鐵路站前工程三維模型創(chuàng)建及深化應(yīng)用研究

范亞娜

BIM 是廣義上的數(shù)據(jù)模型，集成各類信息，用于對工程實體和功能特性的數(shù)字化表達。為積極響應(yīng)國鐵集團中智能高速鐵路2.0 架構(gòu)設(shè)計，加速推動高鐵智能建造發(fā)展進入新階段，結(jié)合在建西十高鐵XSZQ-4 標(biāo)段項目，根據(jù)現(xiàn)場需求，大力推動開展施工階段全過程BIM模型創(chuàng)建和深化應(yīng)用工作。

結(jié)果表明：一是制定創(chuàng)建規(guī)則指南，并在此基礎(chǔ)上完成標(biāo)段內(nèi)施工全過程BIM模型，精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，基本實現(xiàn)了構(gòu)件級模型管理，為后續(xù)全面開展深化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)；二是施工建造BIM 應(yīng)用探索工作，對BIM 施工關(guān)鍵技術(shù)進行技術(shù)驗證，研發(fā)數(shù)字化展示和管理平臺，初步實現(xiàn)以BIM 輔助施工決策的目的，相關(guān)成果有效指導(dǎo)了現(xiàn)場施工，在鐵路行業(yè)形成示范帶動作用。

在2020 年，國鐵集團正式發(fā)布了《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》，首次構(gòu)建了技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)三位一體的智能高鐵體系架構(gòu)。隨著新一代信息技術(shù)如大數(shù)據(jù)、BIM 和人工智能的飛速發(fā)展，鐵路建造的智能化轉(zhuǎn)型正在穩(wěn)步推進。鐵路主要呈帶狀結(jié)構(gòu)，其建設(shè)占地范圍廣泛，橫跨多個省區(qū)，涉及路基、橋梁、隧道等多個專業(yè)，且受到周邊自然環(huán)境因素影響較大，對軌道和各種設(shè)備安裝精度要求高，建造技術(shù)難度大。作為大型基礎(chǔ)設(shè)施，鐵路工程體量大、建設(shè)周期長、消耗資源多，迫切需要參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建BIM 模型并開展數(shù)字化成果展示、三維技術(shù)交底、驗工計價等工程應(yīng)用，提升行業(yè)信息化、智能化水平。

一、概述

西安至十堰鐵路項目線路全長255.7km，其中陜西省境內(nèi)169.3km，隧道工程16 座/124.4km、橋梁工程32 座/31.1km，橋隧比91.8%。中鐵二十局XSZQ-4標(biāo)段里程范圍為DK93+573.51 ～DK108+625，重點工程包括南秦河特大橋和南秦隧道工程，依據(jù)中國鐵路BIM 聯(lián)盟頒布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)（IFD）》《鐵路工程信息模型表達標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開展標(biāo)段內(nèi)全線全專業(yè)模型設(shè)計，精度達到了LOD3.0 ～LOD3.5 要求，基本實現(xiàn)了構(gòu)件級模型管理。同時，探索模型應(yīng)用技術(shù)路線，為現(xiàn)場施工作業(yè)提供新思路，重點開展三維技術(shù)交底、數(shù)字化電子沙盤、質(zhì)量安全管理、成本分析及驗工計價等應(yīng)用，為后續(xù)項目的BIM技術(shù)應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)，提高工程管理質(zhì)量。

二、模型創(chuàng)建

1.標(biāo)準(zhǔn)體系

主要規(guī)定：

（1）模型文件格式為.dgn，庫文件格式為.dgnlib，單元庫文件格式為.cel。

（2）項目模型創(chuàng)建基于線路專業(yè)模型，嚴格按照統(tǒng)一坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)生成。

