铁路路基工程BBIIMM技术应用研究

张钧达

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 铁路BIM应用现状

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是一种以三维建筑图形为基础，集成各类相关信息，贯穿建筑设计、施工、运维乃至寿命终结的数据模型。BIM的概念最早由Chuck Eastman［1-2］于20世纪70年代提出。经过近50年的研究与探索，BIM技术已广泛应用于建筑行业，在提升工程质量、降低造价、缩短建设周期方面效果显著［3-5］。我国铁路BIM技术起步较晚［6］，路基工程BIM应用还处于初级阶段［7-8］。虽然依托中国国家铁路集团有限公司BIM应用试点及其他工程项目为国内外近10条铁路建立了BIM模型，但较深层次的应用问题仍然有待解决。同时，传统二维图纸需要设计、施工人员将平面信息想象成三维实体，表达和理解的差异往往带来差错。因此，利用BIM技术可视化、模拟性的特点弥补传统设计的弊端，发挥已建模型的应用价值是目前亟待解决的问题。

2 铁路路基工程中的应用

铁路路基工程BIM模型包括路基本体、边坡防护、支挡结构、地基处理、排水工程、过渡段及专业接口等内容，并且支持相应的工业基础分类（IFC）和国际字典框架（IFD）等BIM标准［9-10］。

路基与其他专业接口较多，传统二维设计无法实现碰撞检测，导致施工过程中设计变更，影响工程进度，造成资源浪费。BIM设计可实现专业内外“差、错、漏、碰”等检查，提升设计质量。如提前预留四电过轨及接触网立柱基础位置，检测是否与其他结构物发生碰撞；优化涵洞路基与桥隧接口设计，避免不必要的返工；优化长度及翼墙高度，保证路基边坡稳定。BIM技术在铁路路基工程中的应用包括以下几个方面。

2.1 路基结构方案优化

应用BIM技术以高精度三维地形曲面为基础开展路基设计，较传统基于横断面的设计更加精确，工程措施设计更合理。借助BIM技术快速优化工程措施，直观对比不同结构方案的优劣，可提高工程安全性、降低成本，达到优化设计的目的。某铁路路基项目应用BIM技术进行结构优化对比见图1。图1（a）中蓝色区域为优化前的边坡面；通过调整支挡结构形式及位置、优化路桥缺口里程后的效果见图1（b）。由图1可知，方案优化后，路基边坡面积明显减少，在提高工程安全性的同时降低了投资，减少了对环境造成的破坏。

图1 路基项目结构优化对比

2.2 边坡绿化方案比选

在国家大力倡导的绿色雄安建设中，景观绿化设计应与沿线生态环境保持和谐统一，与自然及人文环境相协调。传统铁路路基边坡绿化设计采用混凝土骨架内种草或灌木的形式，绿化效果单一且二维图纸无法给人以直观感受。利用BIM技术可视化特点，将不同的边坡绿化方案立体地展现出来，克服了路基边坡施工面大、植被种植周期长等问题，让建设单位与设计者对不同的绿化效果有更为详尽的认识。雄安铁路某路基项目BIM模型经过渲染后的边坡方案效果对比见图2，方便决策者进行绿化方案比选。

图2 路基边坡绿化方案效果对比

2.3 挖方算量应用

在铁路工程中，准确分类计算挖方工程量对于路基工程数量确定、工程造价计算和土方的合理调配利用具有重要意义。利用BIM模型可计算路基工程不同结构的挖方体积，并按地质属性进行划分，添加相应的IFC信息。某铁路项目U形槽挖方算量及IFC属性见图3。

2.4 排水设计优化

二维排水设计是基于平、纵断面开展的，在地形起伏较大地区，排水路径、排水坡度及出口难以确定，还会造成过填、过挖现象，导致部分排水段落的设置偏离设计意图且增加不必要的成本。BIM排水设计基于可视化三维地形实现动态调整，可直观合理确定路基工点排水沟设置段落，动态调整排水路径、排水坡度及出口，在满足设计目标的前提下减少对铁路主体工程和环境的影响，降低工程投资，提高设计精度。应用BIM技术开展铁路路基排水设计，可实现排水路径直观可查，线间沟、排水沟、急流槽等排水结构连接过渡处清晰明确，利用三维立体模型可以优化排水系统设计，便于施工单位理解设计图纸。利用实测的三维地形面进行路基BIM排水设计见图4。

