三維激光掃描和BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計中的應(yīng)用

于 濤 周 珂 侯德峰 趙 宇

(中國鐵路呼和浩特局集團有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010057)

根據(jù)我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，到2020年，一批重大標(biāo)志性項目建成投產(chǎn)，鐵路網(wǎng)規(guī)模達到15×104km，其中，高速鐵路長3.5×104km，將覆蓋80%以上的大城市。隨著我國鐵路建設(shè)進入快速發(fā)展階段，建設(shè)單位對于項目的技術(shù)、質(zhì)量、工期要求也更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)二維設(shè)計圖面表達方式各不相同，不便于各專業(yè)協(xié)同工作，經(jīng)常發(fā)生設(shè)計階段中的失誤傳遞到施工階段情況。而BIM技術(shù)采用三維模型，部分專業(yè)可利用碰撞檢測功能準(zhǔn)確判斷模型問題所在[1-2]。在鐵路BIM的應(yīng)用實踐方面，潘永杰等通過調(diào)研不同結(jié)構(gòu)形式的20座橋梁BIM應(yīng)用現(xiàn)狀、價值點及應(yīng)用特點，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)的應(yīng)用以設(shè)計建造為主，運營維護為輔，且大多為基于二維圖紙反推BIM建模，未考慮與其他專業(yè)的協(xié)同配合[3]。目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于大型鐵路建設(shè)項目，集中于鐵路選線、橋隧、站房建筑及管線等專業(yè)。謝利斌利用Civil 3D軟件建立場地模型并進行鐵路選線[4]。凌峰等基于鐵路橋涵通用圖，利用Revit創(chuàng)建涵洞及八字墻參數(shù)化族[5]。彭興東等總結(jié)了梁橋建模基本流程，并創(chuàng)建梁橋相關(guān)構(gòu)件參數(shù)化族[6-7]；張興華自主開發(fā)三維視圖顯示界面及程序，實現(xiàn)二維設(shè)計模式與三維設(shè)計環(huán)境無縫轉(zhuǎn)換[8]；姚杰等介紹了BIM技術(shù)在站房建設(shè)中的具體應(yīng)用，集中體現(xiàn)在碰撞檢測、查漏補缺、成本及進度控制、技術(shù)交底、仿真漫游等方面[9-10]；劉瑞光等對鐵路站房及地道工程進行了正向設(shè)計研究，建立了各專業(yè)結(jié)構(gòu)樹及編碼劃分體系[11-12]。

基于前人的研究，采用Trimble SX10三維激光掃描儀進行非接觸測量，同時在既有鐵路頂進框構(gòu)橋涵工程設(shè)計中利用該儀器“點云”成果導(dǎo)入Revit軟件中，搭建三維模型，實現(xiàn)地形、軌道、路基、橋梁等可視化設(shè)計。

1 三維掃描技術(shù)的應(yīng)用

1.1 三維激光掃描技術(shù)

傳統(tǒng)接觸式測量方法：采用RTK、水準(zhǔn)儀等常規(guī)測量儀器上線測量，測量前須提前1個月向鐵路相關(guān)部門申請“天窗點”，待批復(fù)后，才能在下個月指定的“天窗點”上線測量。該方法測量周期長、成本高、安全風(fēng)險大。因此，尋求一種安全、高效的既有線勘測方法具有十分重要的意義。

三維激光掃描技術(shù)是一種通過位置坐標(biāo)、距離、角度、反射強度等觀測數(shù)據(jù)獲取對象表面的三維坐標(biāo)信息，可搜集、提取地表信息和還原三維場景的觀測技術(shù)。與其他遙感技術(shù)相比，具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等優(yōu)點。

Trimble SX10三維激光掃描儀具有非接觸式、數(shù)字化程度高、精度高、受外界限制少、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢[13]。可對所測地物進行高速度、高精度的數(shù)據(jù)采集，4 h內(nèi)即可完成100 m×200 m方形區(qū)域的地形圖測繪外業(yè)工作，并且具有毫米級測量精度，其精度參數(shù)見表1。

表1 天寶SX10精度參數(shù)

