BIM技術(shù)在高速鐵路工程聲屏障設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

胡文麗

(1.中國鐵建BIM工程實(shí)驗(yàn)室,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理的全生命周期過程，對(duì)項(xiàng)目物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，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(dá)包括項(xiàng)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(lǐng)域已經(jīng)有較多應(yīng)用案例和經(jīng)驗(yàn)[2-3]。交通運(yùn)輸行業(yè)BIM技術(shù)的運(yùn)用也越來越多，BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠提升鐵路工程建設(shè)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(shè)全過程協(xié)同應(yīng)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(shè)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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，BIM設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用尚處于起步和探索階段。以新建西安至十堰高速鐵路項(xiàng)目為研究對(duì)象，探究BIM技術(shù)在鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。借助BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，解決鐵路工程設(shè)計(jì)在各專業(yè)間信息溝通不及時(shí)、不流暢，設(shè)計(jì)人員圖紙表達(dá)或理解不正確等問題，并在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)中存在的差、錯(cuò)、漏、碰等問題，減少施工階段頻繁返工和設(shè)計(jì)變更的現(xiàn)象，直觀準(zhǔn)確地表達(dá)出工程項(xiàng)目的信息，極大地促進(jìn)鐵路建設(shè)項(xiàng)目的工程質(zhì)量和建設(shè)效率[8]。

1 項(xiàng)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(yùn)通道。新建正線長255.749 km，橋隧比94.8%，本項(xiàng)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(shè)計(jì)軟件環(huán)境

本項(xiàng)目以Bentely軟件、CityMaker軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用MicroStation CONNECT Edition(以下稱MS)以及二次開發(fā)的插件進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程首先利用MS進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建聲屏障結(jié)構(gòu)元件。每個(gè)元件的圖元分別在二維模型下繪制好后，再通過實(shí)體構(gòu)造、編輯、修改等系列組合命令設(shè)計(jì)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(tái)，運(yùn)用二次開發(fā)插件，進(jìn)行聲屏障模型的安裝，采用Navigator軟件進(jìn)行碰撞檢查等BIM設(shè)計(jì)過程。

2.1 項(xiàng)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(shè)計(jì)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(jìn)行BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用MS設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)本項(xiàng)目鐵路工程聲屏障設(shè)計(jì)需求，創(chuàng)建H型立柱、金屬吸聲板、預(yù)埋螺栓、鋼底板、預(yù)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(xiàng)目聲屏障BIM設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行屬性設(shè)置[9]。通過創(chuàng)建模型元件數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)族庫文件的集中存儲(chǔ)、信息共享和隨時(shí)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)以ProjectWise作為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，將各專業(yè)模型集中在同一個(gè)管理設(shè)計(jì)平臺(tái)，可實(shí)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(qiáng)化各專業(yè)間的聯(lián)系，減少了設(shè)計(jì)資料更新不及時(shí)引起的設(shè)計(jì)錯(cuò)、漏問題[11]。聲屏障設(shè)計(jì)采用手動(dòng)安裝的方式以及二次開發(fā)的插件自動(dòng)化安裝布設(shè)的方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)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(diǎn)的降噪措施要求，將聲屏障單元模型按照里程樁號(hào)沿橋梁、路基邊緣自動(dòng)布設(shè)；特殊結(jié)構(gòu)橋梁和路基處噪聲敏感點(diǎn)聲屏障設(shè)計(jì)采用插件+手動(dòng)安裝的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，參考鏈接接觸網(wǎng)模型后進(jìn)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(shè)計(jì)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(tái)會(huì)同步更新參考模型，設(shè)計(jì)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)出現(xiàn)的碰撞問題。圖2、圖3為橋梁和路基工點(diǎn)處設(shè)計(jì)的聲屏障模型。

圖2 橋梁聲屏障設(shè)計(jì)模型

圖3 路基聲屏障設(shè)計(jì)模型

3 BIM設(shè)計(jì)流程

借鑒二維圖紙的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)主要分解為以下流程，詳見圖4。

圖4 聲屏障工程BIM設(shè)計(jì)流程

BIM設(shè)計(jì)首先根據(jù)工點(diǎn)資料確定聲屏障工程降噪措施的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)平臺(tái)，參考鏈接各專業(yè)的模型文件進(jìn)行聲屏BIM設(shè)計(jì)工作，最后進(jìn)行模型總裝整合，檢查專業(yè)間模型設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)存在問題，及時(shí)溝通，對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過Navigator軟件對(duì)BIM模型碰撞檢查，檢查模型設(shè)計(jì)差、錯(cuò)、漏、碰等問題，提出碰撞問題的解決方案，完成準(zhǔn)確無誤的聲屏障BIM設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)、輸出圖紙、實(shí)景漫游展示等應(yīng)用。

圖5 橋梁處各專業(yè)總裝后的聲屏障模型

4 BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 BIM模型屬性添加

聲屏障設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程中進(jìn)行查看，本項(xiàng)目聲屏障設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)

工程量計(jì)算是一項(xiàng)復(fù)雜而繁瑣的工作，目前聲屏障設(shè)計(jì)概算均由設(shè)計(jì)人員完成，也常存在“差錯(cuò)漏碰”的現(xiàn)象。本項(xiàng)目以聲屏障BIM模型為基礎(chǔ)，通過工程量統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序，可實(shí)現(xiàn)一鍵輸出聲屏障結(jié)構(gòu)的各個(gè)元件統(tǒng)計(jì)數(shù)量信息，導(dǎo)出工程量統(tǒng)計(jì)Excel表，方便快捷，極大地提高了工程統(tǒng)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，為制定施工資源分配計(jì)劃提供參考。以某工點(diǎn)處聲屏障模型為例，圖7為聲屏障模型工程量統(tǒng)計(jì)界面，圖8為聲屏障模型工程量統(tǒng)計(jì)總信息表，圖9為H型鋼立柱統(tǒng)計(jì)結(jié)果表。

