基于BIM的鐵路路基連續壓實應用探討

2014-02-14 09:03:58董興干熊世雄王垚劉呈斌溫劍

鐵路技術創新 2014年2期

■ 董興干熊世雄王垚劉呈斌溫劍

基于BIM的鐵路路基連續壓實應用探討

■ 董興干熊世雄王垚劉呈斌溫劍

結合連續壓實和BIM的優勢，提出一種新型鐵路路基連續壓實的應用方案。以壓實質量檢測為代表性業務，介紹應用方案的設計思想及關鍵流程的實現方法（BIM鐵路三維設計轉換、連續壓實數據服務器、BIM工程管理平臺）。通過在貴廣線某試驗工點、西成客運專線江油北站開展的實踐，證明應用方案的可行性和適用性，體現了BIM技術在鐵路路基連續壓實中的應用價值和廣闊前景。

鐵路路基；壓實質量；連續壓實；BIM；質量檢測

1 概述

1.1 路基連續壓實

鐵路路基是鐵路建設的重要組成部分，其形成過程主要靠壓實完成。目前我國常用的壓實質量檢測技術一般采用單點事后檢測方式，如地基系數K30、動態變形模量Evd等[1，2]。自20世紀80年代以來，國外涌現的“連續壓實”技術提供了路基全面質量檢測的新型思路。其基本原理是：

（1）采用振動碾上的壓實傳感器自動記錄碾壓區域的壓實信息；

（2）采用GPS傳感器實時獲得壓實測點的精確位置和觀測時間；

（3）利用無線通信設備實時向數據處理中心傳送壓實信息；

（4）安裝在駕駛室的顯示器實時為機械手展示路基填筑的設計信息和壓實的信息，連續壓實采集系統原理見圖1。

1.2 BIM應用概述

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）的定義最早由美國喬治亞技術學院建筑與計算專業的查克·伊斯曼（Chuck Eastman）博士提出。不同組織對BIM的定義也不同，但始終體現了BIM所要提倡的核心理念，即共享與轉換[3]，具體細分為3部分。第一，BIM將一個建設項目（如建筑物、鐵路工程）的單一構件或物體作為基本元素，數字化其物理和功能特性，形成統一的數據模型。第二，BIM涵蓋建設項目從設計到拆除的全生命周期，在不同階段自動更新數據模型，提供精確的成本控制、施工控制的信息。第三，所有項目相關方使用BIM作為協作的標準通道[4]。

圖1 連續壓實采集系統原理

BIM應用始于美國，如美國總務管理局于2003年首先推出國家3D-4D-BIM計劃[5]。目前日本、韓國等企業政府機構也在積極推進BIM的應用。近年來，我國開展了BIM應用的多次嘗試，如北京奧運會水立方、上海中心大廈等?，F階段我國鐵路路基工程建設中應用BIM主要偏向于設計階段[6]，著重解決現有二維路基設計的意圖不明確、設計標準統一化等問題[7]。選擇設計階段原因主要是目前我國沒有單一軟件或集成的成套軟件可用。第二，現有可用的軟件主要偏向于三維建模（如Autodesk Revit、CATIA，Sketchup）[8]?？傊?，基于BIM“共享與轉換”的理念，結合連續壓實技術，逐步建成各階段的標準數據接口，在路基立項決策、勘察設計、工程實施各階段集成或定制相關軟件。該研究思路能為鐵路路基工程的工作理念創新與改變創造可能性。

2 應用方案

現有鐵路路基進行質量檢測的通用業務流程是：施工單位拿到路基填筑點的二維設計（路基橫斷面圖和線路定線信息是重要的組成部分），根據工藝性試驗得出的結論進行填筑和碾壓，自檢合格后報送監理檢驗。監理根據相關規范收集檢驗數據并將質量結果發送施工單位。施工單位開展分層填筑壓實工作。在每層壓實工作完成后，監理在現場選擇檢測點并收集常規質量檢測的過程數據。最后監理計算得到檢測結果發給施工單位。施工單位根據檢測成果決定下一步工作。如果檢測合格，則進行下一層的填筑工作；如果檢測不合格，需依據監理的建議進行整改。