（3）模型使用統(tǒng)一的度量單位，使用米為長度的工作單位，使用°為角度的工作單位。

（4）同一項目部分工程構(gòu)件統(tǒng)一納入相同圖層，圖層內(nèi)各構(gòu)件的區(qū)分以附加參數(shù)信息解決。

（5）模型文件的命名方式參照《鐵路工程信息模型表達標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定為：項目名稱_設(shè)計階段_專業(yè)代碼[_設(shè)計單元]_類型描述_定位信息_版本日期，例如：西十_施工圖_橋梁_01 南秦河特大橋_全橋模型_DK0+000 ～DK30+000_20191226.dgn。

（6）應(yīng)在項目文件夾下設(shè)參考模型文件夾，具體層級為參考模型→專業(yè)名稱→具體參考模型名稱。參考模型dgn 文件應(yīng)以具體工程構(gòu)件或系統(tǒng)命名，以設(shè)計線、內(nèi)軌頂面、大里程方向為定位基點。

2.表達要求

（1）模型組成：以橋梁模型為例，一般包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座以及附屬結(jié)構(gòu)物。上部結(jié)構(gòu)包含梁部、支座等，下部結(jié)構(gòu)包含墩臺、基礎(chǔ)。附屬結(jié)構(gòu)物一般包括欄桿、通信信號電纜槽、電力電纜槽、防撞墻、擋碴墻、豎墻等橋面系構(gòu)件，還包含錐體、墩頂?shù)趸@、檢查梯、電纜上下橋預(yù)埋槽道等。涵洞模型一般包括涵身、出入口、沉降縫以及鋪砌、排水系統(tǒng)和限高防護架等附屬結(jié)構(gòu)物。

（2）模型構(gòu)件所在圖層的命名結(jié)構(gòu)按各專業(yè)內(nèi)容劃分為兩級，每級之間用“_”連接，例如：墩臺_墊石。

（3）建模前統(tǒng)一制定材質(zhì)庫文件，模型顏色以在圖層中賦統(tǒng)一材質(zhì)的方式體現(xiàn)，紋理應(yīng)均勻協(xié)調(diào)。

（4）BIM 模型必須統(tǒng)一所有構(gòu)件的外觀樣式。要求采用在圖層中賦予圖層內(nèi)構(gòu)件材質(zhì)（分配材質(zhì)）的方式附加材質(zhì)，各構(gòu)件不單獨連接材質(zhì)。

3.創(chuàng)建規(guī)則

（1）模型創(chuàng)建時構(gòu)件類型應(yīng)選用實體類型，禁止使用mesh 類型。

（2）為了滿足模型施工深化、輕量化使用需求，創(chuàng)建時單體構(gòu)件長度不宜過長，應(yīng)控制在400m 以下。

（3）為了滿足模型的輕量化使用需求，對于幾何外形相同模型，應(yīng)采用實例化存儲方式創(chuàng)建。

（4）項目模型創(chuàng)建釆用統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系（世界坐標(biāo)系）即2000 國家大地坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)釆用1985高程基準(zhǔn)。

絕對坐標(biāo)：與線路坐標(biāo)系保持一致，以路線為基礎(chǔ)進行創(chuàng)建。

相對坐標(biāo)：面向線路大里程方向為X 軸正方向、里程點處對應(yīng)的線路平面線條法向量為Y 軸（左正右負），Z 軸方向為高程方向（向下為正）。

（5）以橋梁工點為例，模型創(chuàng)建中每座橋下部結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)線/基準(zhǔn)點平面位置：全橋布置計算后，每個橋墩/臺的中心線（平面線條法向量方向）與線路左線在大地平面上的投影線交點為設(shè)計控制點，縱斷面位置：根據(jù)橋墩/臺所在位置對應(yīng)的線路里程位置，確定該里程點處的線路左線軌面高程，以該點為0 點，高程方向向下為Z 軸正方向。

4.信息要求

（1）模型信息以幾何信息、非幾何信息、關(guān)聯(lián)文檔等形式提交。

（2）構(gòu)件的屬性信息參照《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》第5 章。當(dāng)基本模型存在參考模型時，應(yīng)在基本模型的屬性中補充“參考模型編號”字段及屬性值，以便關(guān)聯(lián)和檢索。