圖7 聲屏障模型工程量統(tǒng)計(jì)界面

圖8 聲屏障模型工程量統(tǒng)計(jì)總信息表

圖9 H型鋼立柱統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

4.3 碰撞檢查

由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)接口處存在的問題，導(dǎo)致施工過程常常出現(xiàn)碰撞、返工的案例[10，12-13]。而BIM設(shè)計(jì)具有可視化、協(xié)調(diào)性以及模擬性的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)階段可及時(shí)調(diào)整聲屏障設(shè)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(shè)計(jì)及施工的準(zhǔn)確度和效率[14]。本項(xiàng)目運(yùn)用Navigator軟件，對(duì)BIM模型進(jìn)行碰撞檢查，利用“硬碰撞”對(duì)聲屏障與橋梁、路基、接觸網(wǎng)專業(yè)進(jìn)行檢查，并可進(jìn)行實(shí)景漫游，直觀而快速的定位碰撞位置并進(jìn)行修改標(biāo)注，導(dǎo)出碰撞文件。利用“間隙”對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)元件之間進(jìn)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(chǔ)碰撞

4.4 實(shí)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(gè)垂直和多個(gè)傾斜角度采集影像數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)數(shù)據(jù)處理流程生成三維實(shí)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(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化和直觀化[15-18]。本項(xiàng)目實(shí)景展示基于CityMaker平臺(tái)，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(shí)的三維場景，反映噪聲敏感點(diǎn)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(shí)，BIM設(shè)計(jì)模型通過三維實(shí)景展示，可對(duì)設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)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(xiàng)目聲屏障BIM文件導(dǎo)出FDB源庫，對(duì)BIM數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了防止得到的FDB數(shù)據(jù)缺少坐標(biāo)投影信息或者個(gè)別構(gòu)件出現(xiàn)錯(cuò)位的情況，需在Builder中進(jìn)行模型數(shù)據(jù)編輯處理[20]。將線路分帶坐標(biāo)設(shè)置后，鐵路聲屏障BIM工點(diǎn)模型、橋梁模型、軌道模型以及本項(xiàng)目傾斜攝影數(shù)據(jù)加載后即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型成果與地形集成后全方位進(jìn)行實(shí)景展示，方便設(shè)計(jì)過程中直觀進(jìn)行設(shè)計(jì)成果校核，審核聲屏障設(shè)計(jì)工點(diǎn)模型的高程、位置、地形的符合度、橋路連接處設(shè)置是否合理等信息的正確性，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行修改完善。圖12、圖13為本項(xiàng)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(shí)景展示效果。本項(xiàng)目通過CityMaker設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)工程數(shù)字化建設(shè)所涉及的所有數(shù)據(jù)類型進(jìn)行管理，將BIM模型、三維地形及傾斜攝影數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確匹配，再通過CityMaker設(shè)計(jì)平臺(tái)本身獨(dú)有渲染機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)的吞吐率做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了場景渲染的及時(shí)性[21-22]，真實(shí)還原項(xiàng)目沿線的地形及環(huán)境現(xiàn)狀。

圖12 橋梁聲屏障實(shí)景展示效果圖

圖13 路基聲屏障實(shí)景展示效果圖

5 結(jié)論

在新建鐵路西安至十堰線項(xiàng)目聲屏障設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用Bentely軟件平臺(tái)，采用MicroStation CONNECT Edition、Navigator等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)和碰撞檢查，利用ProjectWise平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。對(duì)于屬性信息添加、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢測、模型實(shí)景展示等應(yīng)用方面進(jìn)行了研究，聲屏障安裝設(shè)計(jì)中通過采用二次開發(fā)插件可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件屬性隨時(shí)查看，聲屏障模型單元沿著橋梁、路基邊緣和里程進(jìn)行自動(dòng)布設(shè)，使得模型創(chuàng)建、修改效率極大提升；運(yùn)用工程量統(tǒng)計(jì)插件，可實(shí)現(xiàn)工程量一鍵輸出，提高統(tǒng)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。BIM技術(shù)在鐵路工程聲屏障設(shè)計(jì)過程的應(yīng)用可顯著減少二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中存在的差、錯(cuò)、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(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)景展示，可真實(shí)還原項(xiàng)目沿線的地形及環(huán)境現(xiàn)狀，實(shí)時(shí)校核項(xiàng)目設(shè)計(jì)是否符合專業(yè)之間、項(xiàng)目沿線的實(shí)地情況，更好地為項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工過程服務(wù)。

鐵路工程聲屏障BIM設(shè)計(jì)通過ProjectWise協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)采用專業(yè)內(nèi)部協(xié)同工作模式，縮短本項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)數(shù)據(jù)共享，提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。在本次BIM設(shè)計(jì)過程中，鐵路聲屏障設(shè)計(jì)通過三維信息模型的表達(dá)方式，直觀地反映工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)意圖，凸顯設(shè)計(jì)中存在的問題并及時(shí)解決問題。本項(xiàng)目聲屏障BIM設(shè)計(jì)為高速鐵路工程聲屏障設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。