西成線江油北站路基BIM的應(yīng)用

■ 徐駿 李安洪 劉厚強(qiáng) 姚裕春 張耀

西成線江油北站路基BIM的應(yīng)用

■ 徐駿 李安洪 劉厚強(qiáng) 姚裕春 張耀

從鐵路應(yīng)用建筑信息模型（BIM）優(yōu)勢、鐵路全生命周期BIM應(yīng)用需要、鐵路BIM應(yīng)用科研申報(bào)及標(biāo)準(zhǔn)編制需要和鐵路BIM應(yīng)用保持領(lǐng)先需要方面分析BIM應(yīng)用的必要性；結(jié)合工程實(shí)際，從籌備、設(shè)計(jì)、施工、展示方面闡述和分析技術(shù)思路，核心是以BIM模型為紐帶，實(shí)現(xiàn)BIM建模及模型在施工和展示中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。

建筑信息模型；鐵路路基；設(shè)計(jì)；施工

1 概述

目前，以建筑信息模型（BIM）為核心理念的數(shù)字化三維技術(shù)的出現(xiàn)，給工程建設(shè)企業(yè)生產(chǎn)及管理效率提升帶來新的驅(qū)動(dòng)力。

我國建筑、水電等行業(yè)BIM應(yīng)用相對成熟，已全力推廣應(yīng)用。與建筑、水電等行業(yè)相比，鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用處于起步階段。為適應(yīng)鐵路行業(yè)工程建設(shè)三維信息化發(fā)展需要，中國鐵路總公司及中國中鐵股份公司積極推進(jìn)以BIM為核心的三維數(shù)字化鐵路建設(shè)，應(yīng)用范圍涵蓋鐵路勘測、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營全生命周期。路基作為鐵路重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，BIM的設(shè)計(jì)尚處于前期調(diào)研及建模方法探索階段。調(diào)研工作主要是歐特克CIVIL3D三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的適用性及二次開發(fā)，建模方法主要包括施工過程的三維路基建模、協(xié)同數(shù)據(jù)接口及路基工程信息分類。與其他專業(yè)不同，以填方、挖方為主的路基修建過程因其施工機(jī)械較為簡單，且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，在有關(guān)單位技術(shù)支持下，鐵路路基基于BIM的施工已具備一定基礎(chǔ)，可補(bǔ)充鐵路BIM應(yīng)用全生命周期的施工環(huán)節(jié)。鐵路路基數(shù)字化施工需輸入三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，為BIM應(yīng)用提供了契機(jī)。

2 BIM應(yīng)用的必要性

2.1 應(yīng)用優(yōu)勢

建立鐵路路基三維模型，可直觀展示設(shè)計(jì)效果，有效檢查設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。目前，發(fā)達(dá)國家相繼制定了勘察設(shè)計(jì)行業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)，并以此衡量、驗(yàn)收勘察設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)成果，掌握BIM的勘察設(shè)計(jì)單位，才能參與勘察設(shè)計(jì)。因此，無論是從提高工程建設(shè)效率、增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力，還是從適應(yīng)市場需求角度出發(fā)，開展BIM應(yīng)用研究非常必要和迫切。

2.2 鐵路全生命周期BIM應(yīng)用的需要

目前，鐵路設(shè)計(jì)院BIM應(yīng)用在勘測、設(shè)計(jì)方面取得了較大進(jìn)步，尤以隧道、橋梁最為明顯。但其模型只包括靜態(tài)施工信息，用于信息查詢或過程模擬，尚未考慮直接用于控制機(jī)械數(shù)字化施工，缺乏后續(xù)運(yùn)營階段BIM應(yīng)用所需的施工過程信息。與隧道、橋梁相比，目前積累的鐵路路基數(shù)字化施工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)BIM模型與施工機(jī)械控制模塊輸入數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，有利于盡快推動(dòng)BIM在施工中的應(yīng)用，為BIM應(yīng)用于鐵路全生命周期打下基礎(chǔ)，也為后續(xù)運(yùn)營階段BIM應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，首次實(shí)現(xiàn)鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用于施工環(huán)節(jié)。

