基于BIM的鐵路路基連續(xù)壓實應(yīng)用探討

2014-02-14 09:03:58董興干熊世雄王垚劉呈斌溫劍

鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2014年2期

■ 董興干熊世雄王垚劉呈斌溫劍

■ 董興干熊世雄王垚劉呈斌溫劍

結(jié)合連續(xù)壓實和BIM的優(yōu)勢，提出一種新型鐵路路基連續(xù)壓實的應(yīng)用方案。以壓實質(zhì)量檢測為代表性業(yè)務(wù)，介紹應(yīng)用方案的設(shè)計思想及關(guān)鍵流程的實現(xiàn)方法（BIM鐵路三維設(shè)計轉(zhuǎn)換、連續(xù)壓實數(shù)據(jù)服務(wù)器、BIM工程管理平臺）。通過在貴廣線某試驗工點、西成客運專線江油北站開展的實踐，證明應(yīng)用方案的可行性和適用性，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在鐵路路基連續(xù)壓實中的應(yīng)用價值和廣闊前景。

鐵路路基；壓實質(zhì)量；連續(xù)壓實；BIM；質(zhì)量檢測

1 概述

1.1 路基連續(xù)壓實

鐵路路基是鐵路建設(shè)的重要組成部分，其形成過程主要靠壓實完成。目前我國常用的壓實質(zhì)量檢測技術(shù)一般采用單點事后檢測方式，如地基系數(shù)K30、動態(tài)變形模量Evd等[1，2]。自20世紀(jì)80年代以來，國外涌現(xiàn)的“連續(xù)壓實”技術(shù)提供了路基全面質(zhì)量檢測的新型思路。其基本原理是：

（1）采用振動碾上的壓實傳感器自動記錄碾壓區(qū)域的壓實信息；

（2）采用GPS傳感器實時獲得壓實測點的精確位置和觀測時間；

（3）利用無線通信設(shè)備實時向數(shù)據(jù)處理中心傳送壓實信息；

（4）安裝在駕駛室的顯示器實時為機械手展示路基填筑的設(shè)計信息和壓實的信息，連續(xù)壓實采集系統(tǒng)原理見圖1。

1.2 BIM應(yīng)用概述

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）的定義最早由美國喬治亞技術(shù)學(xué)院建筑與計算專業(yè)的查克·伊斯曼（Chuck Eastman）博士提出。不同組織對BIM的定義也不同，但始終體現(xiàn)了BIM所要提倡的核心理念，即共享與轉(zhuǎn)換[3]，具體細分為3部分。第一，BIM將一個建設(shè)項目（如建筑物、鐵路工程）的單一構(gòu)件或物體作為基本元素，數(shù)字化其物理和功能特性，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。第二，BIM涵蓋建設(shè)項目從設(shè)計到拆除的全生命周期，在不同階段自動更新數(shù)據(jù)模型，提供精確的成本控制、施工控制的信息。第三，所有項目相關(guān)方使用BIM作為協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)通道[4]。

圖1 連續(xù)壓實采集系統(tǒng)原理

BIM應(yīng)用始于美國，如美國總務(wù)管理局于2003年首先推出國家3D-4D-BIM計劃[5]。目前日本、韓國等企業(yè)政府機構(gòu)也在積極推進BIM的應(yīng)用。近年來，我國開展了BIM應(yīng)用的多次嘗試，如北京奧運會水立方、上海中心大廈等?，F(xiàn)階段我國鐵路路基工程建設(shè)中應(yīng)用BIM主要偏向于設(shè)計階段[6]，著重解決現(xiàn)有二維路基設(shè)計的意圖不明確、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化等問題[7]。選擇設(shè)計階段原因主要是目前我國沒有單一軟件或集成的成套軟件可用。第二，現(xiàn)有可用的軟件主要偏向于三維建模（如Autodesk Revit、CATIA，Sketchup）[8]?？傊?，基于BIM“共享與轉(zhuǎn)換”的理念，結(jié)合連續(xù)壓實技術(shù)，逐步建成各階段的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，在路基立項決策、勘察設(shè)計、工程實施各階段集成或定制相關(guān)軟件。該研究思路能為鐵路路基工程的工作理念創(chuàng)新與改變創(chuàng)造可能性。

