鐵路路基工程BBIIMM技術(shù)應(yīng)用研究

張鈞達(dá)

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 鐵路BIM應(yīng)用現(xiàn)狀

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是一種以三維建筑圖形為基礎(chǔ)，集成各類相關(guān)信息，貫穿建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維乃至壽命終結(jié)的數(shù)據(jù)模型。BIM的概念最早由Chuck Eastman［1-2］于20世紀(jì)70年代提出。經(jīng)過近50年的研究與探索，BIM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，在提升工程質(zhì)量、降低造價(jià)、縮短建設(shè)周期方面效果顯著［3-5］。我國(guó)鐵路BIM技術(shù)起步較晚［6］，路基工程BIM應(yīng)用還處于初級(jí)階段［7-8］。雖然依托中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司BIM應(yīng)用試點(diǎn)及其他工程項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)外近10條鐵路建立了BIM模型，但較深層次的應(yīng)用問題仍然有待解決。同時(shí)，傳統(tǒng)二維圖紙需要設(shè)計(jì)、施工人員將平面信息想象成三維實(shí)體，表達(dá)和理解的差異往往帶來差錯(cuò)。因此，利用BIM技術(shù)可視化、模擬性的特點(diǎn)彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的弊端，發(fā)揮已建模型的應(yīng)用價(jià)值是目前亟待解決的問題。

2 鐵路路基工程中的應(yīng)用

鐵路路基工程BIM模型包括路基本體、邊坡防護(hù)、支擋結(jié)構(gòu)、地基處理、排水工程、過渡段及專業(yè)接口等內(nèi)容，并且支持相應(yīng)的工業(yè)基礎(chǔ)分類（IFC）和國(guó)際字典框架（IFD）等BIM標(biāo)準(zhǔn)［9-10］。

路基與其他專業(yè)接口較多，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，導(dǎo)致施工過程中設(shè)計(jì)變更，影響工程進(jìn)度，造成資源浪費(fèi)。BIM設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)專業(yè)內(nèi)外“差、錯(cuò)、漏、碰”等檢查，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。如提前預(yù)留四電過軌及接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)位置，檢測(cè)是否與其他結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞；優(yōu)化涵洞路基與橋隧接口設(shè)計(jì)，避免不必要的返工；優(yōu)化長(zhǎng)度及翼墻高度，保證路基邊坡穩(wěn)定。BIM技術(shù)在鐵路路基工程中的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面。

2.1 路基結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

應(yīng)用BIM技術(shù)以高精度三維地形曲面為基礎(chǔ)開展路基設(shè)計(jì)，較傳統(tǒng)基于橫斷面的設(shè)計(jì)更加精確，工程措施設(shè)計(jì)更合理。借助BIM技術(shù)快速優(yōu)化工程措施，直觀對(duì)比不同結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)劣，可提高工程安全性、降低成本，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。某鐵路路基項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比見圖1。圖1（a）中藍(lán)色區(qū)域?yàn)閮?yōu)化前的邊坡面；通過調(diào)整支擋結(jié)構(gòu)形式及位置、優(yōu)化路橋缺口里程后的效果見圖1（b）。由圖1可知，方案優(yōu)化后，路基邊坡面積明顯減少，在提高工程安全性的同時(shí)降低了投資，減少了對(duì)環(huán)境造成的破壞。

圖1 路基項(xiàng)目結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比

2.2 邊坡綠化方案比選

在國(guó)家大力倡導(dǎo)的綠色雄安建設(shè)中，景觀綠化設(shè)計(jì)應(yīng)與沿線生態(tài)環(huán)境保持和諧統(tǒng)一，與自然及人文環(huán)境相協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)鐵路路基邊坡綠化設(shè)計(jì)采用混凝土骨架內(nèi)種草或灌木的形式，綠化效果單一且二維圖紙無法給人以直觀感受。利用BIM技術(shù)可視化特點(diǎn)，將不同的邊坡綠化方案立體地展現(xiàn)出來，克服了路基邊坡施工面大、植被種植周期長(zhǎng)等問題，讓建設(shè)單位與設(shè)計(jì)者對(duì)不同的綠化效果有更為詳盡的認(rèn)識(shí)。雄安鐵路某路基項(xiàng)目BIM模型經(jīng)過渲染后的邊坡方案效果對(duì)比見圖2，方便決策者進(jìn)行綠化方案比選。

