基于BIM的黃黃高鐵無砟軌道智能建造創(chuàng)新應(yīng)用

張杰, 馬彎

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430063）

0 引言

自2013年BIM技術(shù)引入我國鐵路工程行業(yè)以來[1］, 先后針對BIM標(biāo)準(zhǔn)制定、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用、軟件開發(fā)等進(jìn)行了多項探索[2］, 并開展了鐵路工程設(shè)計、制造、施工、運維的全生命周期管理研究[3-7］。目前, BIM技術(shù)在寧淮高鐵、魯南高鐵、福廈鐵路等項目的軌道工程中進(jìn)行了試點應(yīng)用[8-9］, 但仍存在缺乏正向設(shè)計解決方案、設(shè)計成果難以在建造階段應(yīng)用實施、設(shè)計與施工之間信息溝通效率低、建設(shè)單位對現(xiàn)場施工質(zhì)量和進(jìn)度的管控難度大等問題。為此, 結(jié)合新建黃岡—黃梅高速鐵路（簡稱黃黃高鐵）, 開展基于BIM的無砟軌道智能建造創(chuàng)新應(yīng)用研究, 重點從無砟軌道BIM正向設(shè)計、設(shè)計施工一體化應(yīng)用、軌道BIM建造管控平臺建立等3個層面進(jìn)行論述, 旨在提高設(shè)計質(zhì)量、提升管理時效性, 為無砟軌道智能建造創(chuàng)新應(yīng)用提供思路。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

黃黃高鐵線路全長125.162 km, 設(shè)計時速350 km, 是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京港（臺）通道”的重要組成部分。黃黃高鐵軌道工程主要采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu), 由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座等組成（見圖1）。無砟軌道作為高速鐵路的核心技術(shù)之一, 需達(dá)到高精度、高平順性、高穩(wěn)定性。

圖1 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 重難點分析

在滿足列車運行時速350 km條件下, 黃黃高鐵無砟軌道建造主要面臨以下技術(shù)難題：

（1）專業(yè)間協(xié)同設(shè)計難度大。軌道工程跨越路基、橋梁、隧道, 線站路橋隧等各專業(yè)信息在設(shè)計、施工過程中頻繁變化, 傳統(tǒng)設(shè)計模式不能實現(xiàn)軌道設(shè)計的動態(tài)更新, 精準(zhǔn)計算軌道段落布置和對應(yīng)鋪設(shè)坐標(biāo)耗費的時間、人力巨大, 難以滿足各專業(yè)高效協(xié)同。

（2）大跨度橋梁無砟軌道線型控制難度大。巴河特大橋為黃黃高鐵重點控制工程, 主橋為200 m矮塔斜拉橋, 受橋梁徐變、溫度變形、橋上荷載、風(fēng)速等多種因素影響, 導(dǎo)致無砟軌道線型難以控制。

（3）隧道變形縫處軌道施工動態(tài)化管控難度大。隧道變形縫位置存在施工與設(shè)計不一致的情況, 雙塊式無砟軌道跨越變形縫布置會產(chǎn)生反射裂紋等問題, 傳統(tǒng)的藍(lán)圖施工模式, 軌道鋪設(shè)數(shù)據(jù)無法根據(jù)現(xiàn)場實際自動更新, 各階段、各單位之間的溝通、信息交流、追蹤比較困難, 無法實現(xiàn)軌道施工過程的動態(tài)化管控。

2 BIM設(shè)計與智能建造方案

2.1 總體方案

為實現(xiàn)軌道工程高精度、高平順性、高穩(wěn)定性, 基于路基、橋梁、隧道等相關(guān)專業(yè)接口數(shù)據(jù), 開展全線軌道工程精細(xì)化BIM正向設(shè)計, 形成底座、道床板、軌排等軌道三維模型以及標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化交付成果, 以數(shù)據(jù)交互方式實現(xiàn)專業(yè)間協(xié)同設(shè)計；結(jié)合黃黃高鐵軌道工程建造重難點, 融入信息化、智能化建造技術(shù), 打通BIM設(shè)計成果與軌枕制造、現(xiàn)場施工信息化裝備的接口, 形成軌道設(shè)計、制造、施工一體化信息流, 通過多層分級鋪設(shè)調(diào)控技術(shù), 指導(dǎo)軌道智能建造；建立軌道BIM建造管控平臺, 對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析, 實現(xiàn)數(shù)字資產(chǎn)管理、質(zhì)量與精度管控, 提升軌道工程建造質(zhì)量和效率, 實現(xiàn)建造質(zhì)量的全面管控。

