面數(shù)據(jù)等，對(duì)于鐵路軌道構(gòu)件的抽象實(shí)際上就是對(duì)鐵路軌道的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象。如果要對(duì)全線鐵路軌道的構(gòu)件進(jìn)行抽象，那么下屬的鐵路軌道部件的構(gòu)建參數(shù)都可以看作子對(duì)象。根據(jù)組成的實(shí)際對(duì)象，這種設(shè)計(jì)的模型比較簡(jiǎn)單并且有著較強(qiáng)的系統(tǒng)性。再結(jié)合基于BIM技術(shù)的鐵路軌道設(shè)計(jì)需求，能夠?qū)﹁F路軌道的一系列的基本部件進(jìn)行抽象化，使其能夠成為一系列的基本的三維對(duì)象。另外，這些三維化的對(duì)象能夠作為設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)，包括基本的幾何信息以及材料和外部的約束條件等，再加上對(duì)于不同三維對(duì)象的不同操作方式，能夠?qū)﹁F路軌道抽象的基本對(duì)象進(jìn)行專業(yè)性的表達(dá)以及操作。

（2）高速鐵路軌道的設(shè)計(jì)與組裝。在高速鐵路軌道工程的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該首先參考鐵路軌道設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及鐵路軌道的部件構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來選擇鐵路軌道的具體建造方式。所以，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該首先從基本的軌道類型的件庫中選擇更加高級(jí)的軌道對(duì)象，軌道對(duì)象中包括構(gòu)件的基本參數(shù)信息。如果標(biāo)準(zhǔn)庫中不存在所需求的基本對(duì)象時(shí)，應(yīng)該首先在標(biāo)準(zhǔn)件庫中建立這種對(duì)象然后再進(jìn)行使用。

3.3 具體的設(shè)計(jì)方式

因?yàn)楦咚勹F路軌道的工程實(shí)際規(guī)模較大，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)是通過借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助來實(shí)現(xiàn)的。由于計(jì)算機(jī)的硬件發(fā)展并沒有達(dá)到可以將三維數(shù)字化設(shè)計(jì)大范圍普及，因此，使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式會(huì)嚴(yán)重制約高速鐵路軌道工程的設(shè)計(jì)。目前，計(jì)算機(jī)硬件已經(jīng)得到了廣泛的推廣和發(fā)展，三維數(shù)字化的設(shè)計(jì)技術(shù)也在各行各業(yè)中都得到了推廣。結(jié)合高速鐵路軌道的設(shè)計(jì)需求，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行建造的過程中應(yīng)該構(gòu)建鐵路軌道三維數(shù)字化模型，所以使用Auto CAD Civil3D作為開發(fā)平臺(tái)是最合適的。通過借助基于BIM技術(shù)的高速鐵路國(guó)道設(shè)計(jì)即在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上對(duì)一些特殊功能定制開發(fā)，能夠獲得高速鐵路軌道建造的一些基本數(shù)據(jù)，然后再通過設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行創(chuàng)建，構(gòu)建內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，從而形成高速鐵路軌道的BIM模型，并且應(yīng)該結(jié)合實(shí)際用相應(yīng)的算法得到相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙。

4 結(jié)語

綜上所述，文章系統(tǒng)地分析了高速鐵路在軌道交通設(shè)計(jì)與施工中的實(shí)際情況應(yīng)用以及其中存在的問題，而且還分析了運(yùn)用基于BIM技術(shù)進(jìn)行對(duì)高速鐵路軌道的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，另外，還對(duì)基于BIM技術(shù)的鐵路軌道交通三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的模式以及應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施的新方法。此外，根據(jù)目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的硬件與軟件方面的相關(guān)應(yīng)用的專業(yè)技術(shù)，以及通過設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)進(jìn)行的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)，建立了通過運(yùn)用基于BIM技術(shù)來建造高速鐵路軌道工程的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。