自帶的后處理軟件Trimble Business Centre能夠處理所采集的“點云”數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“點云”配準(zhǔn)、過濾、網(wǎng)平差、數(shù)字地面模型提取、地物空間信息采集等功能[14]。數(shù)據(jù)通過CASS軟件進行編輯，可生成工程設(shè)計需要的地形圖數(shù)據(jù)。

1.2 工程概況

本工程位于呼和浩特西站咽喉區(qū)，包含唐呼上下行線、京包客專線及站場股道15條。測區(qū)包含6座公鐵立交橋，12條股道，50多組道岔，既有鐵路設(shè)備復(fù)雜繁多，現(xiàn)場通視條件差，測繪難度非常大。按傳統(tǒng)方法測量需用時2個月。綜合考慮現(xiàn)場地形及設(shè)備情況，擬采用Trimble SX10三維激光掃描儀進行地形測量。

1.3 點云數(shù)據(jù)的獲取與處理

根據(jù)GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)以及呼和浩特西站場設(shè)備圖，通過分析資料及現(xiàn)場踏勘，擬定數(shù)據(jù)采集步驟如下。

(1)在測區(qū)南側(cè)、北側(cè)各設(shè)立1個站點作為架設(shè)儀器的位置。

(2)利用施工GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)使用的GPS-RKT采集設(shè)站點1、站點2，以及相應(yīng)后視點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

(3)分別在設(shè)站點1和設(shè)站點2架設(shè)Trimble SX10激光掃描儀并后視定向，設(shè)置好掃描模式后開始掃描作業(yè)。掃描完成后，應(yīng)檢查電子手簿中的掃描結(jié)果是否存在錯漏情況。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，應(yīng)用Trimble Business Centre軟件對外業(yè)采集得到的“點云”數(shù)據(jù)進行拼接、分類、除噪、著色和圖像分割等。地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為2種：①把離散激光角點距離數(shù)據(jù)經(jīng)格網(wǎng)內(nèi)插后生成規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)字距離矩陣，利用灰度等級代表距離值，把距離圖像轉(zhuǎn)變成色度圖像，然后運用數(shù)字圖像處理方法對掃描數(shù)據(jù)進行處理。②直接對距離圖像進行處理[15]。本設(shè)備基于測量控制網(wǎng)，可自動拼接點云數(shù)據(jù)并將其匹配到控制坐標(biāo)系中，無須考慮相鄰測區(qū)之間的重疊率、標(biāo)靶設(shè)置和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。自動掃描時可對場景內(nèi)的目標(biāo)(包括路基、軌道、接觸網(wǎng)桿等)進行邊緣檢測，然后根據(jù)邊緣確定軸線位置，進而結(jié)合輸入集、對象類型、尺寸創(chuàng)建模型。軟件還可以自動提取照片色值附著于對象點云，數(shù)據(jù)處理成果見圖1。

圖1 “點云”數(shù)據(jù)處理成果

2 頂進鐵路框構(gòu)橋涵項目設(shè)計的BIM應(yīng)用

結(jié)合工程實例，建立既有鐵路頂進框構(gòu)橋涵項目的各種參數(shù)化構(gòu)件，再導(dǎo)入三維地形掃描數(shù)據(jù)即可構(gòu)建三維模型，實現(xiàn)參數(shù)化修改、階段化顯示、二維出圖等功能，可應(yīng)用于圖元信息快速修改、工程內(nèi)容階段性展示及施工出圖等。

2.1 工程概況

某供熱管線穿越京包線工程(在K650+150 m處設(shè)框構(gòu)涵)，且與京包鐵路垂直交叉。京包鐵路為雙線電氣化鐵路，線路等級Ⅰ級，60 kg/m無縫鋼軌。下穿處位于區(qū)間直線段，線路坡度5‰，路基平均高5 m。采用頂進法施工，施工期間京包線采用D24型便梁加固，列車限速45 km/h。框構(gòu)涵長度為62 m，頂板厚35 cm，邊墻與底板厚40 cm，上部加腋尺寸50 cm×25 cm，下部加腋尺寸25 cm×25 cm。為滿足供熱管道的檢修需求，在套涵兩端出入口設(shè)檢查井。

