基于BIM技術(shù)的鐵路路基設(shè)計施工應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

涂文博 孔紫亮 張鵬飛 劉林芽 宋立忠 張洪

摘要：鐵路路基設(shè)計施工是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，對于確保鐵路運(yùn)行安全和效率具有重要作用。然而，傳統(tǒng)鐵路路基設(shè)計施工中存在設(shè)計效率低、施工質(zhì)量監(jiān)控難、設(shè)計施工協(xié)調(diào)差等系列問題和挑戰(zhàn)，無法適應(yīng)高效、精準(zhǔn)、可持續(xù)的鐵路路基建設(shè)需求。BIM技術(shù)快速發(fā)展，其作為一種全新的設(shè)計和管理工具，已成為現(xiàn)代化鐵路路基設(shè)計施工的重要輔助技術(shù)，為鐵路路基的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。文章基于BIM技術(shù)的鐵路路基設(shè)計施工應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并探討其面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中具有提高設(shè)計精度、減少錯誤和沖突、優(yōu)化施工管理等優(yōu)勢，但在技術(shù)、組織管理、法律等方面存在諸多挑戰(zhàn)。而未來，BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中將向智能化、協(xié)同化和數(shù)字化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鐵路路基；設(shè)計施工；BIM技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號：U213.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：涂文博，孔紫亮， 張鵬飛，等. 基于BIM技術(shù)的鐵路路基設(shè)計施工應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報，2023，40（5）：106-119.

Application Status and Development Trend of Railway Subgrade

Design and Construction Based on BIM Technology

Tu Wenbo，Kong Ziliang，Zhang Pengfei，Liu Linya，Song Lizhong，Zhang Hong

（State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure， East China Jiaotong University，

Nanchang 330013， China）

Abstract：Railway subgrade design and construction is an important part of railway infrastructure construction， which plays an important role in ensuring the safety and efficiency of railway operations. However， there are a series of problems and challenges， such as low design efficiency， difficult construction quality monitoring， poor design and construction coordination， which cannot adapt to the needs of efficient， accurate and sustainable railway subgrade construction. The rapid development of BIM technology， as a new design and management tool， has become an important auxiliary technology for modernized railway subgrade design and construction， which brings great opportunities and challenges for the railway subgrade. This paper studies the application status of railway subgrade design and construction based on BIM technology and discusses the challenges and development trends. It found that BIM technology in railway subgrade design and construction has the advantages of improving design accuracy， reducing errors and conflicts， and optimizing construction management. However， there are a lot of challenges in technology， organization and management， and legal aspects. In the future， BIM technology in railway subgrade design and construction will develop in the direction of intelligence， collaboration and digitalization.

Key words： railway subgrade; design and construction; BIM technology; application status analysis; development trend

Citation format：TU W B，KONG Z L，ZHANG P F，et al. Application status and development trend of railway subgrade design and construction based on BIM technology[J]. Journal of East China Jiaotong University，2023，40（5）：106-119.

鐵路路基設(shè)計施工一直是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，對確保鐵路運(yùn)行安全具有重要作用。然而，傳統(tǒng)鐵路路基設(shè)計施工中存在設(shè)計效率低、施工質(zhì)量監(jiān)控難、設(shè)計施工協(xié)調(diào)差等系列問題和挑戰(zhàn)[1-2]，無法適應(yīng)現(xiàn)代高效、精準(zhǔn)、可持續(xù)的鐵路路基建設(shè)需求。必須引入現(xiàn)代化的設(shè)計理念、技術(shù)手段和管理模式，以提升鐵路路基工程設(shè)計施工的質(zhì)量、效率和可持續(xù)性。

近年來，BIM（building information model）技術(shù)快速發(fā)展，其作為一種全新的設(shè)計和管理工具，已成為現(xiàn)代化鐵路路基設(shè)計施工的重要輔助技術(shù)，為鐵路路基的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。顯然，BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。首先，BIM技術(shù)可將不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計信息整合以實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計和交流，有效降低人為錯誤和重復(fù)工作，大幅提高工作效率[3]。其次，基于BIM技術(shù)的全方位模擬和分析可輔助設(shè)計人員開展設(shè)計方案比選和評估，并對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化提高設(shè)計質(zhì)量。此外，施工方可基于BIM模型實(shí)時查看施工進(jìn)度，并與其他相關(guān)方進(jìn)行協(xié)同聯(lián)動以對施工過程進(jìn)行全面監(jiān)控和管理，提高施工管理質(zhì)量[4-5]。最后，BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對大量設(shè)計和施工數(shù)據(jù)的收集和分析，包括土質(zhì)情況、工程量計算、材料需求等，為相關(guān)部門提供準(zhǔn)確全面的信息進(jìn)行決策和規(guī)劃[6]。

隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用深入，BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中的作用將進(jìn)一步凸顯，并為我國鐵路高質(zhì)量建設(shè)和發(fā)展提供更強(qiáng)有力的支持。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工的研究和創(chuàng)新，提高設(shè)計水平和施工質(zhì)量無疑是交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域今后的研究重點(diǎn)[7-8]。本文對BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面分析，并探討B(tài)IM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中的挑戰(zhàn)及其解決方案，明確BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中未來的發(fā)展趨勢，對推廣BIM在我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計施工更廣泛更深入的應(yīng)用具有重要研究意義。

