铁路站前工程三维模型创建及深化应用研究

范亚娜

BIM 是广义上的数据模型，集成各类信息，用于对工程实体和功能特性的数字化表达。为积极响应国铁集团中智能高速铁路2.0 架构设计，加速推动高铁智能建造发展进入新阶段，结合在建西十高铁XSZQ-4 标段项目，根据现场需求，大力推动开展施工阶段全过程BIM模型创建和深化应用工作。

结果表明：一是制定创建规则指南，并在此基础上完成标段内施工全过程BIM模型，精度满足标准要求，基本实现了构件级模型管理，为后续全面开展深化应用奠定了坚实基础；二是施工建造BIM 应用探索工作，对BIM 施工关键技术进行技术验证，研发数字化展示和管理平台，初步实现以BIM 辅助施工决策的目的，相关成果有效指导了现场施工，在铁路行业形成示范带动作用。

在2020 年，国铁集团正式发布了《智能高速铁路体系架构1.0》，首次构建了技术、标准、数据三位一体的智能高铁体系架构。随着新一代信息技术如大数据、BIM 和人工智能的飞速发展，铁路建造的智能化转型正在稳步推进。铁路主要呈带状结构，其建设占地范围广泛，横跨多个省区，涉及路基、桥梁、隧道等多个专业，且受到周边自然环境因素影响较大，对轨道和各种设备安装精度要求高，建造技术难度大。作为大型基础设施，铁路工程体量大、建设周期长、消耗资源多，迫切需要参数化、标准化创建BIM 模型并开展数字化成果展示、三维技术交底、验工计价等工程应用，提升行业信息化、智能化水平。

一、概述

西安至十堰铁路项目线路全长255.7km，其中陕西省境内169.3km，隧道工程16 座/124.4km、桥梁工程32 座/31.1km，桥隧比91.8%。中铁二十局XSZQ-4标段里程范围为DK93+573.51 ～DK108+625，重点工程包括南秦河特大桥和南秦隧道工程，依据中国铁路BIM 联盟颁布的《铁路工程信息模型分类和编码标准（IFD）》《铁路工程信息模型表达标准》等相关技术标准，开展标段内全线全专业模型设计，精度达到了LOD3.0 ～LOD3.5 要求，基本实现了构件级模型管理。同时，探索模型应用技术路线，为现场施工作业提供新思路，重点开展三维技术交底、数字化电子沙盘、质量安全管理、成本分析及验工计价等应用，为后续项目的BIM技术应用打下坚实的基础，提高工程管理质量。

二、模型创建

1.标准体系

主要规定：

（1）模型文件格式为.dgn，库文件格式为.dgnlib，单元库文件格式为.cel。

（2）项目模型创建基于线路专业模型，严格按照统一坐标系和高程系统生成。

（3）模型使用统一的度量单位，使用米为长度的工作单位，使用°为角度的工作单位。

（4）同一项目部分工程构件统一纳入相同图层，图层内各构件的区分以附加参数信息解决。

（5）模型文件的命名方式参照《铁路工程信息模型表达标准》规定为：项目名称_设计阶段_专业代码[_设计单元]_类型描述_定位信息_版本日期，例如：西十_施工图_桥梁_01 南秦河特大桥_全桥模型_DK0+000 ～DK30+000_20191226.dgn。

（6）应在项目文件夹下设参考模型文件夹，具体层级为参考模型→专业名称→具体参考模型名称。参考模型dgn 文件应以具体工程构件或系统命名，以设计线、内轨顶面、大里程方向为定位基点。

2.表达要求

（1）模型组成：以桥梁模型为例，一般包括上部结构、下部结构、支座以及附属结构物。上部结构包含梁部、支座等，下部结构包含墩台、基础。附属结构物一般包括栏杆、通信信号电缆槽、电力电缆槽、防撞墙、挡碴墙、竖墙等桥面系构件，还包含锥体、墩顶吊篮、检查梯、电缆上下桥预埋槽道等。涵洞模型一般包括涵身、出入口、沉降缝以及铺砌、排水系统和限高防护架等附属结构物。

