BIM技術(shù)在高速鐵路工程聲屏障設計中的應用研究

胡文麗

(1.中國鐵建BIM工程實驗室,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

BIM技術(shù)(即建筑 信 息 化 模 型building information modeling)是利用數(shù)字模型對項目進行設計、施工、運營管理的全生命周期過程，對項目物理和功能特性進行數(shù)字化表達，采用信息化的方式創(chuàng)建、管理、共享所建造的全部信息，其數(shù)字化表達包括項目所有的幾何、物理、功能和性能信息[1]。目前，國內(nèi)外工程建筑行業(yè)大力發(fā)展BIM技術(shù)，BIM技術(shù)在工業(yè)、建筑行業(yè)等領域已經(jīng)有較多應用案例和經(jīng)驗[2-3]。交通運輸行業(yè)BIM技術(shù)的運用也越來越多，BIM技術(shù)的廣泛應用能夠提升鐵路工程建設技術(shù)水平和信息管理能力，基于BIM技術(shù)的鐵路工程建設全過程協(xié)同應用已經(jīng)成為未來發(fā)展的重要方向，能夠有效滿足鐵路建設發(fā)展的需求[4-5]。

近年來，中國鐵路 BIM 聯(lián)盟陸續(xù)頒布了一系列的鐵路 BIM 應用標準，BIM設計廣泛應用于隧道、橋梁、接觸網(wǎng)、四電等專業(yè)[6-7]，但是BIM技術(shù)在鐵路聲屏障設計中的應用尚處于起步和探索階段。以新建西安至十堰高速鐵路項目為研究對象，探究BIM技術(shù)在鐵路聲屏障工程設計中的應用。借助BIM協(xié)同設計，解決鐵路工程設計在各專業(yè)間信息溝通不及時、不流暢，設計人員圖紙表達或理解不正確等問題，并在設計階段及時發(fā)現(xiàn)各專業(yè)設計中存在的差、錯、漏、碰等問題，減少施工階段頻繁返工和設計變更的現(xiàn)象，直觀準確地表達出工程項目的信息，極大地促進鐵路建設項目的工程質(zhì)量和建設效率[8]。

1 項目概況

新建西安至十堰高速鐵路位于陜西省東南部和湖北省西北部，線路西起陜西省西安市，向東南引線穿越秦嶺山脈，經(jīng)商洛和十堰兩市，與武漢至十堰高速鐵路相接，形成西安至武漢又一快速鐵路客運通道。新建正線長255.749 km，橋隧比94.8%，本項目橋梁及城區(qū)路基段聲屏障采用插板式金屬結(jié)構(gòu)，非城區(qū)路基聲屏障采用插板式非金屬結(jié)構(gòu)。

2 BIM設計軟件環(huán)境

本項目以Bentely軟件、CityMaker軟件為設計平臺，采用MicroStation CONNECT Edition(以下稱MS)以及二次開發(fā)的插件進行BIM設計，設計過程首先利用MS進行參數(shù)化設計，創(chuàng)建聲屏障結(jié)構(gòu)元件。每個元件的圖元分別在二維模型下繪制好后，再通過實體構(gòu)造、編輯、修改等系列組合命令設計建模，形成三維立體模型，最后通過空間拼裝組成聲屏障單元模型。通過ProjectWise協(xié)同平臺，運用二次開發(fā)插件，進行聲屏障模型的安裝，采用Navigator軟件進行碰撞檢查等BIM設計過程。

2.1 項目元件庫的創(chuàng)建

BIM模型是由不同的族組成，族庫的豐富完整程度將影響后期BIM模型設計的效率和精確度，因此創(chuàng)建適用于鐵路工程聲屏障工程的族庫是進行BIM設計的基礎和重要環(huán)節(jié)。本項目設計采用MS設計軟件，根據(jù)本項目鐵路工程聲屏障設計需求，創(chuàng)建H型立柱、金屬吸聲板、預埋螺栓、鋼底板、預埋鋼板、地梁、頂部扣板、三元乙丙橡膠墊(板)、鉚栓等圖元的元件庫，并賦予元件模型不同的屬性信息，部分聲屏障結(jié)構(gòu)元件見圖1。本項目聲屏障BIM設計屬性信息主要根據(jù)中國鐵路BIM聯(lián)盟頒布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》進行屬性設置[9]。通過創(chuàng)建模型元件數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)族庫文件的集中存儲、信息共享和隨時調(diào)用，實現(xiàn)高效設計和元件模型的規(guī)范化管理[10]。