2.2 組織架構(gòu)與環(huán)境配置

2.2.1 BIM團(tuán)隊組織架構(gòu)

根據(jù)項目總體策劃, 搭建BIM設(shè)計與建造應(yīng)用團(tuán)隊（見圖2）。其中, 集團(tuán)公司副總工程師主要負(fù)責(zé)項目審查；技術(shù)中心專業(yè)工程師主要負(fù)責(zé)BIM標(biāo)準(zhǔn)制定、管理以及模型審核；BIM研發(fā)組分為BIM設(shè)計軟件研發(fā)與應(yīng)用組、BIM施工裝備研發(fā)與應(yīng)用組、BIM建造平臺研發(fā)與應(yīng)用組, 主要負(fù)責(zé)開展本項目的BIM設(shè)計、施工研究與應(yīng)用實施。

圖2 BIM設(shè)計與建造應(yīng)用團(tuán)隊組織架構(gòu)

2.2.2軟硬件環(huán)境

為保障BIM應(yīng)用順利開展, 應(yīng)部署相應(yīng)的軟硬件環(huán)境, 并開發(fā)軌道BIM設(shè)計軟件、信息化管理平臺、現(xiàn)場施工信息化裝備等（見圖3）。

3 正向設(shè)計

3.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

針對黃黃高鐵項目制定BIM實施方案, 在鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》（IFC）、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（IFD）基礎(chǔ)上, 借鑒鐵路IFC軌道實體分解方法, 將軌道工程分為2種空間結(jié)構(gòu)單元、4種組合件、16種構(gòu)件和零件。

3.2 軌道構(gòu)件建立

根據(jù)T/CRBIM 002—2014建立軌道構(gòu)件模型并賦予唯一編碼。黃黃高鐵CRTS雙塊式無砟軌道的軌枕、扣件均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 其外觀尺寸參數(shù)、配筋設(shè)計相同, 可采用常規(guī)的軌道構(gòu)件族模型（見圖4）；橋梁地段道床板為分塊設(shè)計, 道床板、底座分塊長度一般為5～7 m, 可建立自適應(yīng)族模型并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計[10-11］（見圖5）。

圖4 軌道構(gòu)件族模型

圖5 底座參數(shù)化設(shè)計

3.3 全線軌道BIM模型建立

3.3.1 軌道BIM信息屬性

根據(jù)平縱斷面、橋跨布置、隧道變形縫、沉降縫、車站道岔布置、信號轉(zhuǎn)轍機(jī)位置等各專業(yè)接口數(shù)據(jù), 結(jié)合軌道布置、結(jié)構(gòu)、超高等設(shè)計數(shù)據(jù), 形成軌道BIM精細(xì)化屬性信息, 如底座和道床板各角點、鋼軌頂面、扣件螺栓孔的放樣測量和精調(diào)等坐標(biāo)屬性信息（見圖6）, 以及IFD編碼、里程、軌道結(jié)構(gòu)類型、體積、質(zhì)量、材質(zhì)、廠商等屬性信息。

圖6 軌道BIM精細(xì)化屬性信息（坐標(biāo)屬性）

3.3.2 BIM三維實體模型

建立軌道BIM三維實體模型（見圖7）, 利用屬性信息驅(qū)動實現(xiàn)與線路、站場、路基、橋梁、隧道、信號等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計, 可直接指導(dǎo)施工測量, 為施工階段數(shù)字化建造奠定基礎(chǔ)。

圖7 軌道BIM三維實體模型

3.4 碰撞檢測

集成路基、橋梁、隧道、軌道等全專業(yè)BIM模型, 開展模型之間的硬碰撞檢測, 如專業(yè)之間預(yù)留空間、模型重疊等；結(jié)合BIM屬性信息、規(guī)范信息、經(jīng)驗信息等開展軟碰撞檢測, 如軌道結(jié)構(gòu)高度、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置等9項專業(yè)接口碰撞檢測（見表1）。

表1 全線軌道BIM模型碰撞檢測

在黃黃高鐵項目中, 專業(yè)間典型碰撞檢測包括無砟軌道布置與梁縫的位置關(guān)系、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器布置與線路縱坡的關(guān)系等（見圖8）。