（2）模型构件所在图层的命名结构按各专业内容划分为两级，每级之间用“_”连接，例如：墩台_垫石。

（3）建模前统一制定材质库文件，模型颜色以在图层中赋统一材质的方式体现，纹理应均匀协调。

（4）BIM 模型必须统一所有构件的外观样式。要求采用在图层中赋予图层内构件材质（分配材质）的方式附加材质，各构件不单独连接材质。

3.创建规则

（1）模型创建时构件类型应选用实体类型，禁止使用mesh 类型。

（2）为了满足模型施工深化、轻量化使用需求，创建时单体构件长度不宜过长，应控制在400m 以下。

（3）为了满足模型的轻量化使用需求，对于几何外形相同模型，应采用实例化存储方式创建。

（4）项目模型创建釆用统一的全局坐标系（世界坐标系）即2000 国家大地坐标系，高程系统釆用1985高程基准。

绝对坐标：与线路坐标系保持一致，以路线为基础进行创建。

相对坐标：面向线路大里程方向为X 轴正方向、里程点处对应的线路平面线条法向量为Y 轴（左正右负），Z 轴方向为高程方向（向下为正）。

（5）以桥梁工点为例，模型创建中每座桥下部结构的基准线/基准点平面位置：全桥布置计算后，每个桥墩/台的中心线（平面线条法向量方向）与线路左线在大地平面上的投影线交点为设计控制点，纵断面位置：根据桥墩/台所在位置对应的线路里程位置，确定该里程点处的线路左线轨面高程，以该点为0 点，高程方向向下为Z 轴正方向。

4.信息要求

（1）模型信息以几何信息、非几何信息、关联文档等形式提交。

（2）构件的属性信息参照《铁路工程信息模型交付精度标准》第5 章。当基本模型存在参考模型时，应在基本模型的属性中补充“参考模型编号”字段及属性值，以便关联和检索。

（3）模型属性命名规则为：设计信息_类型名称/其他，例如：设计信息_梁体。

（4）所有模型构件均在属性信息中添加定位信息，定位信息末级字段在各专业各图层下均有不同，用来区分同图层下的具体构件。

三、模型成果

项目实施过程中，BIM 技术人员配备专业图形工作站、倾斜摄影无人机、LED 大屏及移动终端等，保证软件顺畅运行和施工应用开展。

1.地质

将地层界线导入到三维模型空间，插值运算形成三维地质层面，通过布尔运算剪切形成复杂地质体，地质体添加地层、构造、不良地质等信息，完成地质模型创建，如图1 为车站地质模型。

图1 车站地质模型

2.桥涵

基于线路、地模、地质可实现桥涵三维可视化人机交互设计，自动高效创建铁路桥涵BIM 模型及构件属性信息的定义、添加、修改，并利用BIM 模型自动生成铁路桥涵施工图数量，如图2 为南秦河特大桥BIM 模型。

图2 南秦河特大桥

3.隧道

隧道信息模型按照其组成，包含隧道洞口、洞身、辅助坑道、附属洞室、弃渣场以及附属设施，包含必要的几何信息和非几何信息，自研软件根据地质资料设计支护措施，参数化创建隧道衬砌断面，自动生成衬砌钢筋、钢架模，如图3 为隧道洞身分段BIM 模型。

图3 隧道洞身分段

4.路基

路基模型一般包括路基本体以及本体有关的附属结构物。路基本体包含基床、基床以下、过渡段等。附属结构物一般包括边坡防护、支挡结构、地基处理、排水沟等。

四、深化应用

为全面推动本标段BIM 技术探索工作，组织骨干人员结合施工现场实际需求，开展模型深化、整合应用工作，重点研究解决以BIM 为核心的交底技术，主要开展包括隧道专业电子样板墙、衬砌断面精细化模型、施工深化模型以及桥梁专业连续梁0 号块深化模型、圆端形桥墩深化模型、专业间接口检查、综合展示电子沙盘、质量安全管理、施组模拟推演、验工计价等应用，极大促进工效提升。

