寧淮高鐵軌道BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉大園，柏云，龐玲，蘇乾坤

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 土木建筑設(shè)計(jì)研究一院，四川 成都 610031）

0 引言

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

寧淮高鐵連接江蘇省南京市和淮安市，途經(jīng)安徽天長市，為高速客運(yùn)專線鐵路。該鐵路線路總長約210 km，設(shè)計(jì)行車速度350 km/h，建成后南京、淮安兩地間可實(shí)現(xiàn)1 h內(nèi)直達(dá)。寧淮高鐵是長三角城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分，是國家淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶重大基礎(chǔ)設(shè)施支撐項(xiàng)目，設(shè)站7座，項(xiàng)目復(fù)雜。

寧淮高鐵除兩端樞紐連接段及聯(lián)絡(luò)線鋪設(shè)有砟軌道結(jié)構(gòu)外，其余正線均鋪設(shè)CRTS雙塊式無砟軌道，以滿足高速平穩(wěn)行車需求，同時(shí)可以極大限度地減少運(yùn)營管理期間的養(yǎng)護(hù)維修工作。軌道工程包含的具體內(nèi)容主要有18號單開道岔、18號單渡線、區(qū)間CRTS雙塊式無砟軌道、區(qū)間有砟軌道、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、軌道過渡段等。

1.2 難點(diǎn)分析

基于寧淮高鐵的修建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和線路敷設(shè)特點(diǎn)，軌道工程BIM設(shè)計(jì)主要存在如下4個(gè)難點(diǎn)：

（1）提高工點(diǎn)無砟軌道模型創(chuàng)建效率問題。

鐵路軌道工程具有帶狀、長距離分布的特點(diǎn)，且軌道結(jié)構(gòu)沿著空間三維線位敷設(shè)，同時(shí)曲線地段還要設(shè)置不同的左右軌超高差，即軌道結(jié)構(gòu)是一個(gè)在三維空間中不斷變化位置的連續(xù)的帶狀結(jié)構(gòu)，若采用常規(guī)手段創(chuàng)建軌道模型效率極低，難度極大。

（2）提高軌道工程設(shè)計(jì)精度和效率問題。

軌道工程沿著線路分布于不同半徑曲線和直線地段，軌道工程在曲線地段需要設(shè)置不同的超高。以往軌道結(jié)構(gòu)工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)一般按指標(biāo)計(jì)算，其計(jì)算精度不高，普遍存在較大偏差且效率低，若線路或者線下基礎(chǔ)方案調(diào)整，軌道工程數(shù)量需要重復(fù)計(jì)算，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中軌道工程一般僅輸出標(biāo)準(zhǔn)的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)文件用于下游施工，特殊工點(diǎn)設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)往往被忽略，待到施工配合階段再行解決，往往造成較多的變更和返工。這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中面臨的兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)精度不夠的問題。

分別對患者實(shí)施X線、CT及MRI檢查，其中MRI所用全身超導(dǎo)掃描儀是GE公司成產(chǎn)提供，CT檢測設(shè)備為德國西門子CT機(jī)；檢查前均對患者簡單說明本次檢查概況，并簡單指導(dǎo)患者進(jìn)行檢查時(shí)的配合，檢查時(shí)均按照儀器的操作步驟對患者實(shí)施相關(guān)操作，獲得相關(guān)檢測數(shù)據(jù)并做好整理記錄[3]。

（3）提高橋梁地段軌道設(shè)計(jì)效率問題。

寧淮鐵路橋梁工程占比約96%，如何快速進(jìn)行橋梁地段無砟軌道道床板布置設(shè)計(jì)是提高設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵。

（4）軌道工程接口眾多，確保接口協(xié)調(diào)、減少差錯漏碰問題。

寧淮鐵路軌道工程與橋梁工程、路基工程、給排水工程、站場工程、線路工程等有外部接口，軌道工程內(nèi)部各部件間亦有內(nèi)部接口，后期變更和返工往往是因?yàn)榻涌跊_突問題導(dǎo)致，但由于專業(yè)眾多，接口復(fù)雜，以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式很多接口沖突難以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和解決。

根據(jù)上述難點(diǎn)分析，可見在寧淮高鐵軌道設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)最大的難點(diǎn)是要克服設(shè)計(jì)效率問題，采用BIM技術(shù)增加了設(shè)計(jì)的內(nèi)容和工作量，但是豐富了設(shè)計(jì)成果，提高了設(shè)計(jì)精度，并且可以使得設(shè)計(jì)成果更加優(yōu)化和合理。基于當(dāng)前設(shè)計(jì)手段，為解決引入BIM技術(shù)帶來的設(shè)計(jì)效率問題，開發(fā)適用于中國鐵路軌道工程設(shè)計(jì)的BIM類軟件是目前的主要任務(wù)。

