基于BIM及GIS技术的铁路选线课程设计改革研究

涂文博

摘要：铁路选线课程设计是铁道工程专业本科教学的重要实践环节，文章针对课程设计分析了当前存在的问题，并进一步整合智能工程技术及铁路选线课程设计特点，提出了基于BIM及GIS技术的铁路选线课程设计改革思路及具体实现过程，以期为BIM及GIS技术在类似毕业设计改革中的应用推广提供参考。

关键词：铁路选线；BIM技术；GIS技术；课程设计；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）07-0126-02

一、引言

随着“一带一路”倡议的推进，带动了新一轮对铁道工程专业人才的迫切需求，也推动了中国新时期高速铁路设计施工领域人才的需求变革。当前，工程实践应用能力及综合素质的提升是工程本科专业人才的主要目标，而毕业设计是其中重要的环节之一。铁路线路设计融合选线、测量、轨道、路基、地质等专业课程知识，集总体决策性、实践性和知识性为一体，是不可多得的综合运用铁道工程专业理论和专业知识的毕业设计案例。目前，传统的铁路选线课程设计已经难以适应高速铁路与城市轨道交通发展对铁道工程专业人才培养的技术需要，将智能新技术等作为支撑，深入推进工程理论及实践教学模式改革是未来发展的必然趋势。本文就目前高校铁路选线课程设计存在的问题，结合课程设计特点，积极探索实用创新性方法，构建互动、平等教学平台，培养学生独立思考、质疑思辨、求实创新能力，全面提升课程设计质量，推进方法改革。

二、铁路选线课程设计的现状

铁路选线课程设计是运用基础理论及专业知识的综合训练，熟悉选线设计理论，多次进行实地定线或纸上定线实践是掌握铁路选线课程的重要方法。然而，多数传统的课程设计过程难以达到培养效果，主要表现在以下两个方面。

1.课程设计选题与工程实际联系不紧密。铁路选线课程设计内容涉及铁路能力计算和铁路设计及方案技术经济比选三部分。毕业课程设计选题需合理考虑以上三部分因素，结合可靠的工程背景、工程资料及课程培养目标，综合训练学生分析与解决实际工程能力。然而，目前国内大多数高校缺乏系统性的工程数据支撑，涉及实际工程问题较少，缺乏工程真实感，更多的停留于理论计算，而忽视应用性，偏离工程实践能力导向。

2.深入现场踏勘实训困难，质量难以保证。铁路选线设计深入现场实地踏勘，通过学生在现场的观察、思考学习和专业技术人员及教师的指导，能够强化理论与实践关系的认知。但现实操作过程中，由于实地考察的场址选择需综合考虑学生的安全、吃住行等因素，实地培训的顺利开展困难重重。同时，现场指导过程中教师及技术人员讲解难以保证面面俱到，且大多数学生被动的“走马观花”式学习难以保证学习质量。甚至，许多高校出于安全因素取消现场实习机会。

总体而言，目前高校铁路选线课程设计在理论与实践的整合方面缺乏有效的方法，使得学生专业能力、方法能力及创新能力未得到有效训练。

三、基于BIM及GIS技术的铁路选线课程设计改革研究

建筑信息化模型（Building Information Model，BIM）是一个四维管理系统，即三维实体的全生命周期管理系统。工程技术人员根据工程资料建立相应数字模型，共同发现问题，解决问题，实现工程的全生命周期管理，包括可视化、造价分析、碰撞检测、结构计算和运营维护等。地理信息系统（Geographic Information System，GIS）为获取、处理、管理和分析地理空间数据的平台，提供了研究一切地理实体要素的手段和方案。随着土木信息智能化建设的发展，BIM及GIS技术也逐渐应用于线路、路基、高架桥等铁路工程设计当中，不仅提供了高品质项目设计成型方案，更为业主提供了更为直观的交付体验。本文基于国内外BIM技术的研究现状及应用，将铁路选线课程设计与BIM优势进行整合研究，具体实施方法如下。