2.3 鐵路BIM應(yīng)用科研申報(bào)及標(biāo)準(zhǔn)編制的需要

目前，鐵路行業(yè)全生命周期BIM應(yīng)用實(shí)踐較少，不利于相關(guān)科研立項(xiàng)及標(biāo)準(zhǔn)編制。通過鐵路路基BIM應(yīng)用實(shí)踐，進(jìn)行勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營全過程BIM應(yīng)用探索，可為高級別科研項(xiàng)目立項(xiàng)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制提供重要支撐和參考依據(jù)。

2.4 鐵路BIM應(yīng)用保持領(lǐng)先的需要

目前，鐵路設(shè)計(jì)院開展了BIM應(yīng)用研究，從三維建模角度來看，所用平臺(tái)彼此差距很小，需進(jìn)一步提升BIM應(yīng)用水平及競爭力，可從兩個(gè)方面開展工作：一是盡快掌握高級二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效、快捷的三維建模，其難點(diǎn)是需要持續(xù)的開發(fā)技術(shù)支持；二是與已有先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，包括三維GIS技術(shù)、路基數(shù)字化施工技術(shù)等，推動(dòng)BIM在鐵路建設(shè)全過程中的應(yīng)用，通過鐵路路基的BIM應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)和完善。

3 技術(shù)思路

為探索BIM在鐵路路基中的應(yīng)用，結(jié)合西成線江油北站開展研究。

（1）通過在工程現(xiàn)場開展基于鐵路路基的BIM數(shù)字化施工試驗(yàn)，第一次示范性地將BIM應(yīng)用于勘察、設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)。一是展示BIM在勘察、設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)的整合應(yīng)用；二是驗(yàn)證路基BIM應(yīng)用方案的可行性，推動(dòng)BIM在鐵路路基中的應(yīng)用；三是驗(yàn)證連續(xù)壓實(shí)數(shù)字化施工方法，推動(dòng)其推廣應(yīng)用；四是展示聯(lián)合數(shù)字工地系統(tǒng)。

（2）現(xiàn)場試驗(yàn)。基于BIM的數(shù)字化施工重點(diǎn)關(guān)注路基填筑的施工過程控制和施工質(zhì)量保證。一是從BIM獲取用于數(shù)字化施工的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；二是利用GPS流動(dòng)站（引入北斗定位系統(tǒng)）進(jìn)行數(shù)字化測量；三是機(jī)械施工引導(dǎo)與控制，包括挖掘機(jī)可視化引導(dǎo)、壓路機(jī)智能壓實(shí)與推土機(jī)可視化引導(dǎo)、鏟刀自動(dòng)控制與平地機(jī)鏟刀自動(dòng)控制；四是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向交互（手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電臺(tái)、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)、光纖有線網(wǎng)絡(luò)的綜合應(yīng)用）；五是將施工過程數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)傳輸?shù)紹IM數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行BIM成果遠(yuǎn)程應(yīng)用；六是數(shù)據(jù)挖掘，依據(jù)鐵路相關(guān)規(guī)范實(shí)時(shí)生成相關(guān)報(bào)表。

3.1 籌備

（1）試驗(yàn)區(qū)段。根據(jù)連續(xù)壓實(shí)規(guī)范，試驗(yàn)區(qū)段長度應(yīng)不小于100 m，為完成數(shù)字化施工及遠(yuǎn)程展示，應(yīng)有便捷的電力、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控房屋等設(shè)施。選定西安—成都客運(yùn)專線四川段五標(biāo)江油北站四軌道站場及站臺(tái)和路基段為試驗(yàn)區(qū)段，長約330 m，寬60～80 m，包括旅客通道、換填區(qū)、排洪涵、樁基托梁擋土墻等，為非連續(xù)路基施工。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境及施工進(jìn)展，將試驗(yàn)區(qū)段劃分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。A區(qū)域?yàn)榫匦?，長35 m，寬約60 m，作為連續(xù)壓實(shí)工藝試驗(yàn)段及基于BIM的數(shù)字化施工試運(yùn)行場地；B區(qū)域?yàn)槁每屯ǖ兰皳Q填區(qū)，長15 m，寬約60 m；B區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)深坑，將A、C區(qū)域分隔開，需填平后才能貫通施工；C區(qū)域?yàn)檫B續(xù)路基段，長150 m，寬約60 m；D區(qū)域?yàn)檫B續(xù)路基段，長130 m，寬約60 m。因排洪涵設(shè)計(jì)，D區(qū)域與C區(qū)域分隔；D區(qū)域作為對比段，采用傳統(tǒng)施工方式，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工的效能對比。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；诂F(xiàn)有“線、站、路、涵”等二維設(shè)計(jì)資料，通過編寫臨時(shí)輔助程序得到三維線路。根據(jù)二維橫斷面設(shè)計(jì)中的地質(zhì)情況，通過修改路基輔助設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出Civil3D支持的地質(zhì)建模插件輸入數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維地質(zhì)分層曲面；根據(jù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的平面地形圖，獲得三維數(shù)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)和將實(shí)測橫斷面地面線解析為三維散點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將兩類點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Civil3D，建立三維地面；橫斷面裝配部件類型梳理，為建模提供依據(jù)，進(jìn)行功能分類并考慮與分層填筑相關(guān)的部件構(gòu)建。

