铁路工程BIM设计涉及专业多、专业接口复杂、与地形地质关系密切，在现阶段，由于专业间BIM资源不能很好地相互利用，铁路工程BIM仍以单专业翻模为主，各专业开展BIM正向设计困难。设计人员根据已有二维设计成果创建BIM模型，反向检验设计成果，而不能将设计中的“差错漏碰”防范于未然，反而给设计带来了额外的负担，使BIM技术的推广在“源头”上出现了问题。
平台比选
目前，Autodesk、Bentley和Dassault三家公司的软件产品占据了大部分BIM软件市场份额。针对基础设施建设行业，每个平台均提供了BIM解决方案，但从正向设计角度衡量，各软件平台又展现出不同的优劣性，各平台对铁路设计适应情况对比见图1。
图1 三大软件平台对铁路工程适应性对比
从对各大软件平台的对比情况可以看出，Bentley平台对于铁路工程设计具有明显的优势，比较符合铁路工程设计的特点，故选取Bentley平台进行铁路BIM正向设计研究。
设计方案
BIM正向设计流程
BIM正向设计是指利用BIM技术，以地形、地质为基本设计资料，按设计流程依次进行线路设计、站前工程设计和站后工程设计。设计过程与传统二维设计过程类似，但需要有序的组织协同设计工作流和BIM数据流。工作流中规定了工作内容的先后顺序，BIM数据流中定义了BIM设计成果的传递方向。以站前隧道专业为例，从与其相关的上游专业开始，对铁路工程BIM正向设计过程进行梳理见图2。
图2 基于BIM技术的铁路正向设计流程
设计流程管理
目前，国内各铁路设计院基本上都有自主研发的流程管理软件，但主要适用于二维设计，不能对BIM协同设计中的数据流做到有效的追踪和管理。Bentley ProjectWise基于ModeIServer和 Internet技术开发，可在设计过程中进行BIM资料互提，文件版本管理，参考关系记录，确保数据源一致，使设计人员突破空间限制，跨区域进行协同设计。首先由管理员在服务器端创建项目和专业配置，设定工作流程、项目组成员、统一的坐标系统和符号等，再根据不同的设计角色设定权限。设计人员通过客户端获取本专业所需的项目资源，进行专业间互提资料。所有设计人员依靠统一的项目数据源开展设计工作。当工作状态发生改变时，以信息的方式通知相关设计人员进入下一个工作节点，直至设计完成。
地形地质建模
地形建模一般由测绘专业完成。首先，根据线位大致走向采用卫星遥感和航空摄影手段获取高分辨率的地理信息，然后加工成数字高程模型（DEM），正射影像（DOM），最后在PowerCivil中利用DEM和DOM文件生成地形模型。
地质建模一直以来是铁路行业BIM的一大难题，但随着近几年来铁路BIM软件的发展，基于BIM基础平台开发的三维地质建模软件已经能够基本满足工程需要。基于Bentley MicroStation上开发的AglosGeo能够利用地质钻孔、剖面，地质构造特征等数据创建地质模型，有效简化建模难度，提高建模效率。在Bentley软件中创建的地形、地质模型见图3。
图3 地形、地质模型
线路设计
在铁路工程设计中，线路平纵是所有专业空间定位的基准，线路数据能否被下游专业直接利用是实现BIM正向设计的关键。PowerCivil提供的线路平纵设计工具可直接在地形、地质模型上进行线路设计。首先在平面视图中设计线路平面，软件会沿线路剖切地形模型生成地形纵剖面，在此基础上进行线路纵断面设计，最后在三维视图中会自动拟合出线路空间曲线，见图4。
图4 PowerCivil线路设计
工点设计
下面以站前隧道工点设计为例，研究工点的BIM正向设计方法。
1创建标准断面模板库
隧道BIM设计与路基、桥涵工程类似，均为特定形式断面沿线路有序的组合与拉伸。首先创建工点所需的标准断面库。在PowerCivil中设计好隧道衬砌横断面，利用Bentley平台第三方软件CivilStationDesign将隧道衬砌断面以构件为单位导入廊道模板库。为便于后面洞身设计，可在断面库中将各构件组合为一个完整的隧道断面，见图5。
图5 创建标准断面库
2隧道洞身设计
