一、項目背景
1、項目名稱：西部某高速鐵路三維設計
2、項目設計單位：中國中鐵二院工程集團有限責任公司
中國中鐵二院工程集團有限責任公司（簡稱“中鐵二院”），原名鐵道第二勘察設計院，成立于1952年9月?，F(xiàn)隸屬于世界500強企業(yè)——中國鐵路工程集團有限公司。中鐵二院是全國大型綜合性勘察設計咨詢企業(yè)，公司持有勘察、設計、咨詢、監(jiān)理、環(huán)境評價等資質證書和對外經(jīng)營資格證書四十多項，是全國首批獲得設計資質綜合甲級的八家單位之一，也是國內公路系統(tǒng)外首家獲得公路“四甲”資質證書的單位。設有線路、軌道、地質、路基、橋梁、隧道、站場、建筑、環(huán)保、通信、信號、電力、及航測等四十個專業(yè)。依托鐵路，目前業(yè)務已拓展到公路、城市軌道交通、市政工程、區(qū)域綜合規(guī)劃、輪渡碼頭、工程總承包、工程監(jiān)理、巖土工程施工、房地產(chǎn)、產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、冶金礦山等各類領域。
3、相關軟件應用：
Autodesk Revit Architecture
Autodesk Revit Structure
Autodesk Revit MEP
Autodesk Navisworks
Autodesk Ecotect
Autodesk 3ds Max Design
AutoCAD Civil 3D
4、BIM應用評價與反饋：
Autodesk Revit 作為BIM的重要技術支撐平臺，實現(xiàn)了設計成果的平立剖三維互動，提供了強大的“多任務”能力，對鐵路站房設計觀念和方法帶來了新的變革。
——中國中鐵二院工程集團有限責任公司信息中心總工程師董鳳翔
通過歐特克公司的三維設計軟件，讓業(yè)主能夠更加直觀生動地了解設計成果的最終形態(tài)，在匯報交流過程中，極大地減少了溝通障礙，得到了業(yè)主的高度認可。
——中國中鐵二院工程集團有限責任公司 信息中心總工程師 董鳳翔
AutoCAD Civil 3D強大的參數(shù)化鐵路路基建模和動態(tài)更新的特性給我留下了深刻印象，它能夠幫助線路和路基專業(yè)設計人員高效率地完成設計工作。
——中國中鐵二院工程集團有限責任公司交規(guī)院副總工程師胡光常
通過在Autodesk Revit Structure中構建自定義三維橋梁結構族，創(chuàng)建中將結構參數(shù)暴露給用戶靈活修改，給橋梁三維建模帶來了一種新思路，讓橋梁設計變更更加直觀、簡潔、高效。
——中國中鐵二院工程集團有限責任公司橋梁專業(yè)工程師 楊詠漪
二、正文
BIM技術在高速鐵路設計中的應用
——西部某高速鐵路三維設計
項目概況
西部某高速鐵路項目設計時速250km/h，橫跨三省十一縣，正線長度約515km，其中特大橋14座，特長隧道180座，總橋隧長度約405km，橋隧比81%，線路跨越中國西南山區(qū)的崇山峻嶺，地形和地質條件都非常復雜，設計和施工難度很大。
中鐵二院將BIM技術應用于站前多專業(yè)的協(xié)同設計，三維設計周期為2012年1月到6月。
項目挑戰(zhàn)及解決方案
作為一個高速鐵路項目，本項目面臨的挑戰(zhàn)包括：項目整體線路較長，在平面選線和路基橫斷面設計上的影響因素很多，工作量很大。與此同時，項目設計周期卻相對較短，只有大約6個月，與同等規(guī)模的項目相比，只占其50%。項目中的一大挑戰(zhàn)就是要在有限的項目設計周期內完成多個方案的比選，并生成高質量的橫斷面設計圖紙，且業(yè)主期望以更為直觀的方式獲取設計最終效果。
基于以上項目挑戰(zhàn)，中鐵二院組建了一支BIM設計小組，將BIM技術應用于該項目，從而實現(xiàn)了專業(yè)之間數(shù)據(jù)的協(xié)同與共享，提高工程設計質量，為業(yè)主提供更為直觀的交付方式。
BIM技術在線路、路基協(xié)同設計的應用
本次三維設計首先運用基于三維GIS平臺的空間選線系統(tǒng)，規(guī)劃鐵路的線路通道，為后續(xù)設計研究奠定基礎。系統(tǒng)利用三維GIS平臺，獲取地形高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)及相關地理信息，直接進行鐵路線路規(guī)劃設計，并進行方案綜合展示、構建沿線鐵路三維場景及線路方案比選。
圖1 進行線路交互式定線
圖2 設置縱斷面變坡點
圖3 規(guī)劃車站、橋梁和隧道的位置
在線路規(guī)劃完成后，設計人員將線路平、縱數(shù)據(jù)直接導入AutoCAD Civil 3D軟件，并根據(jù)初步選定的裝配，快速創(chuàng)建鐵路路基三維模型。AutoCAD Civil 3D強大的參數(shù)化鐵路路基建模和動態(tài)更新的特性幫助線路和路基專業(yè)設計人員高效率地完成了工作，通過對路線平縱斷面的調整，可以實時地觀察到路基模型的更新和土方量的變化。