1 基于BIM技術(shù)的鐵路路基設(shè)計施工應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 模型可視化與仿真

模型可視化功能是BIM技術(shù)的重要特點(diǎn)之一。工程師可結(jié)合三維數(shù)值化軟件對鐵路路基進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)對鐵路路基結(jié)構(gòu)的直觀展示，使設(shè)計人員、施工人員和決策者能夠更好地理解和溝通設(shè)計意圖，如圖1所示[9-10]。

鐵路路基設(shè)計施工中主流BIM三維數(shù)值建模軟件主要包含6類，如表1所示。結(jié)合以上BIM三維數(shù)值建模軟件，研究人員對鐵路路基建模開展了大量的模型可視化與仿真應(yīng)用研究，主要分為3個方面。

1.1.1 基于BIM軟件的可視化建模

在初步設(shè)計階段，可利用BIM軟件創(chuàng)建實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)鐵路路基的快速化建構(gòu)并進(jìn)行直觀展示。Sheng等[11]利用Bentley Rail Track分別演示了數(shù)字地形模型、線路走向、橫斷面，以及三維模型的顯示方法，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在鐵路路基應(yīng)用的初步探索。Cao[12]以一條新建鐵路專線的測量數(shù)據(jù)為原始依據(jù)，采用Autodesk Civil 3D對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了地形表面分析、邊坡設(shè)計和鐵路線路設(shè)計，初步探討了Civil在鐵路建模中的應(yīng)用。李明等[13]采用Revit軟件對路塹邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計應(yīng)用，使得路塹支護(hù)結(jié)構(gòu)三維可視化，進(jìn)一步提高了鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和工作效率。謝先當(dāng)?shù)萚14]提出了一種對路基各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，將參數(shù)化構(gòu)件與不可參變構(gòu)件結(jié)合使用，最后進(jìn)行拼裝組合的路基建模思路，解決了OpenRail Designer在鐵路路基BIM設(shè)計中，構(gòu)件建模工作量較大，路基構(gòu)件庫擴(kuò)充在短時間內(nèi)無法滿足設(shè)計施工需求等情況，最后依托麗香鐵路路基工程，實(shí)現(xiàn)了基于BIM技術(shù)的鐵路路基工程施工建?？梢暬?。劉祾頠[15]為實(shí)現(xiàn)站場路基BIM模型建?？梢暬?，針對鐵路站場路基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合BIM建模原理，基于Bentley平臺和建模關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)了鐵路站場路基BIM設(shè)計系統(tǒng)，并先后應(yīng)用于福廈鐵路、襄荊鐵路等一系列工程實(shí)踐中，驗證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.1.2 基于BIM軟件的二次開發(fā)

隨著鐵路路基設(shè)計施工的發(fā)展，單一BIM軟件的現(xiàn)有功能已經(jīng)無法滿足鐵路路基模型可視化與仿真需求?；贐IM軟件的二次開發(fā)逐漸興起，以實(shí)現(xiàn)更精確、高效和符合鐵路路基設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)的建模功能。劉厚強(qiáng)等[16]針對二維輔助設(shè)計軟件的不足，自主研發(fā)了一種三維鐵路路基設(shè)計軟件，基于OpenGL對鐵路路基本體及相關(guān)支擋附屬結(jié)構(gòu)的模型二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了路基部件的快速參數(shù)化建模，并成功應(yīng)用于川藏線拉林段路基設(shè)計施工中。靳猛[9]依托銀西高鐵BIM試點(diǎn)項目，基于歐特克平臺進(jìn)行二次研發(fā)實(shí)現(xiàn)了鐵路路基快速建模，提高了鐵路路基BIM模型可視化應(yīng)用水平?？伦玉吹萚17]重點(diǎn)研究了站場路基模型的構(gòu)建方法，根據(jù)鐵路站場的平縱橫設(shè)計資料，編制原型程序和路基模型剖切算法，成功應(yīng)用于獨(dú)李北站實(shí)現(xiàn)了鐵路站場路基信息模型的快速建模和高效信息可視化提取。Pu等[10]提出了一種創(chuàng)新性方法實(shí)現(xiàn)由模型變化驅(qū)動的BIM更新技術(shù)，通過該方法可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有站場路基BIM模型的快速更新?？傮w而言，基于BIM技術(shù)的二次開發(fā)在鐵路路基設(shè)計施工可視化建模方面發(fā)展已較為成熟。

