鐵路工程BIM設計涉及專業(yè)多、專業(yè)接口復雜、與地形地質關系密切，在現(xiàn)階段，由于專業(yè)間BIM資源不能很好地相互利用，鐵路工程BIM仍以單專業(yè)翻模為主，各專業(yè)開展BIM正向設計困難。設計人員根據(jù)已有二維設計成果創(chuàng)建BIM模型，反向檢驗設計成果，而不能將設計中的“差錯漏碰”防范于未然，反而給設計帶來了額外的負擔，使BIM技術的推廣在“源頭”上出現(xiàn)了問題。
平臺比選
目前，Autodesk、Bentley和Dassault三家公司的軟件產(chǎn)品占據(jù)了大部分BIM軟件市場份額。針對基礎設施建設行業(yè)，每個平臺均提供了BIM解決方案，但從正向設計角度衡量，各軟件平臺又展現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性，各平臺對鐵路設計適應情況對比見圖1。
圖1 三大軟件平臺對鐵路工程適應性對比
從對各大軟件平臺的對比情況可以看出，Bentley平臺對于鐵路工程設計具有明顯的優(yōu)勢，比較符合鐵路工程設計的特點，故選取Bentley平臺進行鐵路BIM正向設計研究。
設計方案
BIM正向設計流程
BIM正向設計是指利用BIM技術，以地形、地質為基本設計資料，按設計流程依次進行線路設計、站前工程設計和站后工程設計。設計過程與傳統(tǒng)二維設計過程類似，但需要有序的組織協(xié)同設計工作流和BIM數(shù)據(jù)流。工作流中規(guī)定了工作內容的先后順序，BIM數(shù)據(jù)流中定義了BIM設計成果的傳遞方向。以站前隧道專業(yè)為例，從與其相關的上游專業(yè)開始，對鐵路工程BIM正向設計過程進行梳理見圖2。
圖2 基于BIM技術的鐵路正向設計流程
設計流程管理
目前，國內各鐵路設計院基本上都有自主研發(fā)的流程管理軟件，但主要適用于二維設計，不能對BIM協(xié)同設計中的數(shù)據(jù)流做到有效的追蹤和管理。Bentley ProjectWise基于ModeIServer和 Internet技術開發(fā)，可在設計過程中進行BIM資料互提，文件版本管理，參考關系記錄，確保數(shù)據(jù)源一致，使設計人員突破空間限制，跨區(qū)域進行協(xié)同設計。首先由管理員在服務器端創(chuàng)建項目和專業(yè)配置，設定工作流程、項目組成員、統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和符號等，再根據(jù)不同的設計角色設定權限。設計人員通過客戶端獲取本專業(yè)所需的項目資源，進行專業(yè)間互提資料。所有設計人員依靠統(tǒng)一的項目數(shù)據(jù)源開展設計工作。當工作狀態(tài)發(fā)生改變時，以信息的方式通知相關設計人員進入下一個工作節(jié)點，直至設計完成。
地形地質建模
地形建模一般由測繪專業(yè)完成。首先，根據(jù)線位大致走向采用衛(wèi)星遙感和航空攝影手段獲取高分辨率的地理信息，然后加工成數(shù)字高程模型（DEM），正射影像（DOM），最后在PowerCivil中利用DEM和DOM文件生成地形模型。
地質建模一直以來是鐵路行業(yè)BIM的一大難題，但隨著近幾年來鐵路BIM軟件的發(fā)展，基于BIM基礎平臺開發(fā)的三維地質建模軟件已經(jīng)能夠基本滿足工程需要�；贐entley MicroStation上開發(fā)的AglosGeo能夠利用地質鉆孔、剖面，地質構造特征等數(shù)據(jù)創(chuàng)建地質模型，有效簡化建模難度，提高建模效率。在Bentley軟件中創(chuàng)建的地形、地質模型見圖3。
圖3 地形、地質模型
線路設計
在鐵路工程設計中，線路平縱是所有專業(yè)空間定位的基準，線路數(shù)據(jù)能否被下游專業(yè)直接利用是實現(xiàn)BIM正向設計的關鍵。PowerCivil提供的線路平縱設計工具可直接在地形、地質模型上進行線路設計。首先在平面視圖中設計線路平面，軟件會沿線路剖切地形模型生成地形縱剖面，在此基礎上進行線路縱斷面設計，最后在三維視圖中會自動擬合出線路空間曲線，見圖4。
圖4 PowerCivil線路設計
工點設計
下面以站前隧道工點設計為例，研究工點的BIM正向設計方法。
1創(chuàng)建標準斷面模板庫
隧道BIM設計與路基、橋涵工程類似，均為特定形式斷面沿線路有序的組合與拉伸。首先創(chuàng)建工點所需的標準斷面庫。在PowerCivil中設計好隧道襯砌橫斷面，利用Bentley平臺第三方軟件CivilStationDesign將隧道襯砌斷面以構件為單位導入廊道模板庫。為便于后面洞身設計，可在斷面庫中將各構件組合為一個完整的隧道斷面，見圖5。
圖5 創(chuàng)建標準斷面庫
2隧道洞身設計
