基于BIM的铁路路基连续压实应用探讨

2014-02-14董兴干熊世雄王垚刘呈斌温剑

铁路技术创新 2014年2期

■ 董兴干熊世雄王垚刘呈斌温剑

基于BIM的铁路路基连续压实应用探讨

■ 董兴干熊世雄王垚刘呈斌温剑

结合连续压实和BIM的优势，提出一种新型铁路路基连续压实的应用方案。以压实质量检测为代表性业务，介绍应用方案的设计思想及关键流程的实现方法（BIM铁路三维设计转换、连续压实数据服务器、BIM工程管理平台）。通过在贵广线某试验工点、西成客运专线江油北站开展的实践，证明应用方案的可行性和适用性，体现了BIM技术在铁路路基连续压实中的应用价值和广阔前景。

铁路路基；压实质量；连续压实；BIM；质量检测

1 概述

1.1 路基连续压实

铁路路基是铁路建设的重要组成部分，其形成过程主要靠压实完成。目前我国常用的压实质量检测技术一般采用单点事后检测方式，如地基系数K30、动态变形模量Evd等[1，2]。自20世纪80年代以来，国外涌现的“连续压实”技术提供了路基全面质量检测的新型思路。其基本原理是：

（1）采用振动碾上的压实传感器自动记录碾压区域的压实信息；

（2）采用GPS传感器实时获得压实测点的精确位置和观测时间；

（3）利用无线通信设备实时向数据处理中心传送压实信息；

（4）安装在驾驶室的显示器实时为机械手展示路基填筑的设计信息和压实的信息，连续压实采集系统原理见图1。

1.2 BIM应用概述

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）的定义最早由美国乔治亚技术学院建筑与计算专业的查克·伊斯曼（Chuck Eastman）博士提出。不同组织对BIM的定义也不同，但始终体现了BIM所要提倡的核心理念，即共享与转换[3]，具体细分为3部分。第一，BIM将一个建设项目（如建筑物、铁路工程）的单一构件或物体作为基本元素，数字化其物理和功能特性，形成统一的数据模型。第二，BIM涵盖建设项目从设计到拆除的全生命周期，在不同阶段自动更新数据模型，提供精确的成本控制、施工控制的信息。第三，所有项目相关方使用BIM作为协作的标准通道[4]。

图1 连续压实采集系统原理

BIM应用始于美国，如美国总务管理局于2003年首先推出国家3D-4D-BIM计划[5]。目前日本、韩国等企业政府机构也在积极推进BIM的应用。近年来，我国开展了BIM应用的多次尝试，如北京奥运会水立方、上海中心大厦等。现阶段我国铁路路基工程建设中应用BIM主要偏向于设计阶段[6]，着重解决现有二维路基设计的意图不明确、设计标准统一化等问题[7]。选择设计阶段原因主要是目前我国没有单一软件或集成的成套软件可用。第二，现有可用的软件主要偏向于三维建模（如Autodesk Revit、CATIA，Sketchup）[8]。总之，基于BIM“共享与转换”的理念，结合连续压实技术，逐步建成各阶段的标准数据接口，在路基立项决策、勘察设计、工程实施各阶段集成或定制相关软件。该研究思路能为铁路路基工程的工作理念创新与改变创造可能性。

2 应用方案

现有铁路路基进行质量检测的通用业务流程是：施工单位拿到路基填筑点的二维设计（路基横断面图和线路定线信息是重要的组成部分），根据工艺性试验得出的结论进行填筑和碾压，自检合格后报送监理检验。监理根据相关规范收集检验数据并将质量结果发送施工单位。施工单位开展分层填筑压实工作。在每层压实工作完成后，监理在现场选择检测点并收集常规质量检测的过程数据。最后监理计算得到检测结果发给施工单位。施工单位根据检测成果决定下一步工作。如果检测合格，则进行下一层的填筑工作；如果检测不合格，需依据监理的建议进行整改。