3.2 設(shè)計(jì)

（1）三維建模。主要基于Civil3D軟件開展三維建模。一是根據(jù)線路平面數(shù)據(jù)建立線路；二是根據(jù)縱斷面圖建立縱斷面；三是采用部件編輯工具構(gòu)建工點(diǎn)典型裝配橫斷面；四是按裝配橫斷面類型及對應(yīng)里程范圍初步生成道路；五是設(shè)置采樣線，其位置與二維設(shè)計(jì)圖中各橫斷面一致；六是按控制點(diǎn)位置生成特征線，將三維設(shè)計(jì)道路各橫斷面與二維設(shè)計(jì)圖調(diào)整一致；七是生成包括路基頂面及兩側(cè)坡面的分層（30 cm，參數(shù)化）曲面，導(dǎo)出Landxml文件，用于數(shù)字化施工機(jī)械輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理；八是生成分層路基實(shí)體，供后期施工模擬、信息集成及效果展示使用。

（2）模型后期處理，主要基于3dmax軟件。一是將Civil3D路基壓實(shí)模型轉(zhuǎn)為實(shí)體，導(dǎo)出格式為3dmax；二是完成3dmax中路基實(shí)體模型的完善及美化后，導(dǎo)入三維GIS展示平臺(tái)；三是完成工地完整施工模擬動(dòng)畫制作，用于展示平臺(tái)演示。

3.3 施工

施工現(xiàn)場應(yīng)用聯(lián)合數(shù)字工地系統(tǒng)應(yīng)架設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)、定位基站等數(shù)字化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和定位全覆蓋；通過內(nèi)業(yè)系統(tǒng)接收BIM的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并對設(shè)計(jì)和施工任務(wù)進(jìn)行配置，同時(shí)傳輸給安裝在施工機(jī)械上的引導(dǎo)與控制系統(tǒng)，指導(dǎo)機(jī)械施工?，F(xiàn)場需要配置挖掘機(jī)1臺(tái)、推土機(jī)1臺(tái)、平地機(jī)1臺(tái)、壓路機(jī)2臺(tái)，其中平地機(jī)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鏟刀控制，推土機(jī)盡量實(shí)現(xiàn)鏟刀自動(dòng)控制。機(jī)械施工過程中的全部關(guān)鍵數(shù)據(jù)將被實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與備份，按照我國鐵路行業(yè)的相關(guān)規(guī)范生成相關(guān)報(bào)表，用于用戶交互。這些數(shù)據(jù)將被動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地傳輸?shù)紹IM數(shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)BIM遠(yuǎn)程應(yīng)用?；贐IM的數(shù)字化施工見圖1。

（1）施工組織。數(shù)字工地在現(xiàn)場建立，主要包括數(shù)字化測量系統(tǒng)（GPS方式）、機(jī)械引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（推土機(jī)、挖掘機(jī)、壓路機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)）、無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)（WiFi網(wǎng)絡(luò)）、數(shù)據(jù)挖掘、交互平臺(tái)等?；贐IM的施工組織流程見圖2，壓路機(jī)連續(xù)壓實(shí)施工見圖3。

（2）模擬及驗(yàn)證。一是施工前利用設(shè)計(jì)文件進(jìn)行辦公室環(huán)境下的模擬；二是施工前在現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)預(yù)演等。