圖8 典型碰撞檢測

4 智能建造一體化技術(shù)

4.1 實施方案

以巴河特大橋無砟軌道線型控制為例, 在軌道施工過程中實測主梁線型變化, 并與線型理論計算對比, 建立BIM施工實時信息模型, 動態(tài)修正無砟軌道布板數(shù)據(jù)；采用軌道結(jié)構(gòu)多層分級鋪設(shè)調(diào)控技術(shù), 與現(xiàn)場施工信息化裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互, 指導(dǎo)無砟軌道智能建造。BIM技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工示意見圖9。

圖9 BIM技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工示意圖

4.2 線型控制技術(shù)

主梁合龍后預(yù)加載獲得橋面荷載與索力及BIM模型信息的精確對應(yīng)關(guān)系, 對主梁線型進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)整, 根據(jù)實測的梁面標(biāo)高、梁縫里程等, 修正BIM模型參數(shù)；修正后, 通過手薄指揮全站儀對底座的4個邊角點進(jìn)行自動放樣定位, 實測梁面高程并與BIM模型對比, 利用底座調(diào)整厚度, 消除主梁局部線型誤差；確定底座立模高度后, 采用信息化裝備進(jìn)行模板順鋪、頂面標(biāo)高控制；軌排粗鋪前, 實測底座頂面高程并與BIM模型對比, 及時發(fā)現(xiàn)并修正施工偏差, 指導(dǎo)軌排粗鋪；通過采集軌道幾何形位數(shù)據(jù), 計算實測數(shù)據(jù)與鋼軌精調(diào)數(shù)據(jù)的偏差, 利用扣件對鋼軌線型進(jìn)行調(diào)整, 解決隧道變形縫處軌道建造動態(tài)化管控難題。軌道結(jié)構(gòu)多層分級鋪設(shè)調(diào)控流程見圖10。

圖10 軌道結(jié)構(gòu)多層分級鋪設(shè)調(diào)控流程

4.3 研發(fā)和升級成套智能裝備

4.3.1 雙塊式軌枕智能制造

由中鐵三局集團(tuán)線橋工程有限公司蘄春軌枕廠承擔(dān)并完成雙塊式軌枕智能制造。通過在軌枕表面智能噴涂二維碼、串碼, 可實現(xiàn)軌枕精準(zhǔn)定位、現(xiàn)場定點定位檢查、無砟軌道設(shè)計施工數(shù)據(jù)互通。通過掃描二維碼, 可進(jìn)入信息輸入模塊, 完成施工信息輸入。在設(shè)計階段, 由設(shè)計、線下專業(yè)變更引起的軌道設(shè)計更新, 可在BIM模型中同步更新；在施工階段, 由施工單位在設(shè)計模型中添加詳細(xì)的施工信息, 逐步形成施工模型。

4.3.2 數(shù)據(jù)實時采集裝備

完成多種數(shù)據(jù)實時采集裝備的研發(fā), 如信息化手簿、全站儀二次開發(fā)、信息化軌檢小車等, 并完成巴河特大橋梁面高程、底座與軌排鋪設(shè)坐標(biāo)、鋼軌精調(diào)數(shù)據(jù)等施工數(shù)據(jù)采集。

信息化手簿的研發(fā)實現(xiàn)了全站儀遠(yuǎn)程無線操控、測量偏差實時預(yù)警, 并利用4G/5G傳輸網(wǎng)絡(luò)實時傳輸測量結(jié)果；信息化軌檢小車通過采集長鋼軌鋪設(shè)后的軌道幾何數(shù)據(jù), 利用擬合計算和優(yōu)化算法, 自動計算鋼軌精調(diào)量, 生成扣件精調(diào)件配置方案。

4.3.3 現(xiàn)場施工信息化裝備

完成多種現(xiàn)場施工信息化裝備研發(fā), 如底座板混凝土一體成型機(jī)、自動分枕平臺、軌排鋪裝機(jī)、軌排精調(diào)機(jī)等, 與信息化手簿中的數(shù)據(jù)（BIM模型數(shù)據(jù)）進(jìn)行配對互聯(lián), 可指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

