BIM技术在高速铁路工程声屏障设计中的应用研究

胡文丽

(1.中国铁建BIM工程实验室,西安 710043； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

BIM技术(即建筑 信 息 化 模 型building information modeling)是利用数字模型对项目进行设计、施工、运营管理的全生命周期过程，对项目物理和功能特性进行数字化表达，采用信息化的方式创建、管理、共享所建造的全部信息，其数字化表达包括项目所有的几何、物理、功能和性能信息[1]。目前，国内外工程建筑行业大力发展BIM技术，BIM技术在工业、建筑行业等领域已经有较多应用案例和经验[2-3]。交通运输行业BIM技术的运用也越来越多，BIM技术的广泛应用能够提升铁路工程建设技术水平和信息管理能力，基于BIM技术的铁路工程建设全过程协同应用已经成为未来发展的重要方向，能够有效满足铁路建设发展的需求[4-5]。

近年来，中国铁路 BIM 联盟陆续颁布了一系列的铁路 BIM 应用标准，BIM设计广泛应用于隧道、桥梁、接触网、四电等专业[6-7]，但是BIM技术在铁路声屏障设计中的应用尚处于起步和探索阶段。以新建西安至十堰高速铁路项目为研究对象，探究BIM技术在铁路声屏障工程设计中的应用。借助BIM协同设计，解决铁路工程设计在各专业间信息沟通不及时、不流畅，设计人员图纸表达或理解不正确等问题，并在设计阶段及时发现各专业设计中存在的差、错、漏、碰等问题，减少施工阶段频繁返工和设计变更的现象，直观准确地表达出工程项目的信息，极大地促进铁路建设项目的工程质量和建设效率[8]。

1 项目概况

新建西安至十堰高速铁路位于陕西省东南部和湖北省西北部，线路西起陕西省西安市，向东南引线穿越秦岭山脉，经商洛和十堰两市，与武汉至十堰高速铁路相接，形成西安至武汉又一快速铁路客运通道。新建正线长255.749 km，桥隧比94.8%，本项目桥梁及城区路基段声屏障采用插板式金属结构，非城区路基声屏障采用插板式非金属结构。

2 BIM设计软件环境

本项目以Bentely软件、CityMaker软件为设计平台，采用MicroStation CONNECT Edition(以下称MS)以及二次开发的插件进行BIM设计，设计过程首先利用MS进行参数化设计，创建声屏障结构元件。每个元件的图元分别在二维模型下绘制好后，再通过实体构造、编辑、修改等系列组合命令设计建模，形成三维立体模型，最后通过空间拼装组成声屏障单元模型。通过ProjectWise协同平台，运用二次开发插件，进行声屏障模型的安装，采用Navigator软件进行碰撞检查等BIM设计过程。

2.1 项目元件库的创建

BIM模型是由不同的族组成，族库的丰富完整程度将影响后期BIM模型设计的效率和精确度，因此创建适用于铁路工程声屏障工程的族库是进行BIM设计的基础和重要环节。本项目设计采用MS设计软件，根据本项目铁路工程声屏障设计需求，创建H型立柱、金属吸声板、预埋螺栓、钢底板、预埋钢板、地梁、顶部扣板、三元乙丙橡胶垫(板)、铆栓等图元的元件库，并赋予元件模型不同的属性信息，部分声屏障结构元件见图1。本项目声屏障BIM设计属性信息主要根据中国铁路BIM联盟颁布的《铁路工程信息模型分类和编码标准》进行属性设置[9]。通过创建模型元件数据库，可实现族库文件的集中存储、信息共享和随时调用，实现高效设计和元件模型的规范化管理[10]。

图1 部分声屏障元件

2.2 协同设计

本项目BIM设计以ProjectWise作为协同设计平台，将各专业模型集中在同一个管理设计平台，可实现专业间模型同步更新，构建专业间数据层面统一的框架体系，强化各专业间的联系，减少了设计资料更新不及时引起的设计错、漏问题[11]。声屏障设计采用手动安装的方式以及二次开发的插件自动化安装布设的方式进行，设计过程中外部链接参考线路、桥梁、路基等专业的三维模型及数据，根据噪声敏感点的降噪措施要求，将声屏障单元模型按照里程桩号沿桥梁、路基边缘自动布设；特殊结构桥梁和路基处噪声敏感点声屏障设计采用插件+手动安装的方式进行设计，参考链接接触网模型后进行各专业模型整合，检查是否有专业接口碰撞。在协同设计过程中，如桥梁、路基结构形式改变、缺口里程变化或高程变化等，ProjectWise协同平台会同步更新参考模型，设计可及时发现BIM设计出现的碰撞问题。图2、图3为桥梁和路基工点处设计的声屏障模型。

图2 桥梁声屏障设计模型

图3 路基声屏障设计模型

3 BIM设计流程

借鉴二维图纸的设计经验，本项目BIM设计主要分解为以下流程，详见图4。

图4 声屏障工程BIM设计流程

BIM设计首先根据工点资料确定声屏障工程降噪措施的设计方案，提交桥梁、接触网等专业数据接口资料，通过ProjectWise协同设计平台，参考链接各专业的模型文件进行声屏BIM设计工作，最后进行模型总装整合，检查专业间模型设计是否符合设计及施工要求，图5为各专业总装后的声屏障模型。若发现设计存在问题，及时沟通，对模型进行修改，并通过Navigator软件对BIM模型碰撞检查，检查模型设计差、错、漏、碰等问题，提出碰撞问题的解决方案，完成准确无误的声屏障BIM设计模型，进行工程量统计、输出图纸、实景漫游展示等应用。

