BIM技術(shù)在銀西高鐵工程中的應(yīng)用研究

劉彥明，沙培洲，徐 博

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

BIM技術(shù)自誕生以來，最早應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，目前在建筑行業(yè)已有較為成功的應(yīng)用案例，并且有較為成熟的配套軟件支持[1-2]。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域特別是鐵路工程中近幾年才進(jìn)行研究應(yīng)用，在中國鐵路BIM聯(lián)盟組織推動下，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系逐步完善，各試點(diǎn)項(xiàng)目正在穩(wěn)步推進(jìn)，BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用得到快速發(fā)展[3-7]。

研究選取銀西高鐵項(xiàng)目中的一站一區(qū)間和兩座特殊橋梁作為BIM技術(shù)應(yīng)用工程。新建銀川至西安鐵路位于陜西、甘肅及寧夏回族自治區(qū)等三省(區(qū))境內(nèi)，線路正線約長620 km(西安北站至銀川站)，設(shè)計(jì)時速為350 km。

一站一區(qū)間有橋梁13座，隧道4座，橋隧總長22 078.87 m，包括：九龍河大橋、寧縣二號隧道、馬蓮河特大橋等橋隧工程，特殊橋梁包括渭河特大橋和黃河特大橋。渭河特大橋全長13 132.86 m，主橋采用3聯(lián)3×60 m和2聯(lián)4×60 m桁腹式鋼混組合結(jié)構(gòu)[8]，其主橋模型見圖1。

圖1 渭河特大橋主橋模型

銀川機(jī)場黃河特大橋全長13 814.68 m，主橋采用96 m簡支鋼桁梁和3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)[9]，其主橋模型見圖2。

圖2 黃河特大橋主橋模型

本次研究主要采用PowerCivil、Revit、Tekla、ProjectWise 、Navisworks、ProStructures等軟件作為解決方案。

2 BIM技術(shù)的應(yīng)用研究

2.1 常規(guī)橋隧工點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，其橋隧工程占線路長度的比例不斷增加，一般項(xiàng)目均在50%以上，部分項(xiàng)目甚至達(dá)到90%以上，其中95%左右為常規(guī)的橋隧工點(diǎn)，經(jīng)過前期的研究開發(fā)，完成了基于PowerCivil和Revit平臺開發(fā)的Bridge ADS、BIM RBD、BIM BDS、BIM TT等一批鐵路橋隧輔助設(shè)計(jì)軟件[10]，同時還完成了鐵路橋隧標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫和能自定義的參數(shù)化構(gòu)件庫的創(chuàng)建[11]。

2.1.1 橋梁設(shè)計(jì)

利用橋梁輔助設(shè)計(jì)軟件可導(dǎo)入線路、地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，從墩臺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)到BIM模型的創(chuàng)建、修改，再到利用BIM模型進(jìn)行基礎(chǔ)優(yōu)化，最后生成施工圖。橋梁的部分二維圖紙可以通過定制模板利用模型的剖切投影得到，如橫斷面圖等，有些圖紙只能采用共用數(shù)據(jù)庫通過參數(shù)化生成所需圖紙，如曲線段的橋梁立面圖等，基于Bentley平臺鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面見圖3。

圖3 基于Bentley平臺鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1.2 隧道設(shè)計(jì)

(1)導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

通過對BIM軟件平臺的二次開發(fā)，導(dǎo)入地形，地質(zhì)模型及線路平、縱斷面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了隧道工程BIM快速設(shè)計(jì)。

(2)隧道襯砌斷面設(shè)計(jì)

輸入隧道基本信息，確定隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，創(chuàng)建基本隧道斷面，構(gòu)建隧道斷面庫，最后根據(jù)地質(zhì)資料設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)拼裝斷面序列，最后形成整個隧道BIM。

(3)隧道洞身設(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖地質(zhì)情況設(shè)計(jì)隧道洞身結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成隧道結(jié)構(gòu)整體裝配。

(4)隧道結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括錨桿、鋼架和二次襯砌鋼筋等。在Bentley ProStructure中可選擇中國本地化技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用交互式操作完成隧道鋼筋、鋼架BIM模型，并完成工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