大量的工程實踐發現以上業務流程存在幾點不足：（1）二維設計不夠直觀，設計信息表達不明確。如無法為施工單位提供一整條線路連貫的分層填筑設計信息；（2）監理現場選點位置和數量一般是參照現有規范及個人經驗，選定位置具有較強的隨機性，同時以多個點代表整個區域壓實質量結果的做法有待改進；（3）從收集過程的數據到最終檢測指標值的計算公式繁瑣[1]，往往需手工錄入電腦中使用軟件輔助計算。如果現場不具備電腦辦公條件，則工作人員往往須返回到項目部計算數據，然后再回到現場，嚴重影響整個施工效率；（4）目前的流程中涉及的很多數據多以紙質方式存儲，易丟失或損壞。

2.1 設計思想

使用連續壓實技術實時采集整個區域的壓實質量信息，使用網絡傳輸技術和制定的標準數據接口實現路基壓實信息的互聯，再融合BIM的“共享與轉換”理念集成現有軟件或研發配套軟件，應用方案的設計思想見圖2。

第0步，在鐵路路基壓實的全生命周期中，項目各相關方直接和BIM工程管理平臺交互。

第1步，BIM工程管理平臺基于設計單位提供的二維路基平面設計，建立三維模型，并轉換為壓實設備所識別的數據格式。壓路機在現場開始施工前，通過無線網絡將三維鐵路設計下載到顯示器中用于指導工作。三維鐵路設計明確填筑的邊界線，提供分層的壓實設計。在施工過程中，提供實際施工成果與設計的偏離情況，如填筑高度、壓實程度、碾壓遍數等。

第2步，壓路機機械手在現場實時操作時，安裝在機械上的傳感器可實時采集機器碾壓位置的壓實信息，包含單點壓實程度、精準的位置信息、觀測時間（精確到毫秒）、壓路機的振幅、頻率、速度、機器行駛方向等。壓實信息是整個應用方案的基礎數據，直接用于后期的壓實質量檢測分析和BIM工程管理平臺出具報告。同時第2步采集的壓實信息具有3個特征，第一可以采集整個施工區域信息，非單點壓實信息；第二記錄所有碾壓過程信息。從分層的第一遍到最后一遍，從第一層到最后一層。第三是實時性，即壓實機器上的無線通信設備可實時將壓實信息傳輸到數據服務器進行分析。

圖2 應用方案的設計思想

第3步，BIM數據服務器自動偵測、存儲、解算原始的壓實信息，并將分析后的壓實質量檢測的成果數據以標準數據格式發往BIM工程管理平臺。

第4步，參照現行規范要求，BIM工程管理平臺生成壓實質量檢測報告，用作現場施工的輔助決策信息。同時BIM工程管理平臺存儲現場施工的所有數據，項目相關方可以查看歷史數據，實現對現場壓實工作的過程回溯。

2.2 關鍵流程的實現方法

通過研究現有軟件及研發自主軟件，初步實現提出的應用方案，其中需要打通的關鍵流程及實現方法如下：

（1）打通二維路基設計到BIM三維設計環節。目前可行的獲取方式有2種。第一種方式通過人工識別二維設計要素（如定線、坐標、類型、橫斷面等），利用BC-HCE軟件功能模板，錄入要素信息生成三維設計。第二種方式是將已經用三維建模軟件做好的三維模型（如AtuoDesk Civil 3D軟件），利用通用數據格式（如Landxml）導入BC-HCE自動生成三維設計。這2種方式得到的三維設計都可導出壓實設備所需的三維數據格式。

（2）實現路基連續壓實信息互聯。設計網絡方案時需考慮3個重要因素，第一是鐵路路基壓實信息的安全性；第二是基于鐵路線路本身狹長形特征，如何搭建經濟實效的無線網絡環境。需注意的是鐵路全線線路很長，一般在十幾到二十公里，但路基是分段填筑，一般沿里程方向的最大填筑長度在100 m左右；第三在施工現場需確保壓實信息的完整性，避免數據丟失。