圖1 部分聲屏障元件

2.2 協(xié)同設計

本項目BIM設計以ProjectWise作為協(xié)同設計平臺，將各專業(yè)模型集中在同一個管理設計平臺，可實現(xiàn)專業(yè)間模型同步更新，構(gòu)建專業(yè)間數(shù)據(jù)層面統(tǒng)一的框架體系，強化各專業(yè)間的聯(lián)系，減少了設計資料更新不及時引起的設計錯、漏問題[11]。聲屏障設計采用手動安裝的方式以及二次開發(fā)的插件自動化安裝布設的方式進行，設計過程中外部鏈接參考線路、橋梁、路基等專業(yè)的三維模型及數(shù)據(jù)，根據(jù)噪聲敏感點的降噪措施要求，將聲屏障單元模型按照里程樁號沿橋梁、路基邊緣自動布設；特殊結(jié)構(gòu)橋梁和路基處噪聲敏感點聲屏障設計采用插件+手動安裝的方式進行設計，參考鏈接接觸網(wǎng)模型后進行各專業(yè)模型整合，檢查是否有專業(yè)接口碰撞。在協(xié)同設計過程中，如橋梁、路基結(jié)構(gòu)形式改變、缺口里程變化或高程變化等，ProjectWise協(xié)同平臺會同步更新參考模型，設計可及時發(fā)現(xiàn)BIM設計出現(xiàn)的碰撞問題。圖2、圖3為橋梁和路基工點處設計的聲屏障模型。

圖2 橋梁聲屏障設計模型

圖3 路基聲屏障設計模型

3 BIM設計流程

借鑒二維圖紙的設計經(jīng)驗，本項目BIM設計主要分解為以下流程，詳見圖4。

圖4 聲屏障工程BIM設計流程

BIM設計首先根據(jù)工點資料確定聲屏障工程降噪措施的設計方案，提交橋梁、接觸網(wǎng)等專業(yè)數(shù)據(jù)接口資料，通過ProjectWise協(xié)同設計平臺，參考鏈接各專業(yè)的模型文件進行聲屏BIM設計工作，最后進行模型總裝整合，檢查專業(yè)間模型設計是否符合設計及施工要求，圖5為各專業(yè)總裝后的聲屏障模型。若發(fā)現(xiàn)設計存在問題，及時溝通，對模型進行修改，并通過Navigator軟件對BIM模型碰撞檢查，檢查模型設計差、錯、漏、碰等問題，提出碰撞問題的解決方案，完成準確無誤的聲屏障BIM設計模型，進行工程量統(tǒng)計、輸出圖紙、實景漫游展示等應用。

圖5 橋梁處各專業(yè)總裝后的聲屏障模型

4 BIM設計應用

4.1 BIM模型屬性添加

聲屏障設計完成后，可通過Bentley軟件和二次開發(fā)插件，將聲屏障結(jié)構(gòu)的元件屬性信息添加，以便于設計過程中進行查看，本項目聲屏障設計屬性主要包括IFD和LID編碼信息，如長度、高度、面積、材質(zhì)，定位信息等。圖6為在MS軟件進行模型屬性信息查看結(jié)果。

圖6 模型屬性信息查看結(jié)果

4.2 工程量統(tǒng)計

工程量計算是一項復雜而繁瑣的工作，目前聲屏障設計概算均由設計人員完成，也常存在“差錯漏碰”的現(xiàn)象。本項目以聲屏障BIM模型為基礎，通過工程量統(tǒng)計應用程序，可實現(xiàn)一鍵輸出聲屏障結(jié)構(gòu)的各個元件統(tǒng)計數(shù)量信息，導出工程量統(tǒng)計Excel表，方便快捷，極大地提高了工程統(tǒng)計的效率和準確性，為制定施工資源分配計劃提供參考。以某工點處聲屏障模型為例，圖7為聲屏障模型工程量統(tǒng)計界面，圖8為聲屏障模型工程量統(tǒng)計總信息表，圖9為H型鋼立柱統(tǒng)計結(jié)果表。

圖7 聲屏障模型工程量統(tǒng)計界面

圖8 聲屏障模型工程量統(tǒng)計總信息表

圖9 H型鋼立柱統(tǒng)計結(jié)果表

4.3 碰撞檢查

由于傳統(tǒng)設計、施工過程二維圖紙不能直觀地看出聲屏障與路基、橋梁、接觸網(wǎng)等各專業(yè)設計接口處存在的問題，導致施工過程常常出現(xiàn)碰撞、返工的案例[10，12-13]。而BIM設計具有可視化、協(xié)調(diào)性以及模擬性的特點，BIM模型中含有聲屏障的幾何及空間信息，可以直觀地檢查出聲屏障結(jié)構(gòu)元件間以及聲屏障與其他專業(yè)接駁處的空間位置關(guān)系，在設計階段可及時調(diào)整聲屏障設置的位置、高程、長度和角度，從而有效地避免碰撞的發(fā)生，減少返工的幾率，提高設計及施工的準確度和效率[14]。本項目運用Navigator軟件，對BIM模型進行碰撞檢查，利用“硬碰撞”對聲屏障與橋梁、路基、接觸網(wǎng)專業(yè)進行檢查，并可進行實景漫游，直觀而快速的定位碰撞位置并進行修改標注，導出碰撞文件。利用“間隙”對聲屏障結(jié)構(gòu)元件之間進行碰撞檢查。圖10為聲屏障H型鋼立柱與橋面系之間的碰撞檢查結(jié)果，圖11為鋼支架與U形螺栓碰撞之間的碰撞結(jié)果。