2 技術(shù)理念

2.1 技術(shù)路線

鐵路軌道工程結(jié)構(gòu)中，方案主要由各種標(biāo)準(zhǔn)件組成，比如鋼軌、扣件、軌枕、無砟軌道部件等，這些標(biāo)準(zhǔn)件沿著三維空間線位按照一定的規(guī)則間隔放置或者連續(xù)修筑便形成了整體軌道結(jié)構(gòu)。基于此特點(diǎn)，寧淮高鐵軌道工程BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用采取了下面的技術(shù)路線（見圖1）：

圖1 寧淮高鐵軌道BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)路線

（1）創(chuàng)建軌道標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，構(gòu)件庫中包含軌道工程所需要的所有構(gòu)件，包含60 kg/m鋼軌、扣件系統(tǒng)、雙塊式軌枕、軌道板模板、底座模板、輔助設(shè)施構(gòu)件、道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器以及過渡段構(gòu)件等；

（2）采用積木法引用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件創(chuàng)建軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)方案中建立軌道標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件之間的聯(lián)系以及沿著線路方向敷設(shè)的規(guī)則，在寧淮高鐵中需要創(chuàng)建橋上雙塊式無砟軌道、路基上雙塊式無砟軌道以及有砟軌道結(jié)構(gòu)方案；

（3）沿著線路條件，按照不同的線下基礎(chǔ)，創(chuàng)建工點(diǎn)的軌道結(jié)構(gòu)模型，包含橋上軌道工點(diǎn)模型、路基上軌道工點(diǎn)模型。接著對所有模型進(jìn)行裝配形成軌道結(jié)構(gòu)工點(diǎn)總裝配模型，模型達(dá)到施工圖精度要求；

（4）基于創(chuàng)建的軌道工點(diǎn)模型進(jìn)行接口檢查、出圖、算量和施工設(shè)計(jì)交底等應(yīng)用，形成完整的BIM設(shè)計(jì)成果。

為解決上述重難點(diǎn)問題，寧淮高鐵軌道工程BIM設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用點(diǎn)為創(chuàng)建軌道標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫、進(jìn)行參數(shù)化自動建模、基于模型的工程數(shù)量計(jì)算、基于模型的圖紙輸出、基于模型的接口檢查和基于模型的施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取。

2.2 專用設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

為解決引入BIM技術(shù)應(yīng)用而帶來的設(shè)計(jì)效率問題，在寧淮高鐵設(shè)計(jì)前期，基于上述應(yīng)用技術(shù)路線，開發(fā)了適用于CRTS雙塊式無砟軌道BIM設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件。該軟件基于Bentley OpenRail Designer（簡稱BORD）平臺開發(fā)，主要包含項(xiàng)目信息管理、專業(yè)接口數(shù)據(jù)管理、軌道方案設(shè)計(jì)、軌道工點(diǎn)設(shè)計(jì)、成果輸出和資源管理6個(gè)主要模塊，提供了進(jìn)行軌道BIM設(shè)計(jì)的基本流程和完整功能，軟件基本框架見圖2。

圖2 軌道BIM設(shè)計(jì)軟件框架

3 應(yīng)用效果

基于軌道BIM專用設(shè)計(jì)軟件，快速創(chuàng)建了寧淮鐵路淮安段的軌道結(jié)構(gòu)模型和簡化的橋梁路基線下基礎(chǔ)模型，見圖3、圖4，模型遵照鐵路BIM相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分解和構(gòu)件的編碼信息附加，形成了完整的包含三維幾何模型和非幾何信息的BIM模型，基于BIM模型進(jìn)行了接口檢查、軌道數(shù)量統(tǒng)計(jì)、圖紙輸出和施工數(shù)據(jù)提取等應(yīng)用，驗(yàn)證了軌道BIM設(shè)計(jì)流程的可行性和軌道BIM設(shè)計(jì)軟件的正確性，為鐵路軌道BIM設(shè)計(jì)積累了實(shí)戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)。

