BIM技術在銀西高鐵工程中的應用研究

劉彥明，沙培洲，徐 博

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

BIM技術自誕生以來，最早應用于建筑領域，目前在建筑行業已有較為成功的應用案例，并且有較為成熟的配套軟件支持[1-2]。在基礎設施建設領域特別是鐵路工程中近幾年才進行研究應用，在中國鐵路BIM聯盟組織推動下，其標準規范體系逐步完善，各試點項目正在穩步推進，BIM技術在鐵路工程中的應用得到快速發展[3-7]。

研究選取銀西高鐵項目中的一站一區間和兩座特殊橋梁作為BIM技術應用工程。新建銀川至西安鐵路位于陜西、甘肅及寧夏回族自治區等三省(區)境內，線路正線約長620 km(西安北站至銀川站)，設計時速為350 km。

一站一區間有橋梁13座，隧道4座，橋隧總長22 078.87 m，包括：九龍河大橋、寧縣二號隧道、馬蓮河特大橋等橋隧工程，特殊橋梁包括渭河特大橋和黃河特大橋。渭河特大橋全長13 132.86 m，主橋采用3聯3×60 m和2聯4×60 m桁腹式鋼混組合結構[8]，其主橋模型見圖1。

圖1 渭河特大橋主橋模型

銀川機場黃河特大橋全長13 814.68 m，主橋采用96 m簡支鋼桁梁和3×168 m連續鋼桁柔性拱結構[9]，其主橋模型見圖2。

圖2 黃河特大橋主橋模型

本次研究主要采用PowerCivil、Revit、Tekla、ProjectWise 、Navisworks、ProStructures等軟件作為解決方案。

2 BIM技術的應用研究

2.1 常規橋隧工點設計應用

隨著高速鐵路的快速發展，其橋隧工程占線路長度的比例不斷增加，一般項目均在50%以上，部分項目甚至達到90%以上，其中95%左右為常規的橋隧工點，經過前期的研究開發，完成了基于PowerCivil和Revit平臺開發的Bridge ADS、BIM RBD、BIM BDS、BIM TT等一批鐵路橋隧輔助設計軟件[10]，同時還完成了鐵路橋隧標準構件庫和能自定義的參數化構件庫的創建[11]。

2.1.1 橋梁設計

利用橋梁輔助設計軟件可導入線路、地形、地質數據，從墩臺基礎設計到BIM模型的創建、修改，再到利用BIM模型進行基礎優化，最后生成施工圖。橋梁的部分二維圖紙可以通過定制模板利用模型的剖切投影得到，如橫斷面圖等，有些圖紙只能采用共用數據庫通過參數化生成所需圖紙，如曲線段的橋梁立面圖等，基于Bentley平臺鐵路橋梁BIM設計系統界面見圖3。

圖3 基于Bentley平臺鐵路橋梁BIM設計系統

2.1.2 隧道設計

(1)導入基礎數據

通過對BIM軟件平臺的二次開發，導入地形，地質模型及線路平、縱斷面數據，實現了隧道工程BIM快速設計。

(2)隧道襯砌斷面設計

輸入隧道基本信息，確定隧道結構設計參數，創建基本隧道斷面，構建隧道斷面庫，最后根據地質資料設計隧道結構拼裝斷面序列，最后形成整個隧道BIM。

(3)隧道洞身設計

根據圍巖地質情況設計隧道洞身結構參數，完成隧道結構整體裝配。

(4)隧道結構BIM設計

隧道結構設計主要包括錨桿、鋼架和二次襯砌鋼筋等。在Bentley ProStructure中可選擇中國本地化技術規程進行設計，采用交互式操作完成隧道鋼筋、鋼架BIM模型，并完成工程數量統計。

利用隧道輔助設計軟件從隧道設計參數輸入，到創建基本隧道斷面，再根據地質資料設計隧道斷面結構，最后完成隧道鋼筋、鋼架BIM模型和工程數量統計。實現鐵路橋隧工點的三維可視化人機交互設計。

以BIM技術為核心，實現了常規橋隧工點在BIM平臺上的正向設計，達到了高效建模、高效出圖算量的預期目標。滿足鐵路橋隧標準化、自動化及批量化設計要求。

2.2 特殊橋梁BIM模型創建及應用研究

(1)BIM模型創建

渭河特大橋采用3聯3×60 m和2聯4×60 m鋼腹桿預應力混凝土組合結構，共17孔，組合結構腹板采用無豎桿三角桁，結構通透，造型美觀，與渭河橋景觀協調統一。

渭河特大橋創建的BIM模型包括鋼腹桿組合結構、空腹連續梁、連續梁-桁組合結構、主橋模型、全橋模型，其全橋模型見圖4。

圖4 渭河特大橋全橋模型

銀西高鐵黃河橋3×168 m連續鋼桁柔性拱，桁高12.8 m，矢高(上弦以上)28 m，設計采用平行弦鋼桁梁加拱方式，增加跨越能力，結構剛度較大，造型美觀，施工方便，為在高速鐵路上首次采用并獲得專利。