1.1.3 BIM+GIS的融合應(yīng)用

BIM和GIS在鐵路路基模型方面有不同的側(cè)重點(diǎn)。BIM主要關(guān)注對路基主體結(jié)構(gòu)的精細(xì)可視化，而GIS則更關(guān)注地理信息的全局整體管理。根據(jù)鐵路路基長大線狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一些研究者進(jìn)行了BIM+GIS融合應(yīng)用的研究，以建立鐵路的三維場景。這種融合應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)可視化和三維模型計算分析等許多功能，最大程度地發(fā)揮BIM+GIS在鐵路路基模型可視化與仿真方面的應(yīng)用價值[18]。王明生和張振平[19]在分析了當(dāng)前鐵路路基三維建模方法后指出路基三維建模技術(shù)和方法的關(guān)鍵和難點(diǎn)是路基三維建模過程中如何與地形三維模型進(jìn)行交接、融合，其重點(diǎn)研究了在GIS環(huán)境下路基模型與地形模型的疊加問題，提出了利用GIS軟件實(shí)現(xiàn)鐵路路基的建?？梢暬头抡娣椒?。Wang等[20]在數(shù)據(jù)采集中引入無人機(jī)新的測量手段，提高勘測設(shè)計的效率，通過BIM模型數(shù)據(jù)和GIS信息集成和交互操作，地形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，用于支持排水設(shè)施BIM模型的建立，從而解決鐵路路基防護(hù)問題，避免了人力、物力的浪費(fèi)。郭澤等[21]將BIM和GIS技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了鐵路路基模型的可視化與仿真。通過利用數(shù)字高程模型與高分辨率遙感影像，對鐵路工程各部分結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)化建模，建立了鐵路線路三維線狀地理環(huán)境，并將BIM與三維地理環(huán)境場景進(jìn)行交互融合，結(jié)合某鐵路進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了三維場景的發(fā)布、在線瀏覽、空間分析等功能。張鈺等[22]結(jié)合基礎(chǔ)地形測繪資料和鐵路設(shè)計資料等數(shù)據(jù)，介紹了鐵路三維場景快速構(gòu)建方法，包括三維地形模型創(chuàng)建、鐵路構(gòu)筑物BIM模型快速生成、BIM與GIS融合、場景標(biāo)注配置等。夏宇等[23]研究了鐵路線路BIM與GIS技術(shù)融合的三維場景的構(gòu)建流程，選取蘭張鐵路項目中的永登至天祝段局部區(qū)域，應(yīng)用遙感影像與地面高程信息數(shù)據(jù)，在InfraWorks平臺上建立了路段地形、路基主體結(jié)構(gòu)物、附屬支擋結(jié)構(gòu)設(shè)施等三維模型，實(shí)現(xiàn)了在鐵路線路三維虛擬環(huán)境中對不同方案進(jìn)行比較和分析，沿著鐵路線路進(jìn)行導(dǎo)航，模擬實(shí)際的場景，幫助決策者選擇最合適的方案等功能。

1.2 協(xié)同設(shè)計與沖突檢測

基于BIM技術(shù)的鐵路路基協(xié)同設(shè)計與沖突檢測是一種利用BIM技術(shù)進(jìn)行鐵路路基設(shè)計的創(chuàng)新方法。在傳統(tǒng)設(shè)計方法中往往存在設(shè)計信息不完整、協(xié)調(diào)困難、沖突頻發(fā)等問題，而基于BIM技術(shù)的鐵路路基協(xié)同設(shè)計與沖突檢測可以提高設(shè)計效率，減少設(shè)計錯誤和施工風(fēng)險。

Tang等[24]基于Python開發(fā)子程序，將Dynamo與力學(xué)經(jīng)驗、路面設(shè)計指南相結(jié)合，對路基路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為路基與路面分析協(xié)同一體化設(shè)計提供了創(chuàng)新性和實(shí)用性的解決方案，有效解決了長期存在的BIM環(huán)境下無法分析路面結(jié)構(gòu)的缺陷，從而減少了在路面設(shè)計中的錯誤和重復(fù)等問題。孔國梁等[25]對AutoCAD二次開發(fā)后，利用其多視口，排水縱斷面自動化設(shè)計等功能，對鐵路路基排水平縱斷面協(xié)同設(shè)計并導(dǎo)入達(dá)索軟件共同完成鐵路路基排水溝BIM協(xié)同設(shè)計模型，提高了鐵路路基排水的系統(tǒng)性和信息化，對未來的應(yīng)用提供了有益借鑒。卞友艷[26]研究了基于Bentley平臺的鐵路站場路基多專業(yè)協(xié)同設(shè)計解決方案，并成功應(yīng)用于滬通鐵路BIM試點(diǎn)項目中，該研究對于促進(jìn)鐵路站場路基協(xié)同設(shè)計的發(fā)展具有重要意義，并為相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐提供了有益的經(jīng)驗。易菊香[27]以某高速鐵路工程為例，基于數(shù)字化技術(shù)及多專業(yè)協(xié)同技術(shù)形成的三維設(shè)計模型，實(shí)現(xiàn)了全方位、多角度查看、構(gòu)件單元快速識別、構(gòu)件與地形面數(shù)據(jù)化交互，從而使設(shè)計精度更高，提取的數(shù)量相對更精確。