（3）目標(biāo)壓實(shí)參數(shù)確定。參考連續(xù)壓實(shí)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，在試驗(yàn)區(qū)段數(shù)字化施工開始的第一層壓實(shí)過程中（通過系統(tǒng)預(yù)演及連續(xù)壓實(shí)參數(shù)采集），結(jié)合傳統(tǒng)檢測手段分步確定目標(biāo)壓實(shí)參數(shù)，需施工單位按分遍、分層要求進(jìn)行配合。

（4）正式數(shù)字化施工。根據(jù)獲得的目標(biāo)壓實(shí)參數(shù)，指導(dǎo)機(jī)械逐層壓實(shí)其他各層。根據(jù)需要對壓實(shí)薄弱區(qū)采用傳統(tǒng)方法檢測，并完成過程數(shù)據(jù)采集；采用視頻錄制、現(xiàn)場記錄、系統(tǒng)記錄等多種方式完整、真實(shí)記錄試驗(yàn)區(qū)段全過程。

3.4 展示

基于三維GIS系統(tǒng)開發(fā)的路基BIM應(yīng)用三維GIS平臺(tái)見圖4。

圖1 基于BIM技術(shù)數(shù)字化施工示意

（1）三維場景。范圍為江油北車站區(qū)段，沿線路方向D4K472+000—D4K479+000，線路中線左右側(cè)各2 000 m。采用前期航測制圖所用的黑白航片制作正射影像；采用購買的0.7 m分辨率單片彩色影像進(jìn)行糾正；黑白影像與所購買的彩色影像融合；生成沿線三維地形場景；三維場景中導(dǎo)入已建好的三維路基模型。

圖2 基于BIM技術(shù)施工組織流程

圖3 基于BIM技術(shù)的壓路機(jī)連續(xù)壓實(shí)施工連續(xù)壓實(shí)施工

圖4 路基BIM應(yīng)用三維GIS平臺(tái)示意

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控三維GIS平臺(tái)。整體架構(gòu)采用B/S模式；施工現(xiàn)場視頻接入和演示；施工步驟模擬視頻循環(huán)播放；沿線三維地形場景演示及路基屬性信息查詢；路基施工動(dòng)態(tài)模擬。

4 總結(jié)

（1）以BIM為核心理念的數(shù)字化三維技術(shù)是工程建設(shè)企業(yè)生產(chǎn)及管理效率提升的動(dòng)力，可幫助企業(yè)更準(zhǔn)確、更有效地控制工程建設(shè)過程，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、控制施工質(zhì)量和簡化運(yùn)營管理，從而提高工程質(zhì)量，降低建設(shè)成本。

（2）鐵路路基點(diǎn)多面廣，因設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)的信息應(yīng)用和交換不及時(shí)、不準(zhǔn)確，造成大量人力、物力浪費(fèi)和風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生。建立路基三維模型可直觀展示設(shè)計(jì)效果，有效檢查設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，指導(dǎo)數(shù)字化施工，控制施工質(zhì)量。

（3）與隧道、橋梁相比，鐵路路基數(shù)字化施工技術(shù)有一定的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)BIM模型與施工機(jī)械控制模塊輸入數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，有利于盡快推動(dòng)BIM在施工中的應(yīng)用，為BIM應(yīng)用于鐵路全生命周期打下基礎(chǔ)，也為后續(xù)運(yùn)營階段BIM應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（4）目前，鐵路行業(yè)全生命周期BIM應(yīng)用實(shí)踐較少，不利于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制。通過鐵路路基BIM應(yīng)用實(shí)踐，進(jìn)行勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營全過程，可為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制提供重要支撐和參考依據(jù)。

（5）在施工和展示中，實(shí)現(xiàn)BIM建模及模型的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，在公路、機(jī)場、港口、市政、水電等部門，尤其是在填方工程量較大的機(jī)場建設(shè)中應(yīng)用前景廣闊。

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徐駿：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級工程師，四川 成都，610031

李安洪：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級高級工程師，四川 成都，610031

劉厚強(qiáng)：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級工程師，四川 成都，610031

姚裕春：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級工程師，四川 成都，610031

張耀：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯葛化一

U213.1

A

1672-061X（2014）02-0075-04