西成线江油北站路基BIM的应用

2014-02-14徐骏李安洪刘厚强姚裕春张耀

铁路技术创新 2014年2期

■ 徐骏李安洪刘厚强姚裕春张耀

西成线江油北站路基BIM的应用

■ 徐骏李安洪刘厚强姚裕春张耀

从铁路应用建筑信息模型（BIM）优势、铁路全生命周期BIM应用需要、铁路BIM应用科研申报及标准编制需要和铁路BIM应用保持领先需要方面分析BIM应用的必要性；结合工程实际，从筹备、设计、施工、展示方面阐述和分析技术思路，核心是以BIM模型为纽带，实现BIM建模及模型在施工和展示中的应用，实现施工过程实时监控，加强施工质量控制。

建筑信息模型；铁路路基；设计；施工

1 概述

目前，以建筑信息模型（BIM）为核心理念的数字化三维技术的出现，给工程建设企业生产及管理效率提升带来新的驱动力。

我国建筑、水电等行业BIM应用相对成熟，已全力推广应用。与建筑、水电等行业相比，铁路行业BIM应用处于起步阶段。为适应铁路行业工程建设三维信息化发展需要，中国铁路总公司及中国中铁股份公司积极推进以BIM为核心的三维数字化铁路建设，应用范围涵盖铁路勘测、设计、施工及运营全生命周期。路基作为铁路重要基础设施之一，BIM的设计尚处于前期调研及建模方法探索阶段。调研工作主要是欧特克CIVIL3D三维设计平台的适用性及二次开发，建模方法主要包括施工过程的三维路基建模、协同数据接口及路基工程信息分类。与其他专业不同，以填方、挖方为主的路基修建过程因其施工机械较为简单，且易于实现数字化控制，在有关单位技术支持下，铁路路基基于BIM的施工已具备一定基础，可补充铁路BIM应用全生命周期的施工环节。铁路路基数字化施工需输入三维设计数据，为BIM应用提供了契机。

2 BIM应用的必要性

2.1 应用优势

建立铁路路基三维模型，可直观展示设计效果，有效检查设计中的错误。目前，发达国家相继制定了勘察设计行业的BIM标准，并以此衡量、验收勘察设计单位的设计成果，掌握BIM的勘察设计单位，才能参与勘察设计。因此，无论是从提高工程建设效率、增强企业核心竞争力，还是从适应市场需求角度出发，开展BIM应用研究非常必要和迫切。

2.2 铁路全生命周期BIM应用的需要

目前，铁路设计院BIM应用在勘测、设计方面取得了较大进步，尤以隧道、桥梁最为明显。但其模型只包括静态施工信息，用于信息查询或过程模拟，尚未考虑直接用于控制机械数字化施工，缺乏后续运营阶段BIM应用所需的施工过程信息。与隧道、桥梁相比，目前积累的铁路路基数字化施工技术，可实现BIM模型与施工机械控制模块输入数据的转换，有利于尽快推动BIM在施工中的应用，为BIM应用于铁路全生命周期打下基础，也为后续运营阶段BIM应用奠定基础，首次实现铁路行业BIM应用于施工环节。

2.3 铁路BIM应用科研申报及标准编制的需要

目前，铁路行业全生命周期BIM应用实践较少，不利于相关科研立项及标准编制。通过铁路路基BIM应用实践，进行勘测、设计、施工、运营全过程BIM应用探索，可为高级别科研项目立项及相关标准编制提供重要支撑和参考依据。

2.4 铁路BIM应用保持领先的需要

目前，铁路设计院开展了BIM应用研究，从三维建模角度来看，所用平台彼此差距很小，需进一步提升BIM应用水平及竞争力，可从两个方面开展工作：一是尽快掌握高级二次开发技术，实现高效、快捷的三维建模，其难点是需要持续的开发技术支持；二是与已有先进技术相结合，包括三维GIS技术、路基数字化施工技术等，推动BIM在铁路建设全过程中的应用，通过铁路路基的BIM应用进行试验和完善。

3 技术思路

为探索BIM在铁路路基中的应用，结合西成线江油北站开展研究。

（1）通过在工程现场开展基于铁路路基的BIM数字化施工试验，第一次示范性地将BIM应用于勘察、设计和施工环节。一是展示BIM在勘察、设计、施工环节的整合应用；二是验证路基BIM应用方案的可行性，推动BIM在铁路路基中的应用；三是验证连续压实数字化施工方法，推动其推广应用；四是展示联合数字工地系统。

（2）现场试验。基于BIM的数字化施工重点关注路基填筑的施工过程控制和施工质量保证。一是从BIM获取用于数字化施工的三维设计数据；二是利用GPS流动站（引入北斗定位系统）进行数字化测量；三是机械施工引导与控制，包括挖掘机可视化引导、压路机智能压实与推土机可视化引导、铲刀自动控制与平地机铲刀自动控制；四是实时数据双向交互（手机网络、电台、WiFi无线网络、光纤有线网络的综合应用）；五是将施工过程数据动态传输到BIM数据库中，进行BIM成果远程应用；六是数据挖掘，依据铁路相关规范实时生成相关报表。