圖2 路基邊坡綠化方案效果對(duì)比

2.3 挖方算量應(yīng)用

在鐵路工程中，準(zhǔn)確分類計(jì)算挖方工程量對(duì)于路基工程數(shù)量確定、工程造價(jià)計(jì)算和土方的合理調(diào)配利用具有重要意義。利用BIM模型可計(jì)算路基工程不同結(jié)構(gòu)的挖方體積，并按地質(zhì)屬性進(jìn)行劃分，添加相應(yīng)的IFC信息。某鐵路項(xiàng)目U形槽挖方算量及IFC屬性見圖3。

2.4 排水設(shè)計(jì)優(yōu)化

二維排水設(shè)計(jì)是基于平、縱斷面開展的，在地形起伏較大地區(qū)，排水路徑、排水坡度及出口難以確定，還會(huì)造成過填、過挖現(xiàn)象，導(dǎo)致部分排水段落的設(shè)置偏離設(shè)計(jì)意圖且增加不必要的成本。BIM排水設(shè)計(jì)基于可視化三維地形實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，可直觀合理確定路基工點(diǎn)排水溝設(shè)置段落，動(dòng)態(tài)調(diào)整排水路徑、排水坡度及出口，在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下減少對(duì)鐵路主體工程和環(huán)境的影響，降低工程投資，提高設(shè)計(jì)精度。應(yīng)用BIM技術(shù)開展鐵路路基排水設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)排水路徑直觀可查，線間溝、排水溝、急流槽等排水結(jié)構(gòu)連接過渡處清晰明確，利用三維立體模型可以優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于施工單位理解設(shè)計(jì)圖紙。利用實(shí)測(cè)的三維地形面進(jìn)行路基BIM排水設(shè)計(jì)見圖4。

圖3 U形槽挖方算量及IFC屬性

圖4 路基BIM排水設(shè)計(jì)

2.5 路基與其他工程接口設(shè)計(jì)應(yīng)用

鐵路路基工程與橋梁、隧道、站場(chǎng)以及站后各專業(yè)間存在大量接口設(shè)計(jì)，需要各專業(yè)協(xié)同作業(yè)；BIM技術(shù)可使各專業(yè)模型在同一平臺(tái)環(huán)境下開展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行操作可極大減少專業(yè)間的“差、錯(cuò)、漏、碰”。

2.5.1 與隧道專業(yè)接口優(yōu)化設(shè)計(jì)

在路基與隧道過渡段落存在許多接口設(shè)計(jì)，包括排水溝的順接、電纜槽的過渡、邊坡的銜接等，接口設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響兩側(cè)結(jié)構(gòu)物的安全與穩(wěn)定。

（1）排水過渡設(shè)計(jì)。在路隧銜接處隱藏著較復(fù)雜的排水系統(tǒng)：隧道側(cè)溝中的水通過跌水井匯集到過渡電纜井下方的集水井內(nèi)，再經(jīng)排水管流入路基側(cè)溝；隧道中間的線間溝先將水匯入隧道線間集水井，再由預(yù)埋排水管與路基盲溝或側(cè)溝連通將水排出。某高鐵項(xiàng)目的一處路隧過渡段落及排水系統(tǒng)見圖5。由圖5可知，通過BIM技術(shù)可以讓施工技術(shù)人員對(duì)隱蔽工程有更加清晰的認(rèn)識(shí)，減少在設(shè)計(jì)、施工過程中的各種接口問題。

圖5 路隧過渡段落及排水系統(tǒng)