黃河特大橋創建的BIM模型包括96 m簡支鋼桁梁、3×168 m連續鋼桁柔性拱、主橋模型、全橋模型，其中96 m簡支鋼桁梁模型見圖5，3×168 m連續鋼桁柔性拱模型見圖6，全橋模型見圖7。

圖5 96 m簡支鋼桁梁

圖6 (3×168) m連續鋼桁柔性拱

圖7 黃河橋全橋模型

通過建立模型，進行碰撞檢測，校核施工圖中的差錯漏碰等問題，以避免空間沖突[12]，盡可能減少碰撞，避免設計階段錯誤延續至施工階段，減少現場變更，保證施工工期。碰撞檢測中發現的節點板與襯板間的沖突見圖8。

圖8 節點板與襯板間的沖突

(2)施工模擬應用研究

在Navisworks中采用動畫形式來表述施工過程，使復雜的工藝變得清晰明了，比傳統的施工步驟圖更能快速、準確地表達設計者的意圖，通過建立與模型構件對應的施工步序的時間任務項，生成虛擬仿真環境下由時間驅動的4D動態模型[13]，完成黃河特大橋由2個拼裝施工面變為6個施工面的施工過程推演，施工工期由4.5年變為1.5年。模擬施工過程推演施工工期見圖9。

(3)場景漫游動畫應用研究

通過已完成的BIM模型與三維地模融合，利用Lumion來創建漫游動畫既簡單又方便，可以真實反映項目周圍環境，方便業主充分理解設計理念，復雜、專業的橋式方案用動畫視頻來展示講解，更易接受，是各種專題匯報中不可或缺的內容。創建的銀川黃河特大橋主橋漫游動畫見圖10。

(4)特殊鋼橋建模程序開發研究

由于沒有鐵路鋼橋桿件和節點的模塊，采用Tekla建模時重復工作量過大，后期修改繁雜，為此開發了參數化創建箱形桿件和鋼橋節點程序，大大提高了建模效率。鐵路鋼橋箱形桿件及節點程序界面見圖11。

2.3 BIM協同設計研究

鐵路工程相比建筑工程具有參與設計專業多，專業間接口復雜的特點。因此，在設計過程中應重視專業間的協同工作管理。經實踐驗證，PojectWise具有較好的協同工作管理功能，能夠有效管理鐵路BIM協同設計中的工作流和數據流。

(1)創建項目，配置相關專業及角色

首先，在ProjectWise管理員端創建項目數據源，設定參與項目的專業和設計角色。

(2)創建設計工作流

在整個設計過程中，工作流可細分為互提資料工作流和工點設計工作流。分別創建兩個工作流及工作流所包含的工作狀態，并設定每個工作狀態下的訪問權。

(3)開展BIM協同設計

根據設定好的工作流程，依次開展地形建模、地質建模、線路設計和工點設計，當互提資料和工點設計過程中工作狀態發生變化時，通過消息管理器通知相關專業開展下一步工作直至設計完成。基于PW的多專業協同設計平臺見圖12。

圖12 基于PW的協同設計平臺

鐵路工程具有參與專業多，專業接口復雜的特點。因此，在設計過程中應重視專業間的協同工作管理。經實踐驗證，PojectWise具有較好的協同工作管理能力，能夠有效管理鐵路BIM協同設計中的工作流和數據流。首先創建項目，配置相關專業及設計角色，然后創建互提資料工作流和設計工作流，之后便可根據預先設定好的工作流程開展多專業BIM協同設計，當工作流狀態發生變化時，利用消息管理器通知相關專業開展下一步工作直至設計完成。

2.4 三維地形研究

(1)地理信息模型創建

地理信息模型創建需要經歷數據獲取、數據加工和模型合成3個步驟。當前期方案研究階段對地形精度要求不高時，可通過BIGEMAP直接獲取谷歌地球已有的DEM和DOM數據生成地形模型。進入設計階段對地形模型精度要求較高時，通過衛星遙感和航空攝影的手段獲取更為精確的地形和影像數據，利用DEM和DOM在PowerCivil中創建地形模型。

(2)利用地形模型實現洞口邊仰坡開挖

隧道洞口場地開挖不同于路基邊坡開挖，其洞口坡面由兩側邊坡和拱頂仰坡組成。在三維設計中，當邊、仰坡采用不同的坡率并且分臺階開挖時，對地形曲面的處理是一個難點。研究發現，利用Geopak site強大的場地設計功能，能夠較好地解決隧道洞口刷坡問題，使邊坡和仰坡自然過渡。

