专业文章|铁路BIM选线设计方法研究
注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。
张建锋，中铁二院工程集团有限责任公司
刘 威，中国中铁“一带一路”互联互通研究中心；中铁二院工程集团有限责任公司
唐文建，中国中铁“一带一路”互联互通研究中心；中铁二院工程集团有限责任公司
李 伟，高速铁路建造技术国家工程实验室；中南大学
BIM技术应用是工程建设领域近年研究热点，依托三维可视化、多专业协同化优势已广泛在建筑、机电设备等领域中应用。我国铁路行业BIM技术发展较晚，但当前已实现桥、隧、站、线路等多个专业领域内的BIM研究设计，通过应用中铁二院自主研发三维空间自动选线系统自动生成初步方案群、BIMRDS系统平纵三维一体化优化调整等策略探索了线路BIM技术的实施技术路线，并通过案例进行了验证，结果表明，路线可行，成果可显著提高设计质量及效率。
一 概述
铁路选线设计是一项总揽全局的工作，被称为“龙头”，传统的铁路选线设计主要依靠线路工程师识别图纸上的相关信息，然后运用直尺、曲线板等工具布设线路的空间位置，过程中存在大量的曲线半径选配、要素计算、表格统计等工作，效率较低。伴随数字化选线的逐步普及和推广，当前铁路选线实现了计算机辅助设计，提高了数倍工效，同时AI等技术的推广，自动选线、智能选线等手段也相继被提出，实现了铁路选线设计的数字化、自动化。在我国铁路高速发展转向高质量发展的背景下，国铁集团颁布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，文中提出“建立完整的BIM技术标准体系，构建基于BIM的铁路工程协同设计体系”。因此将BIM技术应用于铁道工程领域是行业发展要求，也是新时代铁路选线设计发展方向及实现专业高质量发展的重要手段。
BIM技术是三维平台下的多专业协同设计，各个专业可紧密配合减少设计过程中的差错漏，有效提高设计质量，优化工程，减少后期变更，利于质量控制、进度控制，同时由于成果为三维数字化模型，其可运用于后期运维阶段，实现建设项目全生命周期的质量控制。国外伦敦铁路Crossrail项目在2007年选择Bentley软件公司作为其最佳软件供应商，为其提供专门定制的软件，通过BIM模型提供准确的信息，实施信息技术管理、资产信息和配置管理、文档管理、地理信息系统（GIS）、CAD管理及其支持服务，以及建筑信息模型（BIM）的信息应用和最佳实践，实现长期的成本节约，大大减少了合同和各个项目阶段之间的信息遗漏，提高了设计和施工过程的可见性；2013年5月，中国铁路总公司启动了“铁路工程建设信息化关键技术研究”等科研项目的研究工作，于2013年12月，中国铁路BIM联盟（简称铁路BIM联盟）在北京成立。
铁路BIM联盟的成立为铁路BIM技术研究和应用提供了组织支撑，在设计阶段中主要在可视化设计、协同设计、性能分析、工程量统计及管线综合等领域，国内铁路各个设计单位相继开展了隧道、桥梁、路基、站房、四电集成等多个专业的BIM应用和标准规范的研究工作，取得了一定进展，提高了专业设计质量及水平。
铁路BIM模型可视化效果如图1所示。现有铁路线路设计涉及20余个专业，涉及面广、专业接口内容多，易产生差错漏现象。由于BIM设计技术可实现可视化、多专业协同、高仿真模拟、方便工程优化等特点；能有效帮助设计人员更准确、更快速地分析和判断各种地物地貌、地层信息等现象；多专业协同设计，减少专业设计、项目实施阶段的差错漏；高仿真模拟实现高效组织，运维控制。因此将BIM技术应用于铁道选线中将显著提高线路设计工效和质量。
二 BIM选线设计方法
当前BIM选线设计处于起步阶段，国内几大铁路设计院在中国铁路BIM联盟的组织下纷纷开展研究，文章所述系统创新开发了基于Bentley软件平台线路设计接口软件BIMRDS实现二维设计向三维设计的转换，传统专业设计向多专业协同设计的过渡。
铁路线路BIM技术应用路线如图2所示。
1 多方案自动生成
应用中铁二院工程集团有限责任公司开发的铁路三维空间智能选线系统对选线区域进行自动选线，可自动实现在大面积、小比例尺环境下铁路三维空间线路可行方案群的快速自动生成，避免了铁路人工定线中方案的有限性，可以快速进行线路规划设计、快捷生成线路方案、并不遗漏有价值方案、降低设计人员劳动强度、缩短线路研究过程中决策周期、提高工作效率效果明显。
流程：进行选线技术标准设置；录入 （图中拾取） 线路起终点；进行环评、地质、禁区等约束条件、选线参数设置；建立格网数模；建立综合地理信息模型；自动计算线路方案群；方案调整，形成线路方案mdb数据库。
2 BIMRDS主要功能及选线流程
中铁二院工程集团有限责任公司基于Bentley公司旗下产品OpenRail Designer（以下简称ORD）开发了线路BIM软件设计接口BIMRDS。BIMRDS主要功能：