5 軌道BIM智能建造管控平臺

以全線軌道BIM三維實體模型、屬性信息、施工過程數(shù)據(jù)信息為核心, 建立“無砟軌道設(shè)計建造信息化系統(tǒng)”（見圖11）。通過軌道BIM設(shè)計模型與施工實時信息模型智能對比分析, 實現(xiàn)施工質(zhì)量和進(jìn)度管控、預(yù)警預(yù)報、施工標(biāo)段經(jīng)驗分析等。

圖11 無砟軌道設(shè)計建造信息化系統(tǒng)

5.1 質(zhì)量管控

針對軌道工程質(zhì)量管控, 通過實時獲取底座、道床板放樣時手簿上傳的4個角點的實測標(biāo)高, 利用BIM設(shè)計成果, 實時對比分析, 自動計算底座、道床板范圍內(nèi)的基礎(chǔ)高程偏差。若線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)標(biāo)高誤差過大, 則進(jìn)行預(yù)警, 防止底座板澆筑后出現(xiàn)厚度或標(biāo)高不足問題。

針對黃黃高鐵隧道內(nèi)變形縫處道床板裂紋問題, 通過實測變形縫里程, 將數(shù)據(jù)上傳至管控平臺, 動態(tài)更新軌道BIM設(shè)計模型, 在變形縫處斷開道床板, 實現(xiàn)隧道變形縫處軌道施工質(zhì)量動態(tài)化管控。

5.2 進(jìn)度管控

全線軌道工程按照工點級、分部級、標(biāo)段級的施工進(jìn)度管控, 通過自動收集施工進(jìn)度信息, 與BIM模型動態(tài)鏈接, 實現(xiàn)形象化進(jìn)度控制圖表達(dá)。

5.3 預(yù)警管控

通過限差管理、預(yù)警值設(shè)置、預(yù)警提醒, 實現(xiàn)超限數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計, 針對不同工序精度要求, 通過紅、黃等不同顏色進(jìn)行分級預(yù)警, 并以短信方式推送給相關(guān)人員（見圖12）。

圖12 預(yù)警管控

6 結(jié)論

基于BIM的黃黃高鐵無砟軌道智能建造創(chuàng)新應(yīng)用, 可作為我國鐵路軌道BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程, 具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和工程示范效應(yīng), 對推動雙塊式無砟軌道智能建造具有重要意義：

（1）基于Autodesk Revit平臺自主研發(fā)軌道BIM設(shè)計軟件, 實現(xiàn)高度自動化BIM建模, 自動生成底座、道床板、軌排等施工所需的軌道三維模型和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字化交付成果；根據(jù)實測梁長、梁縫寬度、路基長度等信息, 結(jié)合線下基礎(chǔ)高程、底座板高程等分層測量數(shù)據(jù), 及時動態(tài)精準(zhǔn)計算軌道段落布置和對應(yīng)鋪設(shè)坐標(biāo), 實現(xiàn)軌道工程與專業(yè)接口的協(xié)同設(shè)計；通過路橋隧與軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)高碰撞檢測、軌道結(jié)構(gòu)過渡段與下部基礎(chǔ)過渡段位置碰撞檢測等, 實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計, 極大地提高設(shè)計質(zhì)量。

（2）系統(tǒng)性提出“設(shè)計施工一體化”軌道工程BIM實施路徑, 并研發(fā)信息化手簿、軌檢小車等施工信息交互裝備和軟件, 打通軌道設(shè)計與雙塊式軌枕智能制造、底座板混凝土一體成型機(jī)、自動分枕平臺、精調(diào)機(jī)等施工裝備之間的數(shù)據(jù)連接, 實現(xiàn)軌道工程建造的高效協(xié)同；應(yīng)用遠(yuǎn)程控制手簿, 實現(xiàn)了以設(shè)計數(shù)據(jù)為驅(qū)動的自動化施工測量, 測量控制、放樣調(diào)整的效率提升50%以上。

（3）建立“無砟軌道設(shè)計建造信息化系統(tǒng)”, 實現(xiàn)施工全過程的信息化、智能化管控, 對全線軌道BIM數(shù)字資產(chǎn)管理, 實現(xiàn)軌道底座厚度、道床板厚度、頂面標(biāo)高等預(yù)警管控, 建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理等單位可及時獲得現(xiàn)場施工信息, 有效避免廢棄工程和施工返工。以大數(shù)據(jù)為抓手, 實現(xiàn)信息化、精細(xì)化管理, 大大提升管理的時效性和空間覆蓋度, 從而提升管理力度、控制管理成本。