图3 U形槽挖方算量及IFC属性

图4 路基BIM排水设计

2.5 路基与其他工程接口设计应用

铁路路基工程与桥梁、隧道、站场以及站后各专业间存在大量接口设计，需要各专业协同作业；BIM技术可使各专业模型在同一平台环境下开展，在此基础上进行操作可极大减少专业间的“差、错、漏、碰”。

2.5.1 与隧道专业接口优化设计

在路基与隧道过渡段落存在许多接口设计，包括排水沟的顺接、电缆槽的过渡、边坡的衔接等，接口设计质量的好坏直接影响两侧结构物的安全与稳定。

（1）排水过渡设计。在路隧衔接处隐藏着较复杂的排水系统：隧道侧沟中的水通过跌水井汇集到过渡电缆井下方的集水井内，再经排水管流入路基侧沟；隧道中间的线间沟先将水汇入隧道线间集水井，再由预埋排水管与路基盲沟或侧沟连通将水排出。某高铁项目的一处路隧过渡段落及排水系统见图5。由图5可知，通过BIM技术可以让施工技术人员对隐蔽工程有更加清晰的认识，减少在设计、施工过程中的各种接口问题。

图5 路隧过渡段落及排水系统

（2）电缆井接口优化设计。在路隧过渡段落还有一种较重要的地上接口——过渡电缆井设计。由于路基、隧道工程结构的差异，需要在衔接处设置过渡电缆井将各自电缆槽内的线缆平顺连接，且需方便日后检查维修。路隧衔接段落过渡电缆井位置优化对比见图6。图6（a）为优化前，电缆井没有将路基、隧道两端的电缆槽准确连接；图6（b）为优化后，设计结果满足使用要求。

图6 过渡电缆井位置优化前后对比

2.5.2 与站后专业接口优化设计

铁路路基工程与站后各专业间接口设计种类繁多，在设计和施工过程中应充分考虑。传统设计不能在三维空间将各个构筑物按真实情况进行排布，造成其在实际施工过程中的位置冲突。声屏障与路桥过渡电缆井位置冲突见图7。

图7 声屏障与路桥过渡电缆井位置冲突

应用BIM技术在施工前对实际工况进行模拟，充分考虑路基与站后专业的接口问题，可弥补二维平面设计的不足，更好地服务于设计、施工人员。BIM技术在路基接口设计中的应用见图8。图8（a）是对预留接触网立柱基础位置合理性的判断；图8（b）、（c）为模拟路基电缆槽内线缆布置分布情况。

图8 BIM技术在路基接口设计中的应用

2.6 施工技术交底应用

应用BIM技术进行铁路路基工程施工技术交底，以可视化、可交互方式更为准确地讲解设计内容、重点工程、新工艺工法、既有线施工安全措施，可有效提升工程质量，缩短建设周期。对于一些不方便交付的复杂模型，可以利用3D PDF功能将BIM模型导出后在PDF软件中查看，并且模型可在空间自由旋转、测量或者挂接到GIS平台。U形槽BIM示意模型见图9。图9展示了地表开挖效果，可实现挖方量计算。该模型保存为PDF格式，在展示模型的同时附加文字描述，方便信息的传递与表达。

图9 U形槽BIM示意模型

在对整段路基工程进行连续性描述或是介绍具体的施工工序时，以视频表达的方式进行技术交底，在展示的同时给人以直观、连续的感受，对指导施工具有积极、重要的作用（见图10）。

图10 路基工程漫游视频界面

3 结论与展望

灵活运用BIM技术，从宏观到微观展开设计交底。通过在BIM模型中调整支挡结构形式与路桥缺口里程，减少边坡开挖面积；利用BIM技术直观、可视化的特点进行路基边坡绿化方案比选；将路基与地质模型相结合，实现路基工程挖方分类算量功能；充分发挥BIM技术“所见即所得”的特点，对排水、接口设计进行优化；将BIM应用到施工技术交底中，方便设计者与施工人员进行对接，对提升工程质量与效率起到良好推动作用。

在我国高铁快速发展的形势下，BIM技术将越来越多地应用到铁路建设的各个环节。不断挖掘BIM的应用点，提高建模精度与效率，充分利用模型中包含的重要信息，将对整个铁路行业产生深远影响。