圖10 H型鋼立柱與橋面系碰撞

圖11 鋼支架與U形螺栓基礎碰撞

4.4 實景展示

隨著測繪技術(shù)的飛速發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)可從一個垂直和多個傾斜角度采集影像數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)據(jù)采集設備及專業(yè)數(shù)據(jù)處理流程生成三維實景模型數(shù)據(jù)，直觀地反映地物的空間信息，具有足夠的信息細節(jié)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化和直觀化[15-18]。本項目實景展示基于CityMaker平臺，結(jié)合聲屏障BIM模型和傾斜攝影影像數(shù)據(jù)，直觀反映地理區(qū)域真實的三維場景，反映噪聲敏感點與周圍環(huán)境的空間位置信息，可降低外業(yè)工作量及成本[19]。同時，BIM設計模型通過三維實景展示，可對設計不合理的地方進行校核，優(yōu)化降噪措施方案。

首先采用二次開發(fā)的插件將本項目聲屏障BIM文件導出FDB源庫，對BIM數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換，為了防止得到的FDB數(shù)據(jù)缺少坐標投影信息或者個別構(gòu)件出現(xiàn)錯位的情況，需在Builder中進行模型數(shù)據(jù)編輯處理[20]。將線路分帶坐標設置后，鐵路聲屏障BIM工點模型、橋梁模型、軌道模型以及本項目傾斜攝影數(shù)據(jù)加載后即可實現(xiàn)設計模型成果與地形集成后全方位進行實景展示，方便設計過程中直觀進行設計成果校核，審核聲屏障設計工點模型的高程、位置、地形的符合度、橋路連接處設置是否合理等信息的正確性，及時對設計不合理的地方進行修改完善。圖12、圖13為本項目鐵路橋梁聲屏障BIM模型、路基聲屏障模型與地形場景整合后實景展示效果。本項目通過CityMaker設計平臺，對工程數(shù)字化建設所涉及的所有數(shù)據(jù)類型進行管理，將BIM模型、三維地形及傾斜攝影數(shù)據(jù)實現(xiàn)精確匹配，再通過CityMaker設計平臺本身獨有渲染機制，對數(shù)據(jù)的吞吐率做了優(yōu)化設計，保證了場景渲染的及時性[21-22]，真實還原項目沿線的地形及環(huán)境現(xiàn)狀。

圖12 橋梁聲屏障實景展示效果圖

圖13 路基聲屏障實景展示效果圖

5 結(jié)論

在新建鐵路西安至十堰線項目聲屏障設計過程中，運用Bentely軟件平臺，采用MicroStation CONNECT Edition、Navigator等設計軟件進行BIM設計和碰撞檢查，利用ProjectWise平臺進行協(xié)同設計。對于屬性信息添加、工程量統(tǒng)計、碰撞檢測、模型實景展示等應用方面進行了研究，聲屏障安裝設計中通過采用二次開發(fā)插件可實現(xiàn)構(gòu)件屬性隨時查看，聲屏障模型單元沿著橋梁、路基邊緣和里程進行自動布設，使得模型創(chuàng)建、修改效率極大提升；運用工程量統(tǒng)計插件，可實現(xiàn)工程量一鍵輸出，提高統(tǒng)計效率和準確性。BIM技術(shù)在鐵路工程聲屏障設計過程的應用可顯著減少二維圖紙設計中存在的差、錯、漏、碰等問題，避免施工階段頻繁返工的現(xiàn)狀。此外，通過CityMaker設計平臺進行實景展示，可真實還原項目沿線的地形及環(huán)境現(xiàn)狀，實時校核項目設計是否符合專業(yè)之間、項目沿線的實地情況，更好地為項目設計及施工過程服務。

鐵路工程聲屏障BIM設計通過ProjectWise協(xié)同設計平臺采用專業(yè)內(nèi)部協(xié)同工作模式，縮短本項目設計周期，增強數(shù)據(jù)共享，提高工作效率和設計質(zhì)量。在本次BIM設計過程中，鐵路聲屏障設計通過三維信息模型的表達方式，直觀地反映工程項目設計意圖，凸顯設計中存在的問題并及時解決問題。本項目聲屏障BIM設計為高速鐵路工程聲屏障設計積累了寶貴的經(jīng)驗。