圖4 添加路基模型生成三維路基
由于線路穿越山區(qū)，地形起伏很大，因此橫斷面的變化也很多。在傳統(tǒng)的設計手段下，這部分的工作通常需要花費大量時間和人力。一般來說，10km的路基橫斷面需要大約5天。利用AutoCAD Civil 3D的智能路基橫斷面部件，如條件判斷部件等組成的裝配可以很容易地應對橫斷面的變化。同時在AutoCAD Civil 3D中的橫斷面圖紙和路基模型動態(tài)關聯(lián)，任何對于線路平縱斷面和路基裝配的修改，都可以實時精確地反映到橫斷面圖紙上。
圖5 三維路基模型與橫斷面圖對應關系 圖6 根據(jù)三維路基模型自動生成二維橫斷面圖
這就使設計人員可以集中精力在設計本身上。在本項目中，160km的鐵路路基設計上，設計人員花了大約10天時間來研究橫斷面的坡度、擋土墻和排水溝等細部問題，而只用了一小部分時間修訂圖紙。
BIM技術在橋梁設計的應用
在鐵路橋梁設計方面，設計人員使用Autodesk Revit Structure建立了大量的參數(shù)化橋梁結構族庫，并定制了相關的視圖樣板和明細表模板。根據(jù)測繪、地質、線路等基礎數(shù)據(jù)，設計人員利用參數(shù)化的族庫，拼裝成三維橋梁模型之后，便可快速得到二維圖紙和混凝土工程量。同時，借助Autodesk Revit的API，橋梁工程師還開發(fā)出了橋梁下部結構的參數(shù)化鋼筋配置模塊，為每一種不同類型的橋墩和橋臺快速布置實體鋼筋，以便于鋼筋圖的生成和鋼筋數(shù)量的統(tǒng)計。
圖7 三維剛架墩模型（參數(shù)集）
圖8 鋼架墩二三維圖紙
BIM技術在車站設計的應用
在車站設計上，設計人員采用了基于BIM理念的Autodesk Revit系列軟件。在傳統(tǒng)工作方式下，不同專業(yè)之間的設計人員采用二維平面圖進行交流，既不直觀又容易出現(xiàn)不協(xié)調的情況。而設計中一個小小的專業(yè)間的碰撞就有可能在施工中帶來巨大的成本追加。在本項目的車站設計中，設計人員使用Autodesk Revit的工作集和鏈接管理，將多專業(yè)的Autodesk Revit模型進行整合和沖突檢測。其中的一個車站設計，總共發(fā)現(xiàn)管道系統(tǒng)和結構構件之間5處碰撞。根據(jù)碰撞結果，設計人員重新進行管線綜合，在施工之前將錯誤避免，同時也為業(yè)主提供了更為直觀的最終成果展示手段。
圖9 通過Autodesk Revit軟件設計的車站三維模型
圖10 通過不同視角對三維模型進行切割
在完成設計之后，整個車站的模型被導入Autodesk NavisWorks進行四維施工模擬，以便施工項目經(jīng)理和業(yè)主更好地了解項目建造過程和控制施工進度。
圖11 四維模擬施工一
圖12 四維模擬施工二
BIM技術與成果展示
在展示交流方面，一方面設計人員將AutoCAD Civil 3D創(chuàng)建的三維鐵路路基模型和地形通過AutoCAD Civil View導入Autodesk 3ds Max Design進行鐵路軌道線路的可視化展現(xiàn)，以便于方案溝通。之前，建模工作需要在Autodesk 3ds Max中完成。路基的臺階式邊坡和高度變化的擋墻通常需要花費大量時間和人力，而且模型精度不高，只是一種示意?，F(xiàn)在，AutoCAD Civil 3D精確的三維模型可以無縫地導入到Autodesk 3ds Max Design中來，并使AutoCAD Civil 3D模型和Autodesk 3ds Max模型保持一致的更新關系。不僅真實地反映了工程，更省去了重復建模的時間。多媒體制作人員可以集中精力完成后期的渲染表現(xiàn)和動畫制作，而不是在建模工作上。
圖13 在Autodesk 3ds Max導入的道路局部模型
另外一方面，項目完成之后，多媒體部門將歐特克軟件生成的路基、橋梁和車站等信息都導入到自主研發(fā)的可視化系統(tǒng)中，并結合測繪、地質等基礎數(shù)據(jù)，進行整個項目全線的展示匯報，以及相應的設計數(shù)據(jù)管理。
圖14 高精度三維虛擬地形場景
圖15 精細三維橋梁模型
在該高速鐵路項目上，項目團隊使用了歐特克工程建設行業(yè)的大部分主流軟件。在項目的各個不同階段開展工作，應對設計挑戰(zhàn)，在有限的項目設計周期內高質量地完成了設計任務。同時，由于應用了BIM技術，各個階段的設計數(shù)據(jù)也得到了有效地傳遞和繼承，為后期的建設施工和運營維護提供了寶貴的資料。
*本項目在中勘協(xié)與歐特克共同主辦的2012年“創(chuàng)新杯”BIM設計大賽中獲得 最佳工業(yè)工程類BIM應用獎一等獎