鐵路路基工程與橋梁、隧道等各專業(yè)接口間存在大量接口設(shè)計，BIM技術(shù)便于在各專業(yè)間開展協(xié)同設(shè)計工作，通過專業(yè)間的碰撞檢測，篩選出有效碰撞點(diǎn)，各專業(yè)接口協(xié)調(diào)設(shè)計與碰撞如圖2[28]。相關(guān)學(xué)者對路基各專業(yè)接口協(xié)同設(shè)計與沖突檢查也做了研究應(yīng)用。張鈞達(dá)[29]應(yīng)用BIM技術(shù)對鐵路路基與隧道過渡段接口、鐵路路基與站后各專業(yè)間接口、排水設(shè)計的接口等進(jìn)行了協(xié)同設(shè)計優(yōu)化。劉彥明[30]在銀西高鐵項目中選擇了兩站一區(qū)間作為BIM技術(shù)協(xié)同設(shè)計應(yīng)用工程，重點(diǎn)研究了橋隧工點(diǎn)、特殊路基工程和過渡段的接口協(xié)同設(shè)計與沖突檢查等方面，優(yōu)化了設(shè)計流程，提高了協(xié)同設(shè)計效率和質(zhì)量。胡文麗[31]運(yùn)用MicroStation Connect Edition對鐵路路基的聲屏障結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行BIM協(xié)同設(shè)計，在Project Wise協(xié)同設(shè)計平臺上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和碰撞檢查等功能，采用二次開發(fā)的插件以及Navigator軟件進(jìn)行碰撞檢測和實(shí)景展示。該協(xié)同設(shè)計應(yīng)用顯著減少了圖紙設(shè)計中的差錯和遺漏等問題，有效避免了施工階段的多次返工，為鐵路項目設(shè)計及施工過程提供了高質(zhì)量服務(wù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

BIM技術(shù)在鐵路路基數(shù)據(jù)采集和處理方面可為鐵路設(shè)計施工提供全面、準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)支持。三維掃描是BIM技術(shù)中常用的一種數(shù)據(jù)采集方式，它利用激光掃描儀或者相機(jī)等設(shè)備對鐵路路基進(jìn)行掃描，獲取路基三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地反映路基相關(guān)結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和細(xì)節(jié)，并用來構(gòu)建BIM模型[32]。當(dāng)需要對范圍的地區(qū)進(jìn)行航拍和數(shù)據(jù)采集時，可采用無人機(jī)技術(shù)搭載激光雷達(dá)、相機(jī)等設(shè)備快速獲取大范圍區(qū)域的高分辨率影像和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[33]。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件進(jìn)行整合分析，可生成真實(shí)的三維路基模型，進(jìn)一步將路基模型與其他相關(guān)數(shù)據(jù)如GIS數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成，以提供更全面的設(shè)計施工應(yīng)用支持。夏艷軍[34]利用激光掃描技術(shù)對高鐵路基進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取路基三維空間信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過融合處理后獲得對應(yīng)的大地坐標(biāo)，研究算法提高了數(shù)據(jù)處理精度。劉孟涵[35]采用航拍測量技術(shù)采集高分影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過多項處理，得到了數(shù)字高程模型及影像圖，進(jìn)而應(yīng)用于BIM鐵路項目來模擬真實(shí)三維環(huán)境，為路橋隧等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)，從而提高鐵路建設(shè)信息化水平。岳忠翔[36]利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察得到的地質(zhì)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入地表模型中，生成該地區(qū)三維地質(zhì)模型，根據(jù)該地質(zhì)模型和地表高程確定抗滑樁深度及位置，極大地提高了施工方案的經(jīng)濟(jì)合理性，有效降低了路基邊坡竣工后可能出現(xiàn)的滑移、開裂等質(zhì)量風(fēng)險。林國濤等[37]針對各專業(yè)協(xié)同設(shè)計難，路基設(shè)計不精確等問題，提出了綜合運(yùn)用傾斜攝影和激光雷達(dá)技術(shù)收集工程地質(zhì)調(diào)繪數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等一系列數(shù)據(jù)，用以快速建立道路及各專業(yè)模型的信息融合體，提升了我國道路設(shè)計數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段。劉曜瑋等[38]基于無人機(jī)+BIM技術(shù)優(yōu)化了道路工程施工計量過程中的數(shù)據(jù)采集及處理等環(huán)節(jié)，分析無人機(jī)+BIM技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)用中的優(yōu)勢，并提出了一套用于道路工程施工計量的新方案，對提高數(shù)據(jù)采集效率、數(shù)據(jù)精度和決策處理能力起到了一定的推動作用。

BIM技術(shù)還可以在施工過程中進(jìn)行施工數(shù)據(jù)采集與處理，及時發(fā)現(xiàn)和解決施工過程中的問題如圖3所示。

梁策等[39]研發(fā)了一款結(jié)合北斗衛(wèi)星定位與BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實(shí)信息系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了路基壓實(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)果可視化展示等多項功能，實(shí)現(xiàn)對鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測與控制，滿足了鐵路路基數(shù)字化施工的需求，對BIM結(jié)合北斗技術(shù)進(jìn)行施工數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量控制具有參考價值。盧春房等[40]以朔黃鐵路為背景，融合應(yīng)用人工智能、BIM+GIS、北斗、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，對鐵路路基邊坡和隧道與路基接口處仰坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測和反饋。趙敏聰?shù)萚41]在哈大鐵路客運(yùn)專線路基施工項目中利用Real-time kinematic測量技術(shù)和3DGPS系統(tǒng)對路基施工的攤鋪厚度、平整度等施工質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集控制，以確保路基施工過程質(zhì)量，還采用了CCS900壓實(shí)系統(tǒng)實(shí)時采集和監(jiān)測現(xiàn)場路基施工壓實(shí)度，提高了施工效率。