利用隧道輔助設(shè)計(jì)軟件從隧道設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，到創(chuàng)建基本隧道斷面，再根據(jù)地質(zhì)資料設(shè)計(jì)隧道斷面結(jié)構(gòu)，最后完成隧道鋼筋、鋼架BIM模型和工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)。實(shí)現(xiàn)鐵路橋隧工點(diǎn)的三維可視化人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

以BIM技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)橋隧工點(diǎn)在BIM平臺上的正向設(shè)計(jì)，達(dá)到了高效建模、高效出圖算量的預(yù)期目標(biāo)。滿足鐵路橋隧標(biāo)準(zhǔn)化、自動化及批量化設(shè)計(jì)要求。

2.2 特殊橋梁BIM模型創(chuàng)建及應(yīng)用研究

(1)BIM模型創(chuàng)建

渭河特大橋采用3聯(lián)3×60 m和2聯(lián)4×60 m鋼腹桿預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)，共17孔，組合結(jié)構(gòu)腹板采用無豎桿三角桁，結(jié)構(gòu)通透，造型美觀，與渭河橋景觀協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

渭河特大橋創(chuàng)建的BIM模型包括鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)、空腹連續(xù)梁、連續(xù)梁-桁組合結(jié)構(gòu)、主橋模型、全橋模型，其全橋模型見圖4。

圖4 渭河特大橋全橋模型

銀西高鐵黃河橋3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱，桁高12.8 m，矢高(上弦以上)28 m，設(shè)計(jì)采用平行弦鋼桁梁加拱方式，增加跨越能力，結(jié)構(gòu)剛度較大，造型美觀，施工方便，為在高速鐵路上首次采用并獲得專利。

黃河特大橋創(chuàng)建的BIM模型包括96 m簡支鋼桁梁、3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱、主橋模型、全橋模型，其中96 m簡支鋼桁梁模型見圖5，3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱模型見圖6，全橋模型見圖7。

圖5 96 m簡支鋼桁梁

圖6 (3×168) m連續(xù)鋼桁柔性拱

圖7 黃河橋全橋模型

通過建立模型，進(jìn)行碰撞檢測，校核施工圖中的差錯漏碰等問題，以避免空間沖突[12]，盡可能減少碰撞，避免設(shè)計(jì)階段錯誤延續(xù)至施工階段，減少現(xiàn)場變更，保證施工工期。碰撞檢測中發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)板與襯板間的沖突見圖8。

圖8 節(jié)點(diǎn)板與襯板間的沖突

(2)施工模擬應(yīng)用研究

在Navisworks中采用動畫形式來表述施工過程，使復(fù)雜的工藝變得清晰明了，比傳統(tǒng)的施工步驟圖更能快速、準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖，通過建立與模型構(gòu)件對應(yīng)的施工步序的時間任務(wù)項(xiàng)，生成虛擬仿真環(huán)境下由時間驅(qū)動的4D動態(tài)模型[13]，完成黃河特大橋由2個拼裝施工面變?yōu)?個施工面的施工過程推演，施工工期由4.5年變?yōu)?.5年。模擬施工過程推演施工工期見圖9。

(3)場景漫游動畫應(yīng)用研究

通過已完成的BIM模型與三維地模融合，利用Lumion來創(chuàng)建漫游動畫既簡單又方便，可以真實(shí)反映項(xiàng)目周圍環(huán)境，方便業(yè)主充分理解設(shè)計(jì)理念，復(fù)雜、專業(yè)的橋式方案用動畫視頻來展示講解，更易接受，是各種專題匯報(bào)中不可或缺的內(nèi)容。創(chuàng)建的銀川黃河特大橋主橋漫游動畫見圖10。

(4)特殊鋼橋建模程序開發(fā)研究

由于沒有鐵路鋼橋桿件和節(jié)點(diǎn)的模塊，采用Tekla建模時重復(fù)工作量過大，后期修改繁雜，為此開發(fā)了參數(shù)化創(chuàng)建箱形桿件和鋼橋節(jié)點(diǎn)程序，大大提高了建模效率。鐵路鋼橋箱形桿件及節(jié)點(diǎn)程序界面見圖11。

2.3 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)研究

鐵路工程相比建筑工程具有參與設(shè)計(jì)專業(yè)多，專業(yè)間接口復(fù)雜的特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視專業(yè)間的協(xié)同工作管理。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，PojectWise具有較好的協(xié)同工作管理功能，能夠有效管理鐵路BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中的工作流和數(shù)據(jù)流。