大量的工程实践发现以上业务流程存在几点不足：（1）二维设计不够直观，设计信息表达不明确。如无法为施工单位提供一整条线路连贯的分层填筑设计信息；（2）监理现场选点位置和数量一般是参照现有规范及个人经验，选定位置具有较强的随机性，同时以多个点代表整个区域压实质量结果的做法有待改进；（3）从收集过程的数据到最终检测指标值的计算公式繁琐[1]，往往需手工录入电脑中使用软件辅助计算。如果现场不具备电脑办公条件，则工作人员往往须返回到项目部计算数据，然后再回到现场，严重影响整个施工效率；（4）目前的流程中涉及的很多数据多以纸质方式存储，易丢失或损坏。

2.1 设计思想

使用连续压实技术实时采集整个区域的压实质量信息，使用网络传输技术和制定的标准数据接口实现路基压实信息的互联，再融合BIM的“共享与转换”理念集成现有软件或研发配套软件，应用方案的设计思想见图2。

第0步，在铁路路基压实的全生命周期中，项目各相关方直接和BIM工程管理平台交互。

第1步，BIM工程管理平台基于设计单位提供的二维路基平面设计，建立三维模型，并转换为压实设备所识别的数据格式。压路机在现场开始施工前，通过无线网络将三维铁路设计下载到显示器中用于指导工作。三维铁路设计明确填筑的边界线，提供分层的压实设计。在施工过程中，提供实际施工成果与设计的偏离情况，如填筑高度、压实程度、碾压遍数等。

第2步，压路机机械手在现场实时操作时，安装在机械上的传感器可实时采集机器碾压位置的压实信息，包含单点压实程度、精准的位置信息、观测时间（精确到毫秒）、压路机的振幅、频率、速度、机器行驶方向等。压实信息是整个应用方案的基础数据，直接用于后期的压实质量检测分析和BIM工程管理平台出具报告。同时第2步采集的压实信息具有3个特征，第一可以采集整个施工区域信息，非单点压实信息；第二记录所有碾压过程信息。从分层的第一遍到最后一遍，从第一层到最后一层。第三是实时性，即压实机器上的无线通信设备可实时将压实信息传输到数据服务器进行分析。

图2 应用方案的设计思想

第3步，BIM数据服务器自动侦测、存储、解算原始的压实信息，并将分析后的压实质量检测的成果数据以标准数据格式发往BIM工程管理平台。

第4步，参照现行规范要求，BIM工程管理平台生成压实质量检测报告，用作现场施工的辅助决策信息。同时BIM工程管理平台存储现场施工的所有数据，项目相关方可以查看历史数据，实现对现场压实工作的过程回溯。

2.2 关键流程的实现方法

通过研究现有软件及研发自主软件，初步实现提出的应用方案，其中需要打通的关键流程及实现方法如下：

（1）打通二维路基设计到BIM三维设计环节。目前可行的获取方式有2种。第一种方式通过人工识别二维设计要素（如定线、坐标、类型、横断面等），利用BC-HCE软件功能模板，录入要素信息生成三维设计。第二种方式是将已经用三维建模软件做好的三维模型（如AtuoDesk Civil 3D软件），利用通用数据格式（如Landxml）导入BC-HCE自动生成三维设计。这2种方式得到的三维设计都可导出压实设备所需的三维数据格式。

（2）实现路基连续压实信息互联。设计网络方案时需考虑3个重要因素，第一是铁路路基压实信息的安全性；第二是基于铁路线路本身狭长形特征，如何搭建经济实效的无线网络环境。需注意的是铁路全线线路很长，一般在十几到二十公里，但路基是分段填筑，一般沿里程方向的最大填筑长度在100 m左右；第三在施工现场需确保压实信息的完整性，避免数据丢失。