图5 桥梁处各专业总装后的声屏障模型

4 BIM设计应用

4.1 BIM模型属性添加

声屏障设计完成后，可通过Bentley软件和二次开发插件，将声屏障结构的元件属性信息添加，以便于设计过程中进行查看，本项目声屏障设计属性主要包括IFD和LID编码信息，如长度、高度、面积、材质，定位信息等。图6为在MS软件进行模型属性信息查看结果。

图6 模型属性信息查看结果

4.2 工程量统计

工程量计算是一项复杂而繁琐的工作，目前声屏障设计概算均由设计人员完成，也常存在“差错漏碰”的现象。本项目以声屏障BIM模型为基础，通过工程量统计应用程序，可实现一键输出声屏障结构的各个元件统计数量信息，导出工程量统计Excel表，方便快捷，极大地提高了工程统计的效率和准确性，为制定施工资源分配计划提供参考。以某工点处声屏障模型为例，图7为声屏障模型工程量统计界面，图8为声屏障模型工程量统计总信息表，图9为H型钢立柱统计结果表。

图7 声屏障模型工程量统计界面

图8 声屏障模型工程量统计总信息表

图9 H型钢立柱统计结果表

4.3 碰撞检查

由于传统设计、施工过程二维图纸不能直观地看出声屏障与路基、桥梁、接触网等各专业设计接口处存在的问题，导致施工过程常常出现碰撞、返工的案例[10，12-13]。而BIM设计具有可视化、协调性以及模拟性的特点，BIM模型中含有声屏障的几何及空间信息，可以直观地检查出声屏障结构元件间以及声屏障与其他专业接驳处的空间位置关系，在设计阶段可及时调整声屏障设置的位置、高程、长度和角度，从而有效地避免碰撞的发生，减少返工的几率，提高设计及施工的准确度和效率[14]。本项目运用Navigator软件，对BIM模型进行碰撞检查，利用“硬碰撞”对声屏障与桥梁、路基、接触网专业进行检查，并可进行实景漫游，直观而快速的定位碰撞位置并进行修改标注，导出碰撞文件。利用“间隙”对声屏障结构元件之间进行碰撞检查。图10为声屏障H型钢立柱与桥面系之间的碰撞检查结果，图11为钢支架与U形螺栓碰撞之间的碰撞结果。

图10 H型钢立柱与桥面系碰撞

图11 钢支架与U形螺栓基础碰撞

4.4 实景展示

随着测绘技术的飞速发展，倾斜摄影测量技术可从一个垂直和多个倾斜角度采集影像数据，通过高效的数据采集设备及专业数据处理流程生成三维实景模型数据，直观地反映地物的空间信息，具有足够的信息细节，实现空间数据的可视化和直观化[15-18]。本项目实景展示基于CityMaker平台，结合声屏障BIM模型和倾斜摄影影像数据，直观反映地理区域真实的三维场景，反映噪声敏感点与周围环境的空间位置信息，可降低外业工作量及成本[19]。同时，BIM设计模型通过三维实景展示，可对设计不合理的地方进行校核，优化降噪措施方案。

首先采用二次开发的插件将本项目声屏障BIM文件导出FDB源库，对BIM数据格式进行转换，为了防止得到的FDB数据缺少坐标投影信息或者个别构件出现错位的情况，需在Builder中进行模型数据编辑处理[20]。将线路分带坐标设置后，铁路声屏障BIM工点模型、桥梁模型、轨道模型以及本项目倾斜摄影数据加载后即可实现设计模型成果与地形集成后全方位进行实景展示，方便设计过程中直观进行设计成果校核，审核声屏障设计工点模型的高程、位置、地形的符合度、桥路连接处设置是否合理等信息的正确性，及时对设计不合理的地方进行修改完善。图12、图13为本项目铁路桥梁声屏障BIM模型、路基声屏障模型与地形场景整合后实景展示效果。本项目通过CityMaker设计平台，对工程数字化建设所涉及的所有数据类型进行管理，将BIM模型、三维地形及倾斜摄影数据实现精确匹配，再通过CityMaker设计平台本身独有渲染机制，对数据的吞吐率做了优化设计，保证了场景渲染的及时性[21-22]，真实还原项目沿线的地形及环境现状。

图12 桥梁声屏障实景展示效果图

图13 路基声屏障实景展示效果图

5 结论

在新建铁路西安至十堰线项目声屏障设计过程中，运用Bentely软件平台，采用MicroStation CONNECT Edition、Navigator等设计软件进行BIM设计和碰撞检查，利用ProjectWise平台进行协同设计。对于属性信息添加、工程量统计、碰撞检测、模型实景展示等应用方面进行了研究，声屏障安装设计中通过采用二次开发插件可实现构件属性随时查看，声屏障模型单元沿着桥梁、路基边缘和里程进行自动布设，使得模型创建、修改效率极大提升；运用工程量统计插件，可实现工程量一键输出，提高统计效率和准确性。BIM技术在铁路工程声屏障设计过程的应用可显著减少二维图纸设计中存在的差、错、漏、碰等问题，避免施工阶段频繁返工的现状。此外，通过CityMaker设计平台进行实景展示，可真实还原项目沿线的地形及环境现状，实时校核项目设计是否符合专业之间、项目沿线的实地情况，更好地为项目设计及施工过程服务。

铁路工程声屏障BIM设计通过ProjectWise协同设计平台采用专业内部协同工作模式，缩短本项目设计周期，增强数据共享，提高工作效率和设计质量。在本次BIM设计过程中，铁路声屏障设计通过三维信息模型的表达方式，直观地反映工程项目设计意图，凸显设计中存在的问题并及时解决问题。本项目声屏障BIM设计为高速铁路工程声屏障设计积累了宝贵的经验。