(1)創(chuàng)建項(xiàng)目，配置相關(guān)專業(yè)及角色

首先，在ProjectWise管理員端創(chuàng)建項(xiàng)目數(shù)據(jù)源，設(shè)定參與項(xiàng)目的專業(yè)和設(shè)計(jì)角色。

(2)創(chuàng)建設(shè)計(jì)工作流

在整個設(shè)計(jì)過程中，工作流可細(xì)分為互提資料工作流和工點(diǎn)設(shè)計(jì)工作流。分別創(chuàng)建兩個工作流及工作流所包含的工作狀態(tài)，并設(shè)定每個工作狀態(tài)下的訪問權(quán)。

(3)開展BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)定好的工作流程，依次開展地形建模、地質(zhì)建模、線路設(shè)計(jì)和工點(diǎn)設(shè)計(jì)，當(dāng)互提資料和工點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中工作狀態(tài)發(fā)生變化時，通過消息管理器通知相關(guān)專業(yè)開展下一步工作直至設(shè)計(jì)完成?；赑W的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺見圖12。

圖12 基于PW的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺

鐵路工程具有參與專業(yè)多，專業(yè)接口復(fù)雜的特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視專業(yè)間的協(xié)同工作管理。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，PojectWise具有較好的協(xié)同工作管理能力，能夠有效管理鐵路BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中的工作流和數(shù)據(jù)流。首先創(chuàng)建項(xiàng)目，配置相關(guān)專業(yè)及設(shè)計(jì)角色，然后創(chuàng)建互提資料工作流和設(shè)計(jì)工作流，之后便可根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的工作流程開展多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，當(dāng)工作流狀態(tài)發(fā)生變化時，利用消息管理器通知相關(guān)專業(yè)開展下一步工作直至設(shè)計(jì)完成。

2.4 三維地形研究

(1)地理信息模型創(chuàng)建

地理信息模型創(chuàng)建需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)加工和模型合成3個步驟。當(dāng)前期方案研究階段對地形精度要求不高時，可通過BIGEMAP直接獲取谷歌地球已有的DEM和DOM數(shù)據(jù)生成地形模型。進(jìn)入設(shè)計(jì)階段對地形模型精度要求較高時，通過衛(wèi)星遙感和航空攝影的手段獲取更為精確的地形和影像數(shù)據(jù)，利用DEM和DOM在PowerCivil中創(chuàng)建地形模型。

(2)利用地形模型實(shí)現(xiàn)洞口邊仰坡開挖

隧道洞口場地開挖不同于路基邊坡開挖，其洞口坡面由兩側(cè)邊坡和拱頂仰坡組成。在三維設(shè)計(jì)中，當(dāng)邊、仰坡采用不同的坡率并且分臺階開挖時，對地形曲面的處理是一個難點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，利用Geopak site強(qiáng)大的場地設(shè)計(jì)功能，能夠較好地解決隧道洞口刷坡問題，使邊坡和仰坡自然過渡。

2.5 地質(zhì)模型研究

(1)創(chuàng)建地質(zhì)模型

地質(zhì)BIM建模一直以來是鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用的重難點(diǎn)問題，由于地質(zhì)建模數(shù)據(jù)來源多樣，建模精度、范圍和深度要求不同，特殊地質(zhì)體(如斷層、褶皺、溶洞等)空間信息不規(guī)則，難以采用常規(guī)方法表現(xiàn)。根據(jù)鐵路的工程特點(diǎn)，對基礎(chǔ)BIM平臺進(jìn)行深度二次開發(fā)，形成鐵路地質(zhì)三維信息系統(tǒng)，能夠輔助地質(zhì)工程師方便地創(chuàng)建出三維地質(zhì)模型，滿足工程設(shè)計(jì)需要。創(chuàng)建的三維地質(zhì)模型見圖13。

圖13 三維地質(zhì)模型

(2)對地質(zhì)模型的應(yīng)用

經(jīng)過二次開發(fā)，能夠使后續(xù)專業(yè)直接在地質(zhì)模型上進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了隧道專業(yè)對地質(zhì)模型的開挖及洞口刷坡設(shè)計(jì)。