（3）模型屬性命名規(guī)則為：設(shè)計信息_類型名稱/其他，例如：設(shè)計信息_梁體。

（4）所有模型構(gòu)件均在屬性信息中添加定位信息，定位信息末級字段在各專業(yè)各圖層下均有不同，用來區(qū)分同圖層下的具體構(gòu)件。

三、模型成果

項目實施過程中，BIM 技術(shù)人員配備專業(yè)圖形工作站、傾斜攝影無人機、LED 大屏及移動終端等，保證軟件順暢運行和施工應(yīng)用開展。

1.地質(zhì)

將地層界線導(dǎo)入到三維模型空間，插值運算形成三維地質(zhì)層面，通過布爾運算剪切形成復(fù)雜地質(zhì)體，地質(zhì)體添加地層、構(gòu)造、不良地質(zhì)等信息，完成地質(zhì)模型創(chuàng)建，如圖1 為車站地質(zhì)模型。

圖1 車站地質(zhì)模型

2.橋涵

基于線路、地模、地質(zhì)可實現(xiàn)橋涵三維可視化人機交互設(shè)計，自動高效創(chuàng)建鐵路橋涵BIM 模型及構(gòu)件屬性信息的定義、添加、修改，并利用BIM 模型自動生成鐵路橋涵施工圖數(shù)量，如圖2 為南秦河特大橋BIM 模型。

圖2 南秦河特大橋

3.隧道

隧道信息模型按照其組成，包含隧道洞口、洞身、輔助坑道、附屬洞室、棄渣場以及附屬設(shè)施，包含必要的幾何信息和非幾何信息，自研軟件根據(jù)地質(zhì)資料設(shè)計支護措施，參數(shù)化創(chuàng)建隧道襯砌斷面，自動生成襯砌鋼筋、鋼架模，如圖3 為隧道洞身分段BIM 模型。

圖3 隧道洞身分段

4.路基

路基模型一般包括路基本體以及本體有關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)物。路基本體包含基床、基床以下、過渡段等。附屬結(jié)構(gòu)物一般包括邊坡防護、支擋結(jié)構(gòu)、地基處理、排水溝等。

四、深化應(yīng)用

為全面推動本標(biāo)段BIM 技術(shù)探索工作，組織骨干人員結(jié)合施工現(xiàn)場實際需求，開展模型深化、整合應(yīng)用工作，重點研究解決以BIM 為核心的交底技術(shù)，主要開展包括隧道專業(yè)電子樣板墻、襯砌斷面精細化模型、施工深化模型以及橋梁專業(yè)連續(xù)梁0 號塊深化模型、圓端形橋墩深化模型、專業(yè)間接口檢查、綜合展示電子沙盤、質(zhì)量安全管理、施組模擬推演、驗工計價等應(yīng)用，極大促進工效提升。

1.隧道施工電子樣板墻

運用BIM 技術(shù)，建立隧道不同圍巖級別以及各工序施工的電子樣板段模型，精細化程度高且表現(xiàn)豐富，能夠讓現(xiàn)場施工作業(yè)人員一目了然，清楚地看到各部位、各工序施工的細節(jié)及注意事項。隧道電子樣板墻的應(yīng)用能夠有效地避免因操作不熟練、識圖困難等人為原因?qū)е路倒さ膯栴}，確保施工的準(zhǔn)確性和效率，推動現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化施工管理，提高施工質(zhì)量和安全性。

2.隧道施工深化模型

BIM 深化設(shè)計在施工階段可以提供詳細的構(gòu)造和屬性信息。主要解決設(shè)計階段BIM 模型精度不滿足現(xiàn)場施工管理要求、設(shè)計BIM 模型中的表達精度不滿足精細化管理要求和現(xiàn)場施工變更頻繁，模型更新不及時的問題。通過施工深化BIM 模型，清晰地展示結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式、相互位置關(guān)系、屬性信息等?，F(xiàn)場管理人員和施工隊伍可以根據(jù)這些信息，精確地制定施工計劃，合理安排施工順序，提前預(yù)知可能出現(xiàn)的問題，避免后期的改動和返工。