2.2 Revit族文件的建立

“族”定義為Revit軟件中某一類含有通用參數(shù)的集合，它承載著所創(chuàng)建構(gòu)件的全部信息，可以任意設(shè)定集合內(nèi)不同圖元的參數(shù)值，但是參數(shù)的集合是唯一的。新創(chuàng)建的族內(nèi)不包含參數(shù)信息和尺寸數(shù)據(jù)，無法形成實體。只有在族類型中添加參數(shù)才能使族變得“有血有肉”。Revit軟件中標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族操作方便，可以靈活修改相關(guān)參數(shù)，按照功能需求在族樣板界面創(chuàng)建構(gòu)件族，具有復(fù)制、修改及相互嵌套的功能，還可以保存為單獨文件供隨時調(diào)用。框構(gòu)橋涵BIM模型的相關(guān)構(gòu)件均采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族實現(xiàn)，相關(guān)族文件效果見圖2、圖3。

圖2 D梁加固系統(tǒng)族文件

圖3 框構(gòu)涵、滑板、后背樁、后背梁族文件

根據(jù)實際設(shè)計需要，按照專業(yè)分組建立不同類型的族文件，通過修改尺寸、形狀、材質(zhì)或其他參數(shù)實現(xiàn)同一個族可應(yīng)用在不同工點的項目中。此外，族共享也大大提高了設(shè)計速度，減少重復(fù)工作。

2.3 Revit參數(shù)化的應(yīng)用

參數(shù)化應(yīng)用是將Revit模型中定量信息變量化[16]，同時利用族的參數(shù)關(guān)聯(lián)作用，修改某個族的參數(shù)，模型中同類族參數(shù)也隨之更新，無需對所有視圖逐一修改，進而提高建模效率。以框構(gòu)涵為例介紹具體創(chuàng)建步驟。

(1)添加參照平面

打開公制結(jié)構(gòu)框架，進入梁族樣板，將樣板模型線條刪除后，設(shè)定框構(gòu)涵邊墻輪廓邊界約束平面。

(2)繪制框構(gòu)涵截面輪廓

先選擇前/后參照平面，使用放樣命令沿著樣板中心線繪制放樣路徑，然后選擇左/右參照平面，繪制框構(gòu)涵截面輪廓。

(3)為繪制輪廓設(shè)定參數(shù)標(biāo)簽

進入屬性面板“族類型”，點擊“添加參數(shù)”，進入?yún)?shù)屬性界面后添加參數(shù)，設(shè)置界面見圖4。添加尺寸標(biāo)注后，標(biāo)注與標(biāo)簽即產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，形成控制框構(gòu)涵截面輪廓的控制參數(shù)。

(4)共享參數(shù)

將部分參數(shù)設(shè)置為共享參數(shù)，這樣某些參數(shù)就可以在多個項目和族中共享使用，方便用戶自定義。

圖4 框構(gòu)涵族參數(shù)化設(shè)置界面

2.4 Revit三維場地模型的構(gòu)建

將測量成果“點云”轉(zhuǎn)換為CAD格式文件，應(yīng)用地形地面功能導(dǎo)入到Revit中，轉(zhuǎn)化為三維場地模型，并可按照CAD中的地物標(biāo)記拼接各種地物族，可較好地還原建設(shè)場地的真實情況(見圖5)。創(chuàng)建步驟如下。

(1)進入“場地”樓層平面，選擇體量和場地選項卡中的地形表面。設(shè)置等高線顯示，在場地建模下拉箭頭設(shè)置顯示等高線。

(2)通過導(dǎo)入創(chuàng)建地形表面選擇導(dǎo)入實例。可以根據(jù)以 DWG、DXF 或 DGN 格式導(dǎo)入的三維等高線數(shù)據(jù)自動生成地形表面。

(3)添加場地構(gòu)件。在“場地”平面視圖中選擇體量與場地—場地構(gòu)件，即可添加場地構(gòu)件，還可以按照CAD中的地物標(biāo)記拼接相關(guān)鐵路構(gòu)件族(如接觸網(wǎng)桿、路基、軌道、涵洞等)。

圖5 三維場地模型創(chuàng)建

2.5 Revit結(jié)構(gòu)配筋的應(yīng)用

框構(gòu)涵建模完畢后，可根據(jù)結(jié)構(gòu)配筋示意對其進行配筋。該框構(gòu)涵鋼筋排架①、②為等間距布置(125 mm)，縱向分布筋布置在主筋內(nèi)，配筋模型見圖6。創(chuàng)建步驟如下。