1.4 施工管理與優(yōu)化

隨著我國鐵路建設(shè)行業(yè)的快速發(fā)展，施工技術(shù)、材料、數(shù)據(jù)不斷更新，傳統(tǒng)的管理模式已很難服務(wù)現(xiàn)代化鐵路路基施工。BIM技術(shù)可以支持工程項目的全生命周期的健康管理，并已成功應(yīng)用于鐵路建設(shè)項目的管理，其中鐵路工程管理平臺框架如圖4所示?；贐IM的鐵路施工管理與優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究主要圍繞施工建設(shè)與組織管理、施工安全與風(fēng)險管控、施工資源管理、施工進(jìn)度管理等方面開展。

在施工建設(shè)與組織管理方面，王同軍[8]基于BIM管理技術(shù)的應(yīng)用，提出了一種創(chuàng)新的鐵路工程建設(shè)與組織協(xié)同管理模式，明確闡述了鐵路工程建設(shè)管理的內(nèi)涵，建立了鐵路工程管理總體框架，并成功應(yīng)用于鐵路工程多項目、多專業(yè)、多任務(wù)的建設(shè)實(shí)踐過程中。張乃樂等[42]為提高施工組織管理質(zhì)量和效率，通過開發(fā)無人機(jī)影像和BIM融合技術(shù)，提出了一種針對鐵路線路建設(shè)施工組織智能化管理的方法。該方法實(shí)現(xiàn)了自主巡檢施工現(xiàn)場，識別施工機(jī)械設(shè)備出勤和工作情況、分析施工進(jìn)度等施工過程管理。鮑榴等[43]提出了一種鐵路建設(shè)管理一張圖管理模式，并研發(fā)了基于BIM+GIS的建設(shè)管理一張圖系統(tǒng)，在京雄高鐵試點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠在一張圖上將BIM、GIS模型和工程建設(shè)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成展示，并滿足了信息建設(shè)與組織管理精益化需求。韓寶劍等[44]依托京雄城際鐵路四電施工項目，基于BIM+GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)，搭建一體化鐵路施工管理平臺，該管理平臺具備三維電子沙盤、接觸網(wǎng)智能預(yù)配信息管理、施工安全和質(zhì)量管理等功能，可實(shí)現(xiàn)鐵路施工各階段管理數(shù)據(jù)的整合和不斷優(yōu)化。該項目基于BIM管理與優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，提高了鐵路施工全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化、信息化應(yīng)用水平。

在施工安全與風(fēng)險管控方面，康振江[45]基于鐵路施工安全管理工作的特點(diǎn)提出了采用BIM技術(shù)進(jìn)行施工安全管理的措施。采用三維模型、施工工藝模擬等方法，及時發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計中存在的各種危險因素，從而達(dá)到預(yù)防工程安全事故的目的。同時，結(jié)合已有的工程實(shí)例、工程事故信息構(gòu)建工程風(fēng)險信息數(shù)據(jù)庫，為鐵路施工的風(fēng)險分析提供多種危險源信息，對工程建設(shè)進(jìn)行風(fēng)險評估、風(fēng)險分類和辨識工作。張欽禮等[46]提出了利用BIM技術(shù)優(yōu)化鐵路施工全生命周期安全管理，以解決現(xiàn)行安全管理強(qiáng)度大和施工保障不足等問題。采用Revit軟件完成鐵路工程項目模型的構(gòu)建，并結(jié)合BIM模型對施工人員進(jìn)行安全教育。該安全管理方案通過預(yù)先采取針對性安全措施，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的鐵路工程全生命周期信息化安全管理。

在施工資源和進(jìn)度管理方面，張建平等[47]針對現(xiàn)行施工資源及成本管理方式存在人為監(jiān)控不及時，無法精細(xì)化管理等問題，運(yùn)用BIM技術(shù)，建立4D（3D+施工進(jìn)度）動態(tài)施工資源信息模型，發(fā)現(xiàn)和解決工程施工資源和成本控制過程中出現(xiàn)的矛盾和沖突，避免出現(xiàn)工程超預(yù)算，及時保障資源供給。張毅等[48]為解決鐵路工程設(shè)計施工中信息傳遞困難和項目參與各方無法共同利用BIM技術(shù)進(jìn)行管控的問題，研究了BIM與傳統(tǒng)的施工進(jìn)度和物料等項目管理技術(shù)，并研發(fā)了一種基于BIM的鐵路工程項目管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于大瑞鐵路，極大提高了模型數(shù)據(jù)共享能力和工程建設(shè)管理水平。