(3)隧道與地質(zhì)疊加BIM漫游

地質(zhì)BIM建模一直以來是鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用的重難點(diǎn)問題，由于特殊地質(zhì)體(如斷層、褶皺、溶洞等)空間信息不規(guī)則，難以采用常規(guī)方法表現(xiàn)。根據(jù)鐵路的工程特點(diǎn)，對基礎(chǔ)本特利平臺進(jìn)行深度二次開發(fā)，形成鐵路地質(zhì)三維信息系統(tǒng)，能夠輔助地質(zhì)工程師快速創(chuàng)建出滿足工程設(shè)計(jì)需要的三維地質(zhì)模型。設(shè)計(jì)專業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)在地質(zhì)模型上直接進(jìn)行隧道洞口開挖和橋臺基礎(chǔ)開挖等操作。但在項(xiàng)目應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于Mesh網(wǎng)格的幾何特性，在Mesh中相互進(jìn)行布爾運(yùn)算時偶爾會出現(xiàn)剪切異常的情況。

2.6 鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)研究應(yīng)用

BIM標(biāo)準(zhǔn)是保證BIM在工程全生命周期內(nèi)信息有效傳遞的前提，在BIM設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視對BIM標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。目前中國鐵路BIM聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了《鐵路實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》(EBS)[14]、《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》(IFD)[15]和《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》(IFC)[16]的1.0版本，但目前仍處于驗(yàn)證和完善時期，本次對鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步應(yīng)用。

《鐵路實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》，在進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)之前，根據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)階段所需表達(dá)的設(shè)計(jì)意圖分解工程構(gòu)件，選用不同精細(xì)程度的模型開展BIM設(shè)計(jì)。

《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)工程算量和模型管理需要，直接采用《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》中的編碼或通過組合的方式為BIM構(gòu)件賦予唯一的身份標(biāo)識碼。編碼以非幾何信息的方式添加到對應(yīng)的模型中。

《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》，鐵路IFC是在國際BuildingSmart組織發(fā)布的工業(yè)基礎(chǔ)分類的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了鐵路特有的專業(yè)領(lǐng)域類，并定義了相應(yīng)的屬性集。在Bentley ClassEditor中編寫鐵路各專業(yè)領(lǐng)域特有的類和對應(yīng)的屬性集。在創(chuàng)建BIM構(gòu)件時，采用CivilStationDesign將類與對應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)模型、類和屬性信息的統(tǒng)一。

為使項(xiàng)目參建各方BIM信息無損傳遞和數(shù)據(jù)共享，中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布了《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》。在本項(xiàng)目中對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步應(yīng)用研究。在Bentley ClassEditor中創(chuàng)建鐵路各專業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)類和對應(yīng)的屬性集。

在BIM建模時采用CivilStationDesign將類特性與對應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)了模型、類和屬性信息的統(tǒng)一，將有利于不同建設(shè)階段各方對模型信息的讀取和維護(hù)。

3 結(jié)語

(1)基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)理念將對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和管理流程產(chǎn)生重大的變化，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法和審核流程應(yīng)根據(jù)BIM的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(2)隨著現(xiàn)代鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，橋隧比例占有越來越高的比重。功能簡單的基礎(chǔ)BIM已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需要，后期應(yīng)大力開展基礎(chǔ)平臺上的專業(yè)BIM設(shè)計(jì)二次開發(fā)工作[17]。

(3)與其他BIM軟件平臺相比，本特利軟件對鐵路各專業(yè)具有更好的適應(yīng)性，其相同的文件數(shù)據(jù)格式更有利于專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)與資源共享。

(4)設(shè)計(jì)BIM向施工BIM轉(zhuǎn)換的研究將是下一步工作重點(diǎn)，以確保鐵路設(shè)計(jì)BIM能夠有效地過渡到施工階段，在施工過程中發(fā)揮起應(yīng)有的價值。

(5)鐵路施工階段 BIM實(shí)施缺乏相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)，需進(jìn)一步制定完善施工BIM標(biāo)準(zhǔn)。

(6)本項(xiàng)目橋隧長度占線路比例高達(dá)90%以上，在橋隧工程設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了BIM的正向設(shè)計(jì)，意義重大，可以推動整條線所有工程項(xiàng)目在全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞交換、存儲、交付、實(shí)施、管理等信息的共享。通過改變設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和管理流程，加大BIM基礎(chǔ)平臺的二次開發(fā)，將BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的不斷融合，形成智慧鐵路BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)橋隧智慧設(shè)計(jì)。