1.建立工程数据库及与GIS的有效融合。BIM技术的核心是面向对象的数字建模技术，为实现铁路选线设计，前期则需确定工程所在的地理位置，随后基于选线设计理论规划线路并进行空间摆放。为此，需首先基于参数化控制进行三维元库的建立。利用三维建模软件，导入相应元件三维数据信息，初步构建后期线路设计中必须的轨道、桥隧等三维模型，建立工程数据库。其次，铁路是一种线状结构，地理空间跨度大线路所在区域变化多样，不仅包含城镇乡村，仍可能穿越河流及山区丘陵等路段。实地定线往往由于实际条件限制难以达成，纸上定线往往不够直观。GIS能够直观描述区域内线路设计地形地貌，确定线路起讫点工程水文地质概况，并通过三维形式展现出来。有效融合BIM及GIS可满足不同对象尺度之间的相互协调，合理地做到局部控制设计的精度又兼顾全局协调的一致性，便于教师课程设计指导及学生快速消化理解。

2.虚拟环境下铁路选线设计。虚拟环境选线设计主要包含铁路定线、平纵断面设计两个阶段。首先学生可通过GIS技术，直观的确定线路走向控制点及接轨点布置；同时，通过GIS可较为直观的获取城乡整体布局，考虑拆迁工程并满足客货运输要求，进而合理布置车站位置；最后结合BIM技术设计线路平纵断面，并融合GIS数据信息，结合紧坡地段和缓坡地段定线方法对线路平縱断面进行改善，联动交互设计达到合理阈值，提升学生对选线设计的认知和理解。

此外，铁路线路通常分布大量的桥梁、涵洞及隧道建筑物。线路与建筑物之间是相互依存的整体与局部关系，特大桥及长隧道往往影响线路的局部走向，而桥涵、隧道数量设置的多少往往决定线路的安全及经济合理性，必须在选线设计中体现。传统的CAD设计存在图纸协同设计较差、精细化程度较低等问题，采用BIM技术开展桥隧设计可显著弥补二维设计的缺陷，通过建立三维模型，结合GIS技术可对桥涵、隧道局部位置进行调整，提升工作效率，快速优化建筑物定线设计方法。

3.方案技术经济比选。铁路设计的总体目标，是以较低的投资实现所要求的运输能力，同时创造良好的运营条件降低运营费用。通常实际工程中，在满足“技术可行、经济合理、环境融合”条件下，需给出多种方案进行比选。结合BIM及GIS技术可快速直观地进行方案比选，比如线路途经的经济据点、填挖方工程及桥隧数量等。学生可通过该技术直观感受铁路选线方案的动态优化过程，并高效地提出具有比较价值的方案，积累初期的工程经济投资计算比选经验。

4.课程设计考核及综合效果评价。通过以上铁路选线课程设计训练，学生可基本完成并掌握整个铁路选线设计的过程。进一步，可依托智能技术平台，组织学生小组对提出的选线设计方案进行整体互相评价。学生通过可视化的3D模型学习、对比训练并解决工程具体问题，实时感受线路设计过程及成果，极大地促进学生之间相互交流学习的主观能动性。值得说明的是，以上分析均是以基于设计主导模式进行的，实际选线设计中仍可通过BIM技术在设计同时直观立体地展现施工过程，控制施工进度及施工运营成本，减少设计变更，同时确保施工质量等。学生在开放的BIM平台环境中能够得到更为全面的锻炼发展，实现综合素质能力的提高。

四、结语

基于BIM及GIS技术的铁路选线设计是未来发展的趋势，当前，铁路行业BIM技术人才相对匮乏，发展培养具有熟悉BIM技术的铁路专业人才是引领铁路向建设智能化、信息化高层次发展的必要条件。本文从改革铁路选线设计方法入手，提出基于BIM平台，融合GIS技术优化课程设计内容，通过立体、可视化的3D模型训练，帮助学生对铁路选线设计的整体系统化理解，加深学生对铁路选线的整体认知，提高解决实际问题的能力，最终实现应用创新型铁路工程复合型人才培养的目的。

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