隧道洞身設計是根據(jù)隧道埋深和地形地質情況確定在不同工況下采用什么樣的襯砌斷面，最后沿線路裝配成隧道洞身模型。首先通過PW將地形、地質、線路文件參考到隧道模型空間，依據(jù)地形情況初步確定隧道進出口里程，經(jīng)過PW互提資料流程得到相關專業(yè)確認。最后參照圍巖地質情況在PowerCivil中用廊道工具將預先定義好的隧道襯砌斷面沿線路裝配，完成隧道洞身設計。
3隧道洞口設計
隧道洞口設計主要包括洞門結構設計、邊坡開挖與防護設計、洞口排水設計。洞門結構可直接在Microstation中進行三維設計。洞口排水溝與隧道洞身建模特征類似，設計方法同洞身設計。而隧道洞口開挖坡面是由兩側邊坡和拱部仰坡組成，在三維設計中，當采用不同坡率分臺階開挖時，邊、仰坡曲面的過渡設計是難點。對于此類特殊場地建模，嘗試將其導入GeoPak Site進行坡面設計能夠得到較為理想的效果。
首先將洞口地形文件導出為Tin格式，導入GeoPak Site進行洞口邊仰坡的參數(shù)化設計，利用引導線使隧道邊坡和仰坡自然過渡。最后將設計好的邊、仰坡曲面導出為DTM文件，在PowerCivil中與原始地形合并，形成開挖后的地形模型。剩余設計均可在PowerCivil中完成。
4隧道結構設計
隧道結構設計主要包括隧道錨桿，鋼筋網(wǎng)片，鋼架，二次襯砌鋼筋等�？衫媒Y構設計軟件ProStructures完成，該軟件支持中國本地化技術規(guī)程設置。在鋼筋設計過程中，可調用常用鋼筋類型或自定義鋼筋類型。在鋼結構設計過程時，當選擇鋼構件連接形式并設定相關參數(shù)后，可自動生成鋼結構連接件。設計完成的隧道錨桿、鋼筋、鋼架模型見圖6。
圖6 ProStructures隧道結構設計
5工程數(shù)量統(tǒng)計
Bentley軟件具有一定的工程數(shù)量計算和統(tǒng)計功能，具體可歸納為以下兩類：
利用專用工具如ProStructure、PowerCivil生成的鋼結構模型和廊道模型，這類對象能夠直接被軟件統(tǒng)計工程數(shù)量，見圖7。
手工創(chuàng)建的模型，如隧道洞門、擋墻等，這類構件數(shù)量只能通過手動查看屬性的方法獲取，不能被統(tǒng)一匯總。
第一類雖然實現(xiàn)了體積、數(shù)量、質量的統(tǒng)計，但是形式比較簡單，項目類型離散，尚不能滿足實際工程需求。針對以上兩種情況，需要根據(jù)專業(yè)特點進行二次開發(fā)，對工程數(shù)量進行分類匯總后方可使用。
圖7 鋼架、二次襯砌工程數(shù)量表
標準實施
要使BIM信息在整個工程壽命周期內有序的傳遞，在建模時就應考慮合理的單元劃分、明確的構件標識和規(guī)范的屬性格式。為此，鐵路BIM聯(lián)盟聯(lián)合各理事單位共同編寫并發(fā)布了《鐵路實體結構分解指南1. 0)) (EBS)、《鐵路工程信息模型分類與編碼標準1. 0)) (IFD)和《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》(IFC)，在鐵路工程BIM設計時應遵照執(zhí)行。
在BentleyV8i版本軟件中，一般是不允許用戶直接添加自定義屬性信息的，只能通過間接方式實現(xiàn)模型與信息的綁定。首先在Bentley Class Editor中按照鐵路IFC中擴展的類和邏輯關系創(chuàng)建類，并為其創(chuàng)建屬性集。在建模時利用Civil Station Design將模型對象與對應的類進行綁定，這樣就實現(xiàn)了模型、類與屬性集的統(tǒng)一。
鐵路BIM正向設計有以下幾點建議：
不宜脫離上下游專業(yè)獨立研究，專業(yè)間的數(shù)據(jù)交互是關鍵，設計時應盡量選用數(shù)據(jù)格式互通的軟件，以便于專業(yè)間模型和數(shù)據(jù)相互調用。
基于Bentley的鐵路BIM正向設計技術路線基本可行，但基礎平臺軟件對鐵路設計的專業(yè)化程度不足，一個專業(yè)的設計工作需要在多個軟件中完成，正向設計效率偏低。應注重對基礎平臺的二次開發(fā)，使其符合鐵路設計習慣，提高設計效率。
進行鐵路工程BIM設計時，只有遵循統(tǒng)一的技術標準才能使BIM信息在工程建設各階段有序的傳遞。目前鐵路工程BIM標準尚處于驗證和完善階段，需要業(yè)主、設計院、施工單位和軟件廠商多方共同努力方能推廣執(zhí)行。
BIM作為未來鐵路信息化建設的發(fā)展方向，已經(jīng)在業(yè)內得到了廣泛的應用和發(fā)展，并取得了實質性進展。隨著鐵路BIM標準的不斷完善，將促使BIM技術在鐵路設計中更加廣泛的推廣和應用。BIM設計手段作為鐵路信息化建設的一部分，融合了當今先進的計算機資源、 測繪技術、 網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)技術，其優(yōu)越性必將給鐵路工程設計行業(yè)帶來一場巨大的變革。