2 應(yīng)用方案

現(xiàn)有鐵路路基進行質(zhì)量檢測的通用業(yè)務(wù)流程是：施工單位拿到路基填筑點的二維設(shè)計（路基橫斷面圖和線路定線信息是重要的組成部分），根據(jù)工藝性試驗得出的結(jié)論進行填筑和碾壓，自檢合格后報送監(jiān)理檢驗。監(jiān)理根據(jù)相關(guān)規(guī)范收集檢驗數(shù)據(jù)并將質(zhì)量結(jié)果發(fā)送施工單位。施工單位開展分層填筑壓實工作。在每層壓實工作完成后，監(jiān)理在現(xiàn)場選擇檢測點并收集常規(guī)質(zhì)量檢測的過程數(shù)據(jù)。最后監(jiān)理計算得到檢測結(jié)果發(fā)給施工單位。施工單位根據(jù)檢測成果決定下一步工作。如果檢測合格，則進行下一層的填筑工作；如果檢測不合格，需依據(jù)監(jiān)理的建議進行整改。

大量的工程實踐發(fā)現(xiàn)以上業(yè)務(wù)流程存在幾點不足：（1）二維設(shè)計不夠直觀，設(shè)計信息表達不明確。如無法為施工單位提供一整條線路連貫的分層填筑設(shè)計信息；（2）監(jiān)理現(xiàn)場選點位置和數(shù)量一般是參照現(xiàn)有規(guī)范及個人經(jīng)驗，選定位置具有較強的隨機性，同時以多個點代表整個區(qū)域壓實質(zhì)量結(jié)果的做法有待改進；（3）從收集過程的數(shù)據(jù)到最終檢測指標(biāo)值的計算公式繁瑣[1]，往往需手工錄入電腦中使用軟件輔助計算。如果現(xiàn)場不具備電腦辦公條件，則工作人員往往須返回到項目部計算數(shù)據(jù)，然后再回到現(xiàn)場，嚴重影響整個施工效率；（4）目前的流程中涉及的很多數(shù)據(jù)多以紙質(zhì)方式存儲，易丟失或損壞。

2.1 設(shè)計思想

使用連續(xù)壓實技術(shù)實時采集整個區(qū)域的壓實質(zhì)量信息，使用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)路基壓實信息的互聯(lián)，再融合BIM的“共享與轉(zhuǎn)換”理念集成現(xiàn)有軟件或研發(fā)配套軟件，應(yīng)用方案的設(shè)計思想見圖2。

第0步，在鐵路路基壓實的全生命周期中，項目各相關(guān)方直接和BIM工程管理平臺交互。

第1步，BIM工程管理平臺基于設(shè)計單位提供的二維路基平面設(shè)計，建立三維模型，并轉(zhuǎn)換為壓實設(shè)備所識別的數(shù)據(jù)格式。壓路機在現(xiàn)場開始施工前，通過無線網(wǎng)絡(luò)將三維鐵路設(shè)計下載到顯示器中用于指導(dǎo)工作。三維鐵路設(shè)計明確填筑的邊界線，提供分層的壓實設(shè)計。在施工過程中，提供實際施工成果與設(shè)計的偏離情況，如填筑高度、壓實程度、碾壓遍數(shù)等。

第2步，壓路機機械手在現(xiàn)場實時操作時，安裝在機械上的傳感器可實時采集機器碾壓位置的壓實信息，包含單點壓實程度、精準(zhǔn)的位置信息、觀測時間（精確到毫秒）、壓路機的振幅、頻率、速度、機器行駛方向等。壓實信息是整個應(yīng)用方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接用于后期的壓實質(zhì)量檢測分析和BIM工程管理平臺出具報告。同時第2步采集的壓實信息具有3個特征，第一可以采集整個施工區(qū)域信息，非單點壓實信息；第二記錄所有碾壓過程信息。從分層的第一遍到最后一遍，從第一層到最后一層。第三是實時性，即壓實機器上的無線通信設(shè)備可實時將壓實信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器進行分析。