3.連續(xù)梁0 號塊深化模型

在鐵路混凝土連續(xù)梁的施工過程中，0 號塊體積較大，且鋼筋分布密集，這對現(xiàn)場工人的識圖操作能力提出了很高的要求。如果工人操作不當(dāng)，可能會導(dǎo)致混凝土振搗不密實、出現(xiàn)蜂窩麻面等問題，這些問題可能會影響到連續(xù)梁的施工進度和質(zhì)量。

為了解決這些問題，我們利用BIM 技術(shù)進行連續(xù)梁0 號塊的深化設(shè)計工作，直觀地發(fā)現(xiàn)鋼筋之間、鋼筋和預(yù)應(yīng)力束之間的碰撞沖突等設(shè)計中的不足，進而優(yōu)化鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道的間距，定位預(yù)應(yīng)力空間位置，為后期的孔道定位打下良好的基礎(chǔ)。此外，為了保證混凝土的振搗密實，我們還可以在三維模型上提前模擬從梁面至底部的豎向振搗通道和側(cè)模開孔等多孔振搗工藝。

4.專業(yè)間接口檢查

接口主要包括專業(yè)內(nèi)接口、專業(yè)間接口、 不同工程段落間接口、不同設(shè)計單位間接口等。利用BIM 模型檢查路、橋、隧、站等相鄰工程結(jié)構(gòu)銜接是否正確，坡面防護工程與排水系統(tǒng)是否銜接順暢。在特殊結(jié)構(gòu)橋梁、復(fù)雜地下空間洞室、土石方工程等方面進行接口優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)布置更加合理。

5.數(shù)字化建造管理平臺

數(shù)字化建造管理平臺是基于云技術(shù)、GIS 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一體，面向基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域各參建方構(gòu)建的項目級平臺。平臺采用微服務(wù)體系架構(gòu)和B/S 集中模式，在軟件設(shè)計開發(fā)時，采用SpringCloud、Docker、ArcGIS 等比較成熟而又有發(fā)展前途的組件化開發(fā)技術(shù)。平臺可應(yīng)用于鐵路、公路、市政、房建等工程，同時滿足建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理等單位的現(xiàn)場管理需求，協(xié)助管理人員有效決策和精細管理，減少施工變更、縮短工期、控制成本、提升質(zhì)量。同時還能實現(xiàn)項目參與方數(shù)據(jù)共享，保證工程信息在設(shè)計施工中有效傳遞，保證項目設(shè)計建造階段規(guī)劃決策的科學(xué)性，促進項目一體化管理，提升建設(shè)工程品質(zhì)。

五、結(jié)語

本標(biāo)段開展施工階段全過程BIM 模型創(chuàng)建和深化應(yīng)用工作，重點開展隧道施工電子樣板墻、連續(xù)梁0號塊深化設(shè)計、橋墩鋼筋預(yù)埋件精細化模型；并對站前和站后專業(yè)接口技術(shù)進行研究、仿真模擬施工工藝工法難點，基于高精度GIS 環(huán)境，整合路橋隧等專業(yè)BIM 模型，開展技術(shù)管理、質(zhì)量安全管理、施組推演模擬、成本控制及驗工計價，對BIM 施工關(guān)鍵技術(shù)進行技術(shù)驗證，初步實現(xiàn)以BIM 輔助施工決策的目的。全面驗證了中國鐵路BIM 聯(lián)盟頒布的《鐵路工程信息模型表達標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)，助力以BIM 模型指導(dǎo)施工應(yīng)用技術(shù)的落地，有效提高了施工管理的質(zhì)量和效率，推動了工程數(shù)字建造技術(shù)的發(fā)展。