圖3 橋上軌道工點(diǎn)模型

圖4 路基車站軌道工點(diǎn)模型

3.1 接口檢查

將軌道工點(diǎn)模型與線下基礎(chǔ)簡化模型進(jìn)行合模之后可以檢查軌道與線下基礎(chǔ)之間的接口是否產(chǎn)生沖突或者不匹配問題。在寧淮高鐵軌道BIM設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)的接口沖突主要是軌道板布設(shè)與橋梁梁縫不相匹配（見圖5），車站區(qū)域道岔區(qū)無砟軌道底座與路基面層產(chǎn)生沖突。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)多處接口沖突，并在后續(xù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了后續(xù)施工階段可能會出現(xiàn)的變更設(shè)計(jì)，解決了設(shè)計(jì)難點(diǎn)4面臨的問題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。

圖5 無砟軌道布置與橋梁布跨接口沖突問題

3.2 數(shù)量統(tǒng)計(jì)

基于創(chuàng)建的軌道工點(diǎn)模型，按標(biāo)段劃分要求統(tǒng)計(jì)了軌道工程數(shù)量。軌道工程數(shù)量主要包含軌道鋪設(shè)長度、軌道道床結(jié)構(gòu)數(shù)量以及附屬設(shè)施等。軌道鋪設(shè)長度完全依據(jù)模型創(chuàng)建的三維線形長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提高了軌道鋪設(shè)長度計(jì)算精度。軌道道床結(jié)構(gòu)數(shù)量依據(jù)實(shí)際工點(diǎn)三維模型作為依據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于模型創(chuàng)建考慮了曲線超高和實(shí)際三維空間鋪設(shè)長度，其統(tǒng)計(jì)精度得到大幅提高（見圖6）。附屬設(shè)施則根據(jù)線路條件及鋪軌長度進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)。基于軌道模型進(jìn)行工程數(shù)量計(jì)算，在計(jì)算精度和效率方面均得到提升。

圖6 基于模型統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量

3.3 圖紙輸出

為了符合當(dāng)前鐵路工程建設(shè)的選裝需求，根據(jù)創(chuàng)建的軌道模型輸出二維施工圖紙仍舊是當(dāng)前鐵路BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用的一個(gè)重要功能。寧淮高鐵軌道BIM設(shè)計(jì)中，首先依據(jù)創(chuàng)建的參數(shù)化軌道設(shè)計(jì)方案和模型，通過讀取模型設(shè)計(jì)參數(shù)，可直接生成標(biāo)準(zhǔn)的無砟軌道二維施工圖紙。其次，設(shè)計(jì)中創(chuàng)建了道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器等特殊的參數(shù)化構(gòu)件，且根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了無砟軌道的三維配筋設(shè)計(jì)，依據(jù)創(chuàng)建的詳細(xì)三維參數(shù)化構(gòu)件，直接生成了二維施工圖紙（見圖7）。此外，還根據(jù)三維模型創(chuàng)建了特殊軌道結(jié)構(gòu)的三維可視化軸測視圖圖紙，將其補(bǔ)充到現(xiàn)有二維施工圖紙中，豐富了傳統(tǒng)二維施工圖紙的內(nèi)容，更加利于施工階段施工人員進(jìn)行識圖和理解。

圖7 基于軌道模型輸出二維圖紙示例

3.4 施工數(shù)據(jù)提取

基于創(chuàng)建的軌道整體模型，根據(jù)中國鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，按照EBS、IFD標(biāo)準(zhǔn)對模型進(jìn)行了分解、編碼和信息附加，根據(jù)軌道工程無砟軌道施工需求附加相應(yīng)定位信息并通過軟件自動提取。項(xiàng)目應(yīng)用中通過軟件自動提取了無砟軌道道床板關(guān)鍵角點(diǎn)、底座關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息以及相應(yīng)的里程和編碼信息（見圖8），可供下游施工階段鋪軌使用，避免施工階段因人為計(jì)算誤差造成無砟軌道底座和道床板施工偏差問題。

4 結(jié)束語

圍繞如何解決BIM技術(shù)在寧淮高鐵軌道設(shè)計(jì)中應(yīng)用所帶來的問題，依托開發(fā)的專用BIM設(shè)計(jì)軟件，研究了適用于軌道BIM設(shè)計(jì)的基本流程，在充分利用BIM技術(shù)所帶來益處的同時(shí)，提高了軌道BIM設(shè)計(jì)的效率。應(yīng)用效果說明所采用的軌道工程BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線、應(yīng)用流程和應(yīng)用點(diǎn)是滿足軌道設(shè)計(jì)需求的。后續(xù)將進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐和積累經(jīng)驗(yàn)，提高BIM技術(shù)在鐵路軌道工程的應(yīng)用深度和廣度，為鐵路工程新基建和數(shù)字化服務(wù)。