圖2 應(yīng)用方案的設(shè)計思想

第3步，BIM數(shù)據(jù)服務(wù)器自動偵測、存儲、解算原始的壓實信息，并將分析后的壓實質(zhì)量檢測的成果數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式發(fā)往BIM工程管理平臺。

第4步，參照現(xiàn)行規(guī)范要求，BIM工程管理平臺生成壓實質(zhì)量檢測報告，用作現(xiàn)場施工的輔助決策信息。同時BIM工程管理平臺存儲現(xiàn)場施工的所有數(shù)據(jù)，項目相關(guān)方可以查看歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場壓實工作的過程回溯。

2.2 關(guān)鍵流程的實現(xiàn)方法

通過研究現(xiàn)有軟件及研發(fā)自主軟件，初步實現(xiàn)提出的應(yīng)用方案，其中需要打通的關(guān)鍵流程及實現(xiàn)方法如下：

（1）打通二維路基設(shè)計到BIM三維設(shè)計環(huán)節(jié)。目前可行的獲取方式有2種。第一種方式通過人工識別二維設(shè)計要素（如定線、坐標(biāo)、類型、橫斷面等），利用BC-HCE軟件功能模板，錄入要素信息生成三維設(shè)計。第二種方式是將已經(jīng)用三維建模軟件做好的三維模型（如AtuoDesk Civil 3D軟件），利用通用數(shù)據(jù)格式（如Landxml）導(dǎo)入BC-HCE自動生成三維設(shè)計。這2種方式得到的三維設(shè)計都可導(dǎo)出壓實設(shè)備所需的三維數(shù)據(jù)格式。

（2）實現(xiàn)路基連續(xù)壓實信息互聯(lián)。設(shè)計網(wǎng)絡(luò)方案時需考慮3個重要因素，第一是鐵路路基壓實信息的安全性；第二是基于鐵路線路本身狹長形特征，如何搭建經(jīng)濟實效的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。需注意的是鐵路全線線路很長，一般在十幾到二十公里，但路基是分段填筑，一般沿里程方向的最大填筑長度在100 m左右；第三在施工現(xiàn)場需確保壓實信息的完整性，避免數(shù)據(jù)丟失。

經(jīng)實踐證明，可通過賬戶授權(quán)及專網(wǎng)IP方式解決信息安全性問題；針對第二個因素，采用無線接入點配合大功率定向和全向天線可提供相對經(jīng)濟實用的方案。如圖3，在江油北站工點使用網(wǎng)絡(luò)方案的成本約為5 000元/km。針對第三個因素，首先需合理設(shè)計壓實信息的數(shù)據(jù)格式和傳輸時間間隔。經(jīng)測試，美國提供的連續(xù)壓實傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)頻次是每5 min產(chǎn)生一個20 kb左右的文件[9]。同時壓路機安裝的通信設(shè)備要支持多種網(wǎng)絡(luò)通信方式，如無線通信和GPRS網(wǎng)絡(luò)功能，確保網(wǎng)絡(luò)通暢。

（3）建立BIM數(shù)據(jù)服務(wù)器管理連續(xù)壓實信息。BIM數(shù)據(jù)服務(wù)器核心功能是自動監(jiān)測現(xiàn)場實時傳回的壓實信息、實時數(shù)據(jù)備份、自動壓實質(zhì)量分析、轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。其中，第一步，需編寫健壯的壓實質(zhì)量分析算法庫，針對實際復(fù)雜的情況進行測試。因壓實機屬于重型機械，操作壓路機產(chǎn)生人為設(shè)定特殊數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實的。超壓、過壓或壓實反彈的情況很難在實際中模擬。通過MCGSim軟件可模擬壓實路的碾壓工作，并人為設(shè)定碾壓的結(jié)果。第二步，通常一條鐵路線路的長度會達到十幾公里，加上足壓實信息的精細化需求，通常以0.1 m×0.1 m作為最小單元格網(wǎng)對路基壓實區(qū)域進行建模時，必然帶來海量數(shù)據(jù)。因此給篩選單點壓實信息、存儲所有數(shù)據(jù)提出了挑戰(zhàn)。采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫存儲方式可提高效率，并確保數(shù)據(jù)服務(wù)器的穩(wěn)定性。