經實踐證明，可通過賬戶授權及專網IP方式解決信息安全性問題；針對第二個因素，采用無線接入點配合大功率定向和全向天線可提供相對經濟實用的方案。如圖3，在江油北站工點使用網絡方案的成本約為5 000元/km。針對第三個因素，首先需合理設計壓實信息的數據格式和傳輸時間間隔。經測試，美國提供的連續壓實傳感器產生的數據頻次是每5 min產生一個20 kb左右的文件[9]。同時壓路機安裝的通信設備要支持多種網絡通信方式，如無線通信和GPRS網絡功能，確保網絡通暢。

（3）建立BIM數據服務器管理連續壓實信息。BIM數據服務器核心功能是自動監測現場實時傳回的壓實信息、實時數據備份、自動壓實質量分析、轉換為標準數據格式。其中，第一步，需編寫健壯的壓實質量分析算法庫，針對實際復雜的情況進行測試。因壓實機屬于重型機械，操作壓路機產生人為設定特殊數據是不現實的。超壓、過壓或壓實反彈的情況很難在實際中模擬。通過MCGSim軟件可模擬壓實路的碾壓工作，并人為設定碾壓的結果。第二步，通常一條鐵路線路的長度會達到十幾公里，加上足壓實信息的精細化需求，通常以0.1 m×0.1 m作為最小單元格網對路基壓實區域進行建模時，必然帶來海量數據。因此給篩選單點壓實信息、存儲所有數據提出了挑戰。采用優化的數據庫存儲方式可提高效率，并確保數據服務器的穩定性。

3 工點試驗

3.1 二維路基設計到BIM三維設計環節

以江油北站試驗工點為例，首先實現二維設計到BIM設計的轉換，按照施工工藝進行分層。圖4為BC-HCE軟件中路基模型的部分內容，其中紫色大區域部分為站場地基，其余部分為路基自下而上前9層。在軟件中也可通過軟件最下方的里程篩選按鈕，查看單個里程的詳細設計信息（見圖5）。

其次，通過BC-HCE軟件生成.svd、.svl、.cfg格式文件，導入CB460控制器，用于指導現場施工，即實現三維路基設計到施工設備接口的打通。

3.2 路基壓實的全面質量檢測在貴廣線某試驗工點上采集的信息非常具有代表性，該路基段長約120 m，寬40 m。圖例顏色藍色表示壓實合格的區域，紅色表示壓實不合格區域。通過圖6，第一，可直觀地查看整個碾壓區域的壓實信息，左圖統計的合格率為87.6%，右圖的合格率為95.1%。第二，左右兩幅圖均清楚地顯示薄弱區域。以右圖為例，在左上方邊緣存在明顯的長約56 m，寬為2.1 m的薄弱區域。現行規范中認為連續薄弱區域面積超過1 m2時，認為需要進行檢測。但進行常規質量檢測選點時，依現行規范，在該路基段上只需沿著鐵路線路中心線，左右兩側等距離地采集6個點即可。該薄弱區域位于邊緣位置，很可能無法檢測到。第三，連續壓實技術可提供精準的壓實信息，圖中每個單元格網均有準確的坐標信息，以左圖中存在的漏壓區域為例?？赏ㄟ^該區域格網坐標，使用GPS可在現場定位到該區域。經查，該區域實際埋設直徑為20 cm的沉降標。

3.3 使用BIM獲取壓實質量的成果報告

以江油北站試驗工點為例，從BIM中將現場壓實信息轉換為標準數據格式，再對接BIM模型中，效果見圖7。原始的壓實信息包含精準的位置信息，因此可以匹配到對應的空間信息模型中，如地圖、三維地表等。

依據現行鐵路路基連續壓實現行規范，標準的壓實報告圖包含壓實程度分布圖、壓實狀態分布圖等。BIM工程管理平臺提供的壓實報告圖見圖8，紅色部分表示壓實質量檢測不合格區域，綠色為合格區域。

4 結束語

針對BIM在路基連續壓實中的應用，提出初步的較完善的方案，并在試驗工點中驗證了應用方案的可行性。以路基壓實質量檢測業務為切入點，系統地實現了該應用方案，為解決現有路基壓實存在的諸多沖突提供了參考。下一步研究工作計劃是在路基的勘察設計階段研究基于BIM的4D施工模擬，在施工管理階段引入物料管理的信息并進行工程量統計等。同時在多個工點開展對本應用方案的驗證，最終形成通用的可大范圍推廣的產品方案。