1.隧道施工电子样板墙

运用BIM 技术，建立隧道不同围岩级别以及各工序施工的电子样板段模型，精细化程度高且表现丰富，能够让现场施工作业人员一目了然，清楚地看到各部位、各工序施工的细节及注意事项。隧道电子样板墙的应用能够有效地避免因操作不熟练、识图困难等人为原因导致返工的问题，确保施工的准确性和效率，推动现场标准化施工管理，提高施工质量和安全性。

2.隧道施工深化模型

BIM 深化设计在施工阶段可以提供详细的构造和属性信息。主要解决设计阶段BIM 模型精度不满足现场施工管理要求、设计BIM 模型中的表达精度不满足精细化管理要求和现场施工变更频繁，模型更新不及时的问题。通过施工深化BIM 模型，清晰地展示结构构件之间的连接方式、相互位置关系、属性信息等。现场管理人员和施工队伍可以根据这些信息，精确地制定施工计划，合理安排施工顺序，提前预知可能出现的问题，避免后期的改动和返工。

3.连续梁0 号块深化模型

在铁路混凝土连续梁的施工过程中，0 号块体积较大，且钢筋分布密集，这对现场工人的识图操作能力提出了很高的要求。如果工人操作不当，可能会导致混凝土振捣不密实、出现蜂窝麻面等问题，这些问题可能会影响到连续梁的施工进度和质量。

为了解决这些问题，我们利用BIM 技术进行连续梁0 号块的深化设计工作，直观地发现钢筋之间、钢筋和预应力束之间的碰撞冲突等设计中的不足，进而优化钢筋及预应力管道的间距，定位预应力空间位置，为后期的孔道定位打下良好的基础。此外，为了保证混凝土的振捣密实，我们还可以在三维模型上提前模拟从梁面至底部的竖向振捣通道和侧模开孔等多孔振捣工艺。

4.专业间接口检查

接口主要包括专业内接口、专业间接口、 不同工程段落间接口、不同设计单位间接口等。利用BIM 模型检查路、桥、隧、站等相邻工程结构衔接是否正确，坡面防护工程与排水系统是否衔接顺畅。在特殊结构桥梁、复杂地下空间洞室、土石方工程等方面进行接口优化，使得结构布置更加合理。

5.数字化建造管理平台

数字化建造管理平台是基于云技术、GIS 技术、互联网技术于一体，面向基础设施领域各参建方构建的项目级平台。平台采用微服务体系架构和B/S 集中模式，在软件设计开发时，采用SpringCloud、Docker、ArcGIS 等比较成熟而又有发展前途的组件化开发技术。平台可应用于铁路、公路、市政、房建等工程，同时满足建设、设计、施工、监理等单位的现场管理需求，协助管理人员有效决策和精细管理，减少施工变更、缩短工期、控制成本、提升质量。同时还能实现项目参与方数据共享，保证工程信息在设计施工中有效传递，保证项目设计建造阶段规划决策的科学性，促进项目一体化管理，提升建设工程品质。

五、结语

本标段开展施工阶段全过程BIM 模型创建和深化应用工作，重点开展隧道施工电子样板墙、连续梁0号块深化设计、桥墩钢筋预埋件精细化模型；并对站前和站后专业接口技术进行研究、仿真模拟施工工艺工法难点，基于高精度GIS 环境，整合路桥隧等专业BIM 模型，开展技术管理、质量安全管理、施组推演模拟、成本控制及验工计价，对BIM 施工关键技术进行技术验证，初步实现以BIM 辅助施工决策的目的。全面验证了中国铁路BIM 联盟颁布的《铁路工程信息模型表达标准》《铁路工程信息模型分类和编码标准》等标准，助力以BIM 模型指导施工应用技术的落地，有效提高了施工管理的质量和效率，推动了工程数字建造技术的发展。