隧道洞身设计是根据隧道埋深和地形地质情况确定在不同工况下采用什么样的衬砌断面，最后沿线路装配成隧道洞身模型。首先通过PW将地形、地质、线路文件参考到隧道模型空间，依据地形情况初步确定隧道进出口里程，经过PW互提资料流程得到相关专业确认。最后参照围岩地质情况在PowerCivil中用廊道工具将预先定义好的隧道衬砌断面沿线路装配，完成隧道洞身设计。
3隧道洞口设计
隧道洞口设计主要包括洞门结构设计、边坡开挖与防护设计、洞口排水设计。洞门结构可直接在Microstation中进行三维设计。洞口排水沟与隧道洞身建模特征类似，设计方法同洞身设计。而隧道洞口开挖坡面是由两侧边坡和拱部仰坡组成，在三维设计中，当采用不同坡率分台阶开挖时，边、仰坡曲面的过渡设计是难点。对于此类特殊场地建模，尝试将其导入GeoPak Site进行坡面设计能够得到较为理想的效果。
首先将洞口地形文件导出为Tin格式，导入GeoPak Site进行洞口边仰坡的参数化设计，利用引导线使隧道边坡和仰坡自然过渡。最后将设计好的边、仰坡曲面导出为DTM文件，在PowerCivil中与原始地形合并，形成开挖后的地形模型。剩余设计均可在PowerCivil中完成。
4隧道结构设计
隧道结构设计主要包括隧道锚杆，钢筋网片，钢架，二次衬砌钢筋等。可利用结构设计软件ProStructures完成，该软件支持中国本地化技术规程设置。在钢筋设计过程中，可调用常用钢筋类型或自定义钢筋类型。在钢结构设计过程时，当选择钢构件连接形式并设定相关参数后，可自动生成钢结构连接件。设计完成的隧道锚杆、钢筋、钢架模型见图6。
图6 ProStructures隧道结构设计
5工程数量统计
Bentley软件具有一定的工程数量计算和统计功能，具体可归纳为以下两类：
利用专用工具如ProStructure、PowerCivil生成的钢结构模型和廊道模型，这类对象能够直接被软件统计工程数量，见图7。
手工创建的模型，如隧道洞门、挡墙等，这类构件数量只能通过手动查看属性的方法获取，不能被统一汇总。
第一类虽然实现了体积、数量、质量的统计，但是形式比较简单，项目类型离散，尚不能满足实际工程需求。针对以上两种情况，需要根据专业特点进行二次开发，对工程数量进行分类汇总后方可使用。
图7 钢架、二次衬砌工程数量表
标准实施
要使BIM信息在整个工程寿命周期内有序的传递，在建模时就应考虑合理的单元划分、明确的构件标识和规范的属性格式。为此，铁路BIM联盟联合各理事单位共同编写并发布了《铁路实体结构分解指南1. 0)) (EBS)、《铁路工程信息模型分类与编码标准1. 0)) (IFD)和《铁路工程信息模型数据存储标准》(IFC)，在铁路工程BIM设计时应遵照执行。
在BentleyV8i版本软件中，一般是不允许用户直接添加自定义属性信息的，只能通过间接方式实现模型与信息的绑定。首先在Bentley Class Editor中按照铁路IFC中扩展的类和逻辑关系创建类，并为其创建属性集。在建模时利用Civil Station Design将模型对象与对应的类进行绑定，这样就实现了模型、类与属性集的统一。
铁路BIM正向设计有以下几点建议：
不宜脱离上下游专业独立研究，专业间的数据交互是关键，设计时应尽量选用数据格式互通的软件，以便于专业间模型和数据相互调用。
基于Bentley的铁路BIM正向设计技术路线基本可行，但基础平台软件对铁路设计的专业化程度不足，一个专业的设计工作需要在多个软件中完成，正向设计效率偏低。应注重对基础平台的二次开发，使其符合铁路设计习惯，提高设计效率。
进行铁路工程BIM设计时，只有遵循统一的技术标准才能使BIM信息在工程建设各阶段有序的传递。目前铁路工程BIM标准尚处于验证和完善阶段，需要业主、设计院、施工单位和软件厂商多方共同努力方能推广执行。
BIM作为未来铁路信息化建设的发展方向，已经在业内得到了广泛的应用和发展，并取得了实质性进展。随着铁路BIM标准的不断完善，将促使BIM技术在铁路设计中更加广泛的推广和应用。BIM设计手段作为铁路信息化建设的一部分，融合了当今先进的计算机资源、 测绘技术、 网络和大数据技术，其优越性必将给铁路工程设计行业带来一场巨大的变革。