经实践证明，可通过账户授权及专网IP方式解决信息安全性问题；针对第二个因素，采用无线接入点配合大功率定向和全向天线可提供相对经济实用的方案。如图3，在江油北站工点使用网络方案的成本约为5 000元/km。针对第三个因素，首先需合理设计压实信息的数据格式和传输时间间隔。经测试，美国提供的连续压实传感器产生的数据频次是每5 min产生一个20 kb左右的文件[9]。同时压路机安装的通信设备要支持多种网络通信方式，如无线通信和GPRS网络功能，确保网络通畅。

（3）建立BIM数据服务器管理连续压实信息。BIM数据服务器核心功能是自动监测现场实时传回的压实信息、实时数据备份、自动压实质量分析、转换为标准数据格式。其中，第一步，需编写健壮的压实质量分析算法库，针对实际复杂的情况进行测试。因压实机属于重型机械，操作压路机产生人为设定特殊数据是不现实的。超压、过压或压实反弹的情况很难在实际中模拟。通过MCGSim软件可模拟压实路的碾压工作，并人为设定碾压的结果。第二步，通常一条铁路线路的长度会达到十几公里，加上足压实信息的精细化需求，通常以0.1 m×0.1 m作为最小单元格网对路基压实区域进行建模时，必然带来海量数据。因此给筛选单点压实信息、存储所有数据提出了挑战。采用优化的数据库存储方式可提高效率，并确保数据服务器的稳定性。

3 工点试验

3.1 二维路基设计到BIM三维设计环节

以江油北站试验工点为例，首先实现二维设计到BIM设计的转换，按照施工工艺进行分层。图4为BC-HCE软件中路基模型的部分内容，其中紫色大区域部分为站场地基，其余部分为路基自下而上前9层。在软件中也可通过软件最下方的里程筛选按钮，查看单个里程的详细设计信息（见图5）。

其次，通过BC-HCE软件生成.svd、.svl、.cfg格式文件，导入CB460控制器，用于指导现场施工，即实现三维路基设计到施工设备接口的打通。

3.2 路基压实的全面质量检测在贵广线某试验工点上采集的信息非常具有代表性，该路基段长约120 m，宽40 m。图例颜色蓝色表示压实合格的区域，红色表示压实不合格区域。通过图6，第一，可直观地查看整个碾压区域的压实信息，左图统计的合格率为87.6%，右图的合格率为95.1%。第二，左右两幅图均清楚地显示薄弱区域。以右图为例，在左上方边缘存在明显的长约56 m，宽为2.1 m的薄弱区域。现行规范中认为连续薄弱区域面积超过1 m2时，认为需要进行检测。但进行常规质量检测选点时，依现行规范，在该路基段上只需沿着铁路线路中心线，左右两侧等距离地采集6个点即可。该薄弱区域位于边缘位置，很可能无法检测到。第三，连续压实技术可提供精准的压实信息，图中每个单元格网均有准确的坐标信息，以左图中存在的漏压区域为例。可通过该区域格网坐标，使用GPS可在现场定位到该区域。经查，该区域实际埋设直径为20 cm的沉降标。

3.3 使用BIM获取压实质量的成果报告

以江油北站试验工点为例，从BIM中将现场压实信息转换为标准数据格式，再对接BIM模型中，效果见图7。原始的压实信息包含精准的位置信息，因此可以匹配到对应的空间信息模型中，如地图、三维地表等。

依据现行铁路路基连续压实现行规范，标准的压实报告图包含压实程度分布图、压实状态分布图等。BIM工程管理平台提供的压实报告图见图8，红色部分表示压实质量检测不合格区域，绿色为合格区域。

4 结束语

针对BIM在路基连续压实中的应用，提出初步的较完善的方案，并在试验工点中验证了应用方案的可行性。以路基压实质量检测业务为切入点，系统地实现了该应用方案，为解决现有路基压实存在的诸多冲突提供了参考。下一步研究工作计划是在路基的勘察设计阶段研究基于BIM的4D施工模拟，在施工管理阶段引入物料管理的信息并进行工程量统计等。同时在多个工点开展对本应用方案的验证，最终形成通用的可大范围推广的产品方案。