3.1 筹备

（1）试验区段。根据连续压实规范，试验区段长度应不小于100 m，为完成数字化施工及远程展示，应有便捷的电力、网络、监控房屋等设施。选定西安—成都客运专线四川段五标江油北站四轨道站场及站台和路基段为试验区段，长约330 m，宽60～80 m，包括旅客通道、换填区、排洪涵、桩基托梁挡土墙等，为非连续路基施工。

根据现场实际环境及施工进展，将试验区段划分为A、B、C、D四个区域。A区域为矩形，长35 m，宽约60 m，作为连续压实工艺试验段及基于BIM的数字化施工试运行场地；B区域为旅客通道及换填区，长15 m，宽约60 m；B区域为一个深坑，将A、C区域分隔开，需填平后才能贯通施工；C区域为连续路基段，长150 m，宽约60 m；D区域为连续路基段，长130 m，宽约60 m。因排洪涵设计，D区域与C区域分隔；D区域作为对比段，采用传统施工方式，通过采集相关数据，进行数字化施工与传统施工的效能对比。

（2）基础数据。基于现有“线、站、路、涵”等二维设计资料，通过编写临时辅助程序得到三维线路。根据二维横断面设计中的地质情况，通过修改路基辅助设计软件导出Civil3D支持的地质建模插件输入数据，构建三维地质分层曲面；根据符合设计标准的平面地形图，获得三维数模点云数据和将实测横断面地面线解析为三维散点点云数据，将两类点云数据文件导入Civil3D，建立三维地面；横断面装配部件类型梳理，为建模提供依据，进行功能分类并考虑与分层填筑相关的部件构建。

3.2 设计

（1）三维建模。主要基于Civil3D软件开展三维建模。一是根据线路平面数据建立线路；二是根据纵断面图建立纵断面；三是采用部件编辑工具构建工点典型装配横断面；四是按装配横断面类型及对应里程范围初步生成道路；五是设置采样线，其位置与二维设计图中各横断面一致；六是按控制点位置生成特征线，将三维设计道路各横断面与二维设计图调整一致；七是生成包括路基顶面及两侧坡面的分层（30 cm，参数化）曲面，导出Landxml文件，用于数字化施工机械输入数据预处理；八是生成分层路基实体，供后期施工模拟、信息集成及效果展示使用。

（2）模型后期处理，主要基于3dmax软件。一是将Civil3D路基压实模型转为实体，导出格式为3dmax；二是完成3dmax中路基实体模型的完善及美化后，导入三维GIS展示平台；三是完成工地完整施工模拟动画制作，用于展示平台演示。

3.3 施工

施工现场应用联合数字工地系统应架设无线通信网络、定位基站等数字化系统实现网络通信和定位全覆盖；通过内业系统接收BIM的设计数据，并对设计和施工任务进行配置，同时传输给安装在施工机械上的引导与控制系统，指导机械施工。现场需要配置挖掘机1台、推土机1台、平地机1台、压路机2台，其中平地机需要实现自动铲刀控制，推土机尽量实现铲刀自动控制。机械施工过程中的全部关键数据将被实时采集并传输到后台数据库进行存储、分析与备份，按照我国铁路行业的相关规范生成相关报表，用于用户交互。这些数据将被动态、实时地传输到BIM数据库中，以实现BIM远程应用。基于BIM的数字化施工见图1。

（1）施工组织。数字工地在现场建立，主要包括数字化测量系统（GPS方式）、机械引导与控制系统（推土机、挖掘机、压路机引导系统）、无线网络通信系统（WiFi网络）、数据挖掘、交互平台等。基于BIM的施工组织流程见图2，压路机连续压实施工见图3。

（2）模拟及验证。一是施工前利用设计文件进行办公室环境下的模拟；二是施工前在现场进行系统验证，包括网络覆盖、网络接入、系统预演等。

（3）目标压实参数确定。参考连续压实规范相关规定，在试验区段数字化施工开始的第一层压实过程中（通过系统预演及连续压实参数采集），结合传统检测手段分步确定目标压实参数，需施工单位按分遍、分层要求进行配合。

（4）正式数字化施工。根据获得的目标压实参数，指导机械逐层压实其他各层。根据需要对压实薄弱区采用传统方法检测，并完成过程数据采集；采用视频录制、现场记录、系统记录等多种方式完整、真实记录试验区段全过程。

3.4 展示

基于三维GIS系统开发的路基BIM应用三维GIS平台见图4。

图1 基于BIM技术数字化施工示意

（1）三维场景。范围为江油北车站区段，沿线路方向D4K472+000—D4K479+000，线路中线左右侧各2 000 m。采用前期航测制图所用的黑白航片制作正射影像；采用购买的0.7 m分辨率单片彩色影像进行纠正；黑白影像与所购买的彩色影像融合；生成沿线三维地形场景；三维场景中导入已建好的三维路基模型。