(1)創(chuàng)建剖面視圖，剖切配置鋼筋混凝土圖元并進入該視圖中，單擊構(gòu)件，在左側(cè)屬性瀏覽器中修改對應(yīng)的鋼筋保護層厚度等參數(shù)。

(2)進入剖面視圖，點擊結(jié)構(gòu)選項卡中的鋼筋圖標(biāo)，在鋼筋瀏覽器中選擇需要繪制的縱筋，箍筋等，并且確定鋼筋的放置平面和放置方向，隨后在框構(gòu)涵剖面中繪制。

(3)鋼筋布置完成后，可以根據(jù)需要生成“鋼筋明細表”，以備材料統(tǒng)計使用。

圖6 框構(gòu)涵模型結(jié)構(gòu)配筋

2.6 Revit階段化功能的應(yīng)用

工程項目一般分階段進行， Revit階段化運用的意義有以下幾點。

(1)當(dāng)臨時工程較多，若不進行階段性歸類，會導(dǎo)致模型雜亂。如后背梁、滑板、后背樁及工作坑等相關(guān)構(gòu)件均屬于臨時工程，且不體現(xiàn)在竣工模型中，只在階段化施工過程中存在。

(2)根據(jù)鐵路局設(shè)計文件審查及施工前期辦理準(zhǔn)入手續(xù)的流程，鐵路局非常關(guān)注施工階段工作內(nèi)容對鐵路的影響，特別是線路加固措施、工作坑開挖防護措施以及頂進施工工序，故階段化應(yīng)用對于方案匯報非常必要。

(3)利用階段化功能，可使明細表數(shù)量統(tǒng)計按階段區(qū)分開來，從而能快速提取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

結(jié)合實際工程案例，將框架箱涵下穿既有鐵路頂進施工過程劃分為以下幾個階段(見圖7、圖8)。

圖7 頂進施工過程(一)

圖8 頂進施工過程(二)

階段1：開挖頂進工作坑，制作滑板、框構(gòu)涵、頂進設(shè)備等。

階段2：提報鐵路慢行施工計劃，人工開挖支撐樁；待支撐樁強度達到要求后，提報鐵路封鎖計劃，架設(shè)D型便梁。

階段3：鐵路線下開挖路基本體，頂進就位。

階段4：拆除D型便梁及臨時結(jié)構(gòu)，恢復(fù)鐵路，施工檢查井等附屬設(shè)施。

2.7 Revit導(dǎo)出二維施工圖紙

利用Revit自帶的尺寸標(biāo)注、圖框設(shè)置、圖紙目錄等功能選取相應(yīng)的模型剖切視圖并進行標(biāo)注說明，剖切所得圖紙可與模型保持關(guān)聯(lián)，降低圖紙修改的工作負擔(dān)，同時也避免了圖紙修改可能產(chǎn)生的疏漏，圖紙界面見圖9。

圖9 生成二維施工圖紙

2.8 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)項目的具體情況，利用Trimble SX10三維激光掃描儀對項目場地進行地形測量，然后基于Revit軟件開展項目設(shè)計及審查匯報工作，并出具施工圖指導(dǎo)施工。目前，該技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計的項目累計20余個，實現(xiàn)合同收入650萬元，利潤215萬元。

3 結(jié)論

(1)詳細介紹了Trimble SX10三維激光掃描儀在既有鐵路線上測量的集中優(yōu)勢和具體應(yīng)用，該技術(shù)在鐵路封閉區(qū)域地形的精確測量中具有明顯優(yōu)勢。

(2)結(jié)合工程實例，詳細闡述了既有鐵路線下頂進框構(gòu)橋涵設(shè)計項目在Revit軟件平臺上的模型搭建過程，實現(xiàn)了既有鐵路頂進框構(gòu)橋涵工程設(shè)計的可視化，最后應(yīng)用階段化工具模擬框構(gòu)橋涵頂進施工過程，并導(dǎo)出二維施工圖紙，該方法對于提高設(shè)計效率及指導(dǎo)施工具有積極作用。