1.5 質(zhì)量控制與檢測

施工質(zhì)量的控制與檢測是保證路基工程安全和可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。目前利用BIM對路基施工質(zhì)量控制和檢測主要集中在路基填筑壓實(shí)過程，在地基處理、邊坡防護(hù)、排水設(shè)施等方面的研究較少。王薇[49]結(jié)合現(xiàn)場試驗段的路基壓實(shí)與質(zhì)量控制全過程實(shí)施，通過北斗定位系統(tǒng)和BIM實(shí)現(xiàn)了路基施工的實(shí)時碾壓和檢測。該系統(tǒng)可自動完成施工工程量統(tǒng)計，直觀顯示施工進(jìn)度、壓實(shí)狀態(tài)和壓實(shí)質(zhì)量信息，實(shí)時控制發(fā)現(xiàn)問題并整改。王春明等[50]通過使用BIM技術(shù)，將設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的模型，提供給施工人員參考，準(zhǔn)確地進(jìn)行路基填筑工作。將BIM技術(shù)與智能壓實(shí)設(shè)備結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)模型到施工的聯(lián)動，確保施工過程中的壓實(shí)遍數(shù)和壓實(shí)程度符合設(shè)計要求。這種數(shù)字化連續(xù)壓實(shí)BIM技術(shù)可以大大提高施工效率和質(zhì)量，減少施工過程中的誤差和糾正。趙龍等[51]在西成線江油北站路基壓實(shí)施工項目中設(shè)計了一套符合BIM管理的軟硬件結(jié)構(gòu)，解決了路基壓實(shí)施工過程中檢測速度慢、效率低、工作量大等問題，并研究了基于路基壓實(shí)的BIM模型自動生成算法，將BIM模型引入到路基壓實(shí)施工過程中，取得了良好效果。馬源等[52]通過定性分析，研究了智能壓實(shí)質(zhì)量評價指標(biāo)的變化規(guī)律，結(jié)合Abaqus軟件的二次開發(fā)，在路基土智能壓實(shí)過程中實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)控。劉呈斌等[53]在鐵路建設(shè)施工階段分析了鐵路路基填筑施工過程質(zhì)量關(guān)鍵控制因素，研究了基于BIM技術(shù)的施工過程質(zhì)量控制與檢查方法。該方法在麗香鐵路路基填筑施工中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，施工質(zhì)量達(dá)到了良好效果。隨著智能施工和路基質(zhì)量控制的應(yīng)用，大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)亦隨之產(chǎn)生，如何利用這些數(shù)據(jù)來提高路基質(zhì)量也是近年來研究的熱點(diǎn)問題。邱永平等[54]總結(jié)了兩方面的問題，一是利用人工智能算法和數(shù)據(jù)融合方法，對多個現(xiàn)場監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動、快速的數(shù)據(jù)挖掘。二是關(guān)于如何通過使用數(shù)學(xué)算法和一些物理模型來更有效地使用大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵功能預(yù)測，以預(yù)測一些場景，如沉降發(fā)展、邊坡穩(wěn)定性、路基動力響應(yīng)等。

2 BIM技術(shù)在鐵路路基工程中的挑戰(zhàn)與解決方案

2.1 技術(shù)方面

鐵路路基設(shè)計施工涉及大量數(shù)據(jù)，包括地形、測量、結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)等[55-56]，不同參與方使用的BIM軟件和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)兼容性問題，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換困難。如何確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，并基于BIM技術(shù)高效處理和管理以上大規(guī)模數(shù)據(jù)是首要難題。統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和命名規(guī)范是有效方式，其可確保各參與方使用相同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享，如采用IFC（industry foundation classes）作為通用的數(shù)據(jù)交換格式[57-59]。另一方面，可采用云計算和分布式計算技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理和存儲的效率，利用數(shù)據(jù)壓縮和優(yōu)化算法，減輕數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。同時，建立完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的及時更新和共享[44，60]。

隨著施工過程的進(jìn)行，BIM模型還需同步更新，以反映實(shí)際施工情況。然而，模型更新同步的過程可能存在延遲和不準(zhǔn)確性，更新之后的模型結(jié)構(gòu)尺寸會發(fā)生變化，導(dǎo)致BIM模型無法拼裝成為整體結(jié)構(gòu)。Pu等[10]結(jié)合站場路基施工提出了一種局部BIM模型更新方法，但其仍存在部分信息無法修改難題。在保證BIM模型精度的前提下，對路基BIM模型進(jìn)行實(shí)時更新還面臨巨大挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步結(jié)合新技術(shù)或二次開發(fā)進(jìn)行探索。

2.2 組織管理方面

BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中的應(yīng)用可提供更高效和精確的組織管理，但因路基設(shè)計施工分部分項工程繁多，如何實(shí)現(xiàn)各分部分項工程的協(xié)同施工和信息共享，管理和更新設(shè)計施工中涉及的圖紙、材料、施工計劃等信息，并跟蹤項目實(shí)施進(jìn)度是BIM技術(shù)在鐵路工程應(yīng)用中面臨的重要挑戰(zhàn)[47-48]。