3 工點試驗

3.1 二維路基設(shè)計到BIM三維設(shè)計環(huán)節(jié)

以江油北站試驗工點為例，首先實現(xiàn)二維設(shè)計到BIM設(shè)計的轉(zhuǎn)換，按照施工工藝進行分層。圖4為BC-HCE軟件中路基模型的部分內(nèi)容，其中紫色大區(qū)域部分為站場地基，其余部分為路基自下而上前9層。在軟件中也可通過軟件最下方的里程篩選按鈕，查看單個里程的詳細設(shè)計信息（見圖5）。

其次，通過BC-HCE軟件生成.svd、.svl、.cfg格式文件，導(dǎo)入CB460控制器，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，即實現(xiàn)三維路基設(shè)計到施工設(shè)備接口的打通。

3.2 路基壓實的全面質(zhì)量檢測在貴廣線某試驗工點上采集的信息非常具有代表性，該路基段長約120 m，寬40 m。圖例顏色藍色表示壓實合格的區(qū)域，紅色表示壓實不合格區(qū)域。通過圖6，第一，可直觀地查看整個碾壓區(qū)域的壓實信息，左圖統(tǒng)計的合格率為87.6%，右圖的合格率為95.1%。第二，左右兩幅圖均清楚地顯示薄弱區(qū)域。以右圖為例，在左上方邊緣存在明顯的長約56 m，寬為2.1 m的薄弱區(qū)域。現(xiàn)行規(guī)范中認為連續(xù)薄弱區(qū)域面積超過1 m2時，認為需要進行檢測。但進行常規(guī)質(zhì)量檢測選點時，依現(xiàn)行規(guī)范，在該路基段上只需沿著鐵路線路中心線，左右兩側(cè)等距離地采集6個點即可。該薄弱區(qū)域位于邊緣位置，很可能無法檢測到。第三，連續(xù)壓實技術(shù)可提供精準(zhǔn)的壓實信息，圖中每個單元格網(wǎng)均有準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息，以左圖中存在的漏壓區(qū)域為例?？赏ㄟ^該區(qū)域格網(wǎng)坐標(biāo)，使用GPS可在現(xiàn)場定位到該區(qū)域。經(jīng)查，該區(qū)域?qū)嶋H埋設(shè)直徑為20 cm的沉降標(biāo)。

3.3 使用BIM獲取壓實質(zhì)量的成果報告

以江油北站試驗工點為例，從BIM中將現(xiàn)場壓實信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，再對接BIM模型中，效果見圖7。原始的壓實信息包含精準(zhǔn)的位置信息，因此可以匹配到對應(yīng)的空間信息模型中，如地圖、三維地表等。

依據(jù)現(xiàn)行鐵路路基連續(xù)壓實現(xiàn)行規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)的壓實報告圖包含壓實程度分布圖、壓實狀態(tài)分布圖等。BIM工程管理平臺提供的壓實報告圖見圖8，紅色部分表示壓實質(zhì)量檢測不合格區(qū)域，綠色為合格區(qū)域。

4 結(jié)束語

針對BIM在路基連續(xù)壓實中的應(yīng)用，提出初步的較完善的方案，并在試驗工點中驗證了應(yīng)用方案的可行性。以路基壓實質(zhì)量檢測業(yè)務(wù)為切入點，系統(tǒng)地實現(xiàn)了該應(yīng)用方案，為解決現(xiàn)有路基壓實存在的諸多沖突提供了參考。下一步研究工作計劃是在路基的勘察設(shè)計階段研究基于BIM的4D施工模擬，在施工管理階段引入物料管理的信息并進行工程量統(tǒng)計等。同時在多個工點開展對本應(yīng)用方案的驗證，最終形成通用的可大范圍推廣的產(chǎn)品方案。