2.5 地質模型研究

(1)創建地質模型

地質BIM建模一直以來是鐵路BIM技術應用的重難點問題，由于地質建模數據來源多樣，建模精度、范圍和深度要求不同，特殊地質體(如斷層、褶皺、溶洞等)空間信息不規則，難以采用常規方法表現。根據鐵路的工程特點，對基礎BIM平臺進行深度二次開發，形成鐵路地質三維信息系統，能夠輔助地質工程師方便地創建出三維地質模型，滿足工程設計需要。創建的三維地質模型見圖13。

圖13 三維地質模型

(2)對地質模型的應用

經過二次開發，能夠使后續專業直接在地質模型上進行設計。實現了隧道專業對地質模型的開挖及洞口刷坡設計。

(3)隧道與地質疊加BIM漫游

地質BIM建模一直以來是鐵路BIM技術應用的重難點問題，由于特殊地質體(如斷層、褶皺、溶洞等)空間信息不規則，難以采用常規方法表現。根據鐵路的工程特點，對基礎本特利平臺進行深度二次開發，形成鐵路地質三維信息系統，能夠輔助地質工程師快速創建出滿足工程設計需要的三維地質模型。設計專業能夠實現在地質模型上直接進行隧道洞口開挖和橋臺基礎開挖等操作。但在項目應用中發現，由于Mesh網格的幾何特性，在Mesh中相互進行布爾運算時偶爾會出現剪切異常的情況。

2.6 鐵路BIM標準研究應用

BIM標準是保證BIM在工程全生命周期內信息有效傳遞的前提，在BIM設計過程中應重視對BIM標準的執行。目前中國鐵路BIM聯盟已經發布了《鐵路實體結構分解指南》(EBS)[14]、《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》(IFD)[15]和《鐵路工程信息模型數據存儲標準》(IFC)[16]的1.0版本，但目前仍處于驗證和完善時期，本次對鐵路BIM標準進行了初步應用。

《鐵路實體結構分解指南》，在進行BIM設計之前，根據當前設計階段所需表達的設計意圖分解工程構件，選用不同精細程度的模型開展BIM設計。

《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》，根據工程算量和模型管理需要，直接采用《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》中的編碼或通過組合的方式為BIM構件賦予唯一的身份標識碼。編碼以非幾何信息的方式添加到對應的模型中。

《鐵路工程信息模型數據存儲標準》，鐵路IFC是在國際BuildingSmart組織發布的工業基礎分類的基礎上，擴展了鐵路特有的專業領域類，并定義了相應的屬性集。在Bentley ClassEditor中編寫鐵路各專業領域特有的類和對應的屬性集。在創建BIM構件時，采用CivilStationDesign將類與對應構件進行綁定，實現模型、類和屬性信息的統一。

為使項目參建各方BIM信息無損傳遞和數據共享，中國鐵路BIM聯盟發布了《鐵路工程信息模型數據存儲標準》。在本項目中對該標準進行了初步應用研究。在Bentley ClassEditor中創建鐵路各專業領域的基礎類和對應的屬性集。

在BIM建模時采用CivilStationDesign將類特性與對應構件進行綁定，實現了模型、類和屬性信息的統一，將有利于不同建設階段各方對模型信息的讀取和維護。

3 結語

(1)基于BIM技術的設計理念將對傳統設計方法和管理流程產生重大的變化，現行的設計方法和審核流程應根據BIM的特點進行相應的調整。

(2)隨著現代鐵路建設標準的逐步提高，橋隧比例占有越來越高的比重。功能簡單的基礎BIM已經不能滿足生產業務的需要，后期應大力開展基礎平臺上的專業BIM設計二次開發工作[17]。

(3)與其他BIM軟件平臺相比，本特利軟件對鐵路各專業具有更好的適應性，其相同的文件數據格式更有利于專業間的協同設計與資源共享。

(4)設計BIM向施工BIM轉換的研究將是下一步工作重點，以確保鐵路設計BIM能夠有效地過渡到施工階段，在施工過程中發揮起應有的價值。

(5)鐵路施工階段 BIM實施缺乏相應的規范指導，需進一步制定完善施工BIM標準。

(6)本項目橋隧長度占線路比例高達90%以上，在橋隧工程設計中實現了BIM的正向設計，意義重大，可以推動整條線所有工程項目在全生命周期內實現數據傳遞交換、存儲、交付、實施、管理等信息的共享。通過改變設計理念、設計方法和管理流程，加大BIM基礎平臺的二次開發，將BIM、物聯網、云計算等為代表的新一代信息技術與傳統行業的不斷融合，形成智慧鐵路BIM技術應用標準體系，實現橋隧智慧設計。