構(gòu)建BIM協(xié)作管理平臺實(shí)現(xiàn)鐵路路基設(shè)計和施工參與方間的協(xié)同工作和信息共享；構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信息庫，實(shí)現(xiàn)信息集中管理、信息實(shí)時更新、項目進(jìn)度實(shí)時審批和跟蹤是當(dāng)前深化BIM技術(shù)在組織與管理方面的主要方式。王萬齊等[61]通過采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和工作流程，并利用中立的協(xié)同平臺，提出了一種基于OpenBIM的鐵路工程協(xié)同管理模式，在京張高鐵項目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。該模式對鐵路工程施工數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面管控，最大化發(fā)揮了BIM的應(yīng)用價值。張紅勇等[62]針對國內(nèi)鐵路工程建設(shè)信息化管理存在缺乏統(tǒng)一的企業(yè)信息化架構(gòu)指導(dǎo)，難以服務(wù)于現(xiàn)代鐵路工程建設(shè)信息化應(yīng)用，對鐵路工程的數(shù)字建造平臺的理論和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究，搭建了鐵路信息共享服務(wù)平臺，并在某高海拔鐵路進(jìn)行了數(shù)字建造應(yīng)用，驗證了數(shù)字建造在提高鐵路工程建設(shè)信息化管理方面的有效性。

目前BIM技術(shù)在鐵路工程組織管理方面存在一些不足之處：缺乏統(tǒng)一的信息管理平臺，導(dǎo)致信息分散、不統(tǒng)一，難以進(jìn)行全面的協(xié)同管理和數(shù)據(jù)共享；協(xié)同設(shè)計和合作的流程和工具還不夠完善，缺乏有效的溝通渠道和協(xié)作平臺，導(dǎo)致各方之間的合作效率低下，可能出現(xiàn)信息不一致、溝通不暢等問題；BIM技術(shù)的應(yīng)用需相關(guān)人員具備一定的技術(shù)和管理能力，然而，目前鐵路工程中缺乏相關(guān)人員的培訓(xùn)和人才支持，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中，人員可能不熟悉BIM技術(shù)的操作和應(yīng)用，影響B(tài)IM技術(shù)在鐵路工程組織管理中的應(yīng)用效果。

2.3 法律合規(guī)性方面

BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工必須遵守相關(guān)的法律法規(guī)。然而，當(dāng)前對BIM技術(shù)的法律法規(guī)尚不完善，缺乏明確的規(guī)范性指引，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中存在法律風(fēng)險[63-64]。

BIM技術(shù)的應(yīng)用涉及大量數(shù)據(jù)和信息，其中包含著設(shè)計師、建筑師等多方的知識產(chǎn)權(quán)[65]。在信息共享的過程中，知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)成為一個重要的問題。尤其是在合作設(shè)計中，如何保護(hù)各方的知識產(chǎn)權(quán)成為亟待解決的難題。此外，部分BIM存儲數(shù)據(jù)和信息具有高度敏感性，可能包含個人隱私等敏感內(nèi)容。在數(shù)據(jù)的采集、存儲和共享過程中，如何防止數(shù)據(jù)泄露和濫用。同時，BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中涉及多方的合同關(guān)系和責(zé)任劃分。BIM技術(shù)的應(yīng)用可能改變項目參與方之間的法律責(zé)任和風(fēng)險分擔(dān)方式，如BIM模型中一旦出現(xiàn)設(shè)計問題、數(shù)據(jù)丟失、信息傳遞差池等情況，可能導(dǎo)致工程延誤或損失會給項目帶來巨大風(fēng)險，當(dāng)模型管理者、項目負(fù)責(zé)人和其他參與方之間的職責(zé)模糊時，責(zé)任將無法清晰劃分[66]。

需建立起完善的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的加密和訪問權(quán)限管理，并在合同中明確各方在數(shù)據(jù)分享和使用中的責(zé)任與義務(wù)，規(guī)范技術(shù)應(yīng)用，確保各方的權(quán)益得到保護(hù)。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益方面

BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中的應(yīng)用可提高設(shè)計效率、施工協(xié)調(diào)性、施工質(zhì)量和安全性，從而提高項目的整體經(jīng)濟(jì)效益[67]。但就當(dāng)前BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀而言，無法實(shí)現(xiàn)模型的順利傳遞，即無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計、施工和運(yùn)維階段的一體化，導(dǎo)致項目不同階段會出現(xiàn)重復(fù)投資，且引入BIM技術(shù)需額外考慮到相關(guān)的技術(shù)和人員培訓(xùn)成本，以及與傳統(tǒng)設(shè)計施工方式的銜接和協(xié)調(diào)，其價值是長期的，短期內(nèi)很難直接計算出經(jīng)濟(jì)價值，以上問題的客觀存在阻礙了BIM技術(shù)在多數(shù)項目建設(shè)中的推廣應(yīng)用[68]。

為解決以上難題，我國出臺了一系列政策文件，鼓勵和推動BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用[69]?！丁笆奈濉辫F路科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出在國家鐵路建設(shè)與發(fā)展“十四五”規(guī)劃期間，深入推廣鐵路信息模型技術(shù)。但以上仍需鐵路路基設(shè)計施工參與各方統(tǒng)一認(rèn)識，推動BIM技術(shù)在項目設(shè)計施工階段的綜合管理，并配備適當(dāng)?shù)募夹g(shù)力量和資源，協(xié)助項目推廣BIM技術(shù)，逐步擴(kuò)大其在項目管理中的應(yīng)用廣度和深度。

3 基于BIM技術(shù)的鐵路路基工程發(fā)展趨勢

對BIM技術(shù)在鐵路路基工程中的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新方面作出以下展望。