（1）基于ORD平台，组织和管理线路方案mdb数据的输入和输出；
（2）基于ORD平台，直接读取二维设计成果数据库转换为Bentley平台下的三维线路中线BIM模型（具有IFC标准规定的线路BIM信息）；
（3）实现三维插旗附加功能，基于ORD平台，在三维线形基础上附加站场、桥梁、隧道、涵洞的插旗示意符号和标注；
（4）具有三维地形建模的功能，基于ORD平台，由测绘专业提供的地形图提取点云、快速建立沿线的三维地形模型；
（5）具有线路三维几何建模的功能，基于Bentley平台，建立初步的线路三维几何模型，包括路基段、桥梁、隧道段的初步三维模型。
Bentley平台下线路BIM设计流程如图3所示。
三 应用案例
选取某规划高速铁路项目进行研究以验证铁路BIM选线设计方法。项目线路全长80km，起终点海拔高差约500m，区域分布有火山等禁区。应用项目区域概貌如图4所示。
1 自动选线系统实现初方案生成
应用中铁二院工程集团有限责任公司开发的铁路三维空间智能选线系统对选线区域进行自动选线，可自动实现在大面积、小比例尺环境下铁路三维空间线路可行方案群的快速自动生成，避免了铁路人工定线中方案的有限性，可以快速进行线路规划设计、快捷生成线路方案、并不遗漏有价值方案、降低设计人员劳动强度、缩短线路研究过程中决策周期、提高工作效率效果明显。
（1）设置主要技术标准。优化主要技术标准如表1所示。
（2）项目研究区域为西半球，经度坐标为负数，在地形数据投影处理过程中，为保证铁路线路设计的可行性，坐标投影分别将线路x坐标向东移动17000km，y坐标向北移动5000km，然后分别设置线路起点和终点坐标为：起点（3001 194.027，17017865.941，30）、终点 （3023111.349，17087859.942，508）。
（3）起终点设置完成后，输入自动选线初步经济技术指标，优化参数表如表2所示。
三维空间自动选线系统依据设置参数，计算约1h，生成了200个具有差异性的方案，选取自动生成方案中具有典型代表性的走向方案进行拟合，拟合后的线路方案与人工设计方案如图5所示。
应用项目推荐线路示意图如图6所示。
（4）选取最优线路走向进行拟合，得出推荐方案。图6中北侧推荐方案为智能选线系统中输出排序第一的方案，南侧比较方案为智能选线输出的任一差异性较大的方案。经分析两方案长度差别不大，北侧方案稍长，但其线路基本沿平坦廊道走行，桥隧比例较低、工程简易，南侧比选方案短直、但线路走行于山岭区域，桥隧比例较高、工程复杂；本次研究暂采用北侧工程简易的推荐方案进行优化设计。
2 BIMRDS实现线路方案优化设计及BIM模型输出
在铁路三维自动选线完成后，利用中铁二院自主研发的线路BIM设计插件BIMRDS软件进行线位方案平纵三维一体化精细化调整。
（1）建立三角网数模。BIMRDS中构建应用项目数模如图7所示。
三维地形数据线路BIM设计的基础核心数据，其建模将消耗大量计算机资源，为使线路后期优化调整流畅，ORD提供了类似CAD参考图形的方式进行数模的载入。
（2）导入MDB线路方案。BIMRDS可自动识别线路自动选线软件形成的MDB方案数据库，同时通过读取曲线表、断链表、坡度表等数据实现线路方案平纵数据的一体化导入，并形成三维空间线位。BIMRDS中导入应用项目线路方案如图8所示。
（3）线路方案平纵一体化三维调整。在激活数模的条件下，选中线路平面方案在右侧视口中，软件将自动从mdb方案数据库中读取数据绘制既有纵断面，此时左右侧视口联动即左侧线路方案调整，右侧纵断面也实时动态调整。
（4）线路BIM模型一键式初始化构建。基于Bentley内部三维引擎，开发了线路方案一键式线路方案桥梁、隧道、路基模型生成模块，桥隧模型构建基于用户完成的基础标准构件库，路基模型构建依据线路方案与地形关系自动计算生成，显著提高了可视化设计效果。BIMRDS中应用项目平纵一体化优化调整示意如图9所示。
BIMRDS中线路方案BIM模型如图10所示。
四 结论
我国铁路BIM研究应用相对建筑行业起步晚，但伴随国铁集团的精心策划，铁路各参建单位的积极研究，各专业BIM设计成果丰硕，形成了专业领域的BIM实施路线，但由于BIM设计软件多、平台不统一，专业协同成为难点，当前尚未达到真正意义的多专业BIM正向设计。
文章以线路专业为研究对象，以Bentley公司旗下产品ORD为基础平台，研发了BIM专业设计软件与铁路三维自动选线的接口程序BIMRDS，探索了自动选线初方案生成、BIMRDS进行线路方案优化的线路BIM正向设计方法，并以某高速铁路方案研究说明了技术路线的可行性。结果表明，自动选线可高效生成线路方案群，BIMRDS可对初步走廊方案进行快速平纵三维一体化优化调整，并一键式生成三维模型，显著提高设计效率及质量。
来源：铁路BIM联盟