（2）電纜井接口優(yōu)化設(shè)計(jì)。在路隧過渡段落還有一種較重要的地上接口——過渡電纜井設(shè)計(jì)。由于路基、隧道工程結(jié)構(gòu)的差異，需要在銜接處設(shè)置過渡電纜井將各自電纜槽內(nèi)的線纜平順連接，且需方便日后檢查維修。路隧銜接段落過渡電纜井位置優(yōu)化對(duì)比見圖6。圖6（a）為優(yōu)化前，電纜井沒有將路基、隧道兩端的電纜槽準(zhǔn)確連接；圖6（b）為優(yōu)化后，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足使用要求。

圖6 過渡電纜井位置優(yōu)化前后對(duì)比

2.5.2 與站后專業(yè)接口優(yōu)化設(shè)計(jì)

鐵路路基工程與站后各專業(yè)間接口設(shè)計(jì)種類繁多，在設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)充分考慮。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不能在三維空間將各個(gè)構(gòu)筑物按真實(shí)情況進(jìn)行排布，造成其在實(shí)際施工過程中的位置沖突。聲屏障與路橋過渡電纜井位置沖突見圖7。

圖7 聲屏障與路橋過渡電纜井位置沖突

應(yīng)用BIM技術(shù)在施工前對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行模擬，充分考慮路基與站后專業(yè)的接口問題，可彌補(bǔ)二維平面設(shè)計(jì)的不足，更好地服務(wù)于設(shè)計(jì)、施工人員。BIM技術(shù)在路基接口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用見圖8。圖8（a）是對(duì)預(yù)留接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)位置合理性的判斷；圖8（b）、（c）為模擬路基電纜槽內(nèi)線纜布置分布情況。

圖8 BIM技術(shù)在路基接口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.6 施工技術(shù)交底應(yīng)用

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行鐵路路基工程施工技術(shù)交底，以可視化、可交互方式更為準(zhǔn)確地講解設(shè)計(jì)內(nèi)容、重點(diǎn)工程、新工藝工法、既有線施工安全措施，可有效提升工程質(zhì)量，縮短建設(shè)周期。對(duì)于一些不方便交付的復(fù)雜模型，可以利用3D PDF功能將BIM模型導(dǎo)出后在PDF軟件中查看，并且模型可在空間自由旋轉(zhuǎn)、測(cè)量或者掛接到GIS平臺(tái)。U形槽BIM示意模型見圖9。圖9展示了地表開挖效果，可實(shí)現(xiàn)挖方量計(jì)算。該模型保存為PDF格式，在展示模型的同時(shí)附加文字描述，方便信息的傳遞與表達(dá)。

圖9 U形槽BIM示意模型

在對(duì)整段路基工程進(jìn)行連續(xù)性描述或是介紹具體的施工工序時(shí)，以視頻表達(dá)的方式進(jìn)行技術(shù)交底，在展示的同時(shí)給人以直觀、連續(xù)的感受，對(duì)指導(dǎo)施工具有積極、重要的作用（見圖10）。

圖10 路基工程漫游視頻界面

3 結(jié)論與展望

靈活運(yùn)用BIM技術(shù)，從宏觀到微觀展開設(shè)計(jì)交底。通過在BIM模型中調(diào)整支擋結(jié)構(gòu)形式與路橋缺口里程，減少邊坡開挖面積；利用BIM技術(shù)直觀、可視化的特點(diǎn)進(jìn)行路基邊坡綠化方案比選；將路基與地質(zhì)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)路基工程挖方分類算量功能；充分發(fā)揮BIM技術(shù)“所見即所得”的特點(diǎn)，對(duì)排水、接口設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；將BIM應(yīng)用到施工技術(shù)交底中，方便設(shè)計(jì)者與施工人員進(jìn)行對(duì)接，對(duì)提升工程質(zhì)量與效率起到良好推動(dòng)作用。

在我國(guó)高鐵快速發(fā)展的形勢(shì)下，BIM技術(shù)將越來越多地應(yīng)用到鐵路建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。不斷挖掘BIM的應(yīng)用點(diǎn)，提高建模精度與效率，充分利用模型中包含的重要信息，將對(duì)整個(gè)鐵路行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。