1） 5D BIM。5D BIM是在3D模型的基礎(chǔ)上加入時間（4D）和成本（5D）信息，實(shí)現(xiàn)對施工進(jìn)度和成本的模擬和優(yōu)化[70]。通過模擬和優(yōu)化，可以預(yù)測和評估不同設(shè)計施工方案的效果，包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、水流模擬、風(fēng)險評估等，減少后期的修改和成本。5D BIM將在提高施工效率和控制成本方面發(fā)揮更重要的作用。

2） BIM與物聯(lián)網(wǎng)的融合。BIM技術(shù)與傳感器、無人機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對鐵路路基施工過程的實(shí)時監(jiān)測和管理[71]，包括實(shí)現(xiàn)對施工設(shè)備和材料的追蹤和管理，提高施工質(zhì)量和安全性。BIM與物聯(lián)網(wǎng)的融合可在鐵路路基工程中提供更準(zhǔn)確、可靠和高效的施工技術(shù)，改善施工管理、施工質(zhì)量的各個方面。

3） BIM與數(shù)值分析軟件的融合。BIM融合有限元軟件技術(shù)的研究已逐漸應(yīng)用在土木工程研究領(lǐng)域[72-73]，鐵路路基設(shè)計施工難點(diǎn)眾多，結(jié)合有限元軟件可以分析鐵路路基工程受力特性，模擬不同荷載條件下的結(jié)構(gòu)行為，評估結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，確保其具備足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。未來，BIM融合有限元軟件的應(yīng)用可為鐵路路基工程帶來更安全、更可持續(xù)的設(shè)計、施工和管理。

4） 數(shù)據(jù)集成和共享。數(shù)據(jù)的集成和共享是BIM技術(shù)發(fā)展的必然方向。BIM模型可以整合各種數(shù)據(jù)源，包括GIS、地形數(shù)據(jù)、材料屬性等，以建立更全面和精確的模型。同時，BIM模型的共享將促進(jìn)不同利益相關(guān)方之間的協(xié)同合作，提高項目的整體效率和質(zhì)量。

5） 智能化和自動化。通過對大量數(shù)據(jù)的分析和學(xué)習(xí)，BIM已可以自動識別和糾正設(shè)計中的潛在問題，提供更精確和可靠的建模結(jié)果[74]。未來，BIM技術(shù)與機(jī)器人和自動化設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計施工任務(wù)的自動化和智能化是重要的創(chuàng)新發(fā)展方向。

6） 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）。VR和AR技術(shù)可為鐵路路基設(shè)計和施工提供更直觀、沉浸式的體驗[75-76]。通過VR創(chuàng)建虛擬的工程環(huán)境，工程師可進(jìn)行沉浸式的體驗和評估。AR可將BIM模型疊加到實(shí)際工程現(xiàn)場，幫助施工人員準(zhǔn)確理解設(shè)計意圖和施工要求，提高設(shè)計和施工的效率和質(zhì)量。

7） 數(shù)據(jù)分析和決策支持。隨著BIM模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)增多，數(shù)據(jù)分析和決策支持的重要性也將增加[77]。通過對數(shù)據(jù)的分析，可發(fā)現(xiàn)工程項目中的模式和趨勢，提供更準(zhǔn)確的預(yù)測和決策依據(jù)，優(yōu)化項目的進(jìn)展和成果。

4 結(jié)論

1） 目前基于BIM技術(shù)的鐵路路基設(shè)計施工應(yīng)用研究主要包括模型可視化、協(xié)同設(shè)計與沖突檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、施工管理與優(yōu)化、質(zhì)量控制與檢測等方面。利用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對鐵路路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀展示并優(yōu)化施工管理，提高效率減少施工風(fēng)險。

2） BIM技術(shù)在鐵路路基設(shè)計施工中仍面臨技術(shù)、組織管理、法律合規(guī)性和經(jīng)濟(jì)效益等方面的挑戰(zhàn)。針對現(xiàn)有挑戰(zhàn)應(yīng)加快深入BIM技術(shù)的研究應(yīng)用，完善相關(guān)法律法規(guī)，強(qiáng)化認(rèn)識及管理，為鐵路路基工程可持續(xù)發(fā)展提供解決方案。

3） BIM技術(shù)在鐵路路基工程中具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。BIM技術(shù)在鐵路路基中的應(yīng)用研究仍處于初期階段，在數(shù)據(jù)集成和共享、智能化和自動化、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及數(shù)據(jù)分析和決策支持等方面還有待進(jìn)一步發(fā)展，這些發(fā)展將為鐵路路基工程帶來更高效、可靠和可持續(xù)的設(shè)計、施工和維護(hù)過程。

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第一作者：涂文博（1989—），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會青年人才托舉工程獲得者，研究方向為土與結(jié)構(gòu)相互作用。E-mail：wenbotu@126.com。

通信作者：張鵬飛（1975—），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，江西省高層次高技能領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程人選，研究方向為軌道結(jié)構(gòu)及軌道動力學(xué)。E-mail：zhangpf4236@163.com。

（責(zé)任編輯：姜紅貴）