鐵路建設中的橋梁與隧道施工技術

2013年4月以來，隨著中國鐵路總公司在鐵路建設領域推廣俱樂部企業技術，中成鐵路第一工程研究院（以下鐵路學院）將西成線清涼山隧道與石溝中橋科研項目結合起來，逐步擴大了該項目的應用，為今后的建設奠定了基礎。1橋互通工程模型建立的關組合BIM技術在鐵一院的深入研究與應用始于2011年,尤其在站后四電工程方面,進行了較為超前的探索與嘗試,取得了一些可供借鑒的成果。在此基礎上,參考BIM在建筑、水電領域的應用情況,總結了設計階段BIM應用的基本框架(見圖1)。由圖1可以看出,采用BIM技術后,從基礎數據到模型建立是最為關鍵的環節,沒有這個過程,其余的一切都是奢談,這也是采用BIM技術后首先要解決的關鍵問題。設計的主要成果均以模型為基礎,通過不同層面的模型屬性及相關組合,獲得不同的成果。這些成果主要分為如下幾個方面:(1)分析:一是對模型的邏輯合理性進行分析,特別是模型的力學性質等,以保證建立的BIM模型能夠滿足規范規定的力學要求。主要分為動態和靜態分析,需要結合目前常用的力學分析軟件進行。二是基于模型各組成部分的空間分析,不出現差錯漏碰等情況,徹底去除2D狀態下難以發現的各種弊端,使設計主體更趨完善。三是基于模型的性能分析,如日照、雨量等分析。(2)出圖:主要是指基于模型的二維圖紙輸出。由于目前尚無統一的三維交付標準,因此就圖紙而言,可以通過BIM模型生成符合既有技術規范的圖紙,作為基本的技術交付依據。通過模型也可直接形成3D格式的pdf文件,對模型進行輕量化處理,用于移動或便攜設備,在施工過程中直接瀏覽查看。(3)數量:工程數量是設計過程中最為重要的內容之一。通過模型可以直接獲得該工程不同部位的工程量以及工程總量,進而計算出準確的工程造價。(4)展示:主要分為大場景展示(把橋隧工程模型直接植入到建設場地的真實環境中,展示工程主體與環境的相容性以及與其他工程的相互關系)、工程主體展示(通過渲染和漫游,觀察工程主體的整體狀況或者某個局部)等。(5)模擬施工:設計階段的模擬施工只是近似地模擬施工階段的進度管理等情況,為施工組織提供基本的參考依據。(6)技術交底:基于模型的技術交底具有直觀、易懂的特點,關鍵部位或者技術要點,可以通過模擬方式進行展示。(7)交流:基于模型的交流,將使建設方及各參建單位(設計單位、施工單位、監理單位)變得更加高效。2做好網絡及網絡的選擇工作鐵路設計企業從2D設計逐步轉為BIM設計已是大勢所趨,因此需要綜合配置資源才能形成真正的設計能力。首先,領導層理念的轉變及對BIM工作在戰略層面的重視是推廣應用中的關鍵。其次是組建具有專業技術經驗和計算機應用能力的BIM設計團隊,以項目為基礎,形成設計、復核、校審、審定的工作流程,建立例會工作制度,定期對工作進行總結、交流,對任務進度進行追蹤檢查,討論疑難問題,確定解決方案。再次是對網絡及計算機軟硬件的配備。對資源進行綜合配置,以項目為基礎,通過激勵機制推進BIM應用工作,才能形成真正的BIM設計能力。軟件平臺的選擇是開展BIM工作的基礎。歐特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、達索系統(DassaultSystems)是市場上提供的主要BIM設計平臺,其軟件系統針對不同的領域,各有特點,也有各自的解決方案。目前,尚無專門針對鐵路行業技術特點而研發的軟件平臺。參與鐵路建設和管理的企業,對應用平臺的選擇,需要結合相關專業的特點,對適應性進行綜合考察。而要提升BIM應用效率,基于應用軟件平臺的二次開發工作及研發工作都是必不可少的內容。為保證BIM應用工作的可持續發展,鐵一院在上述工作的基礎上,加大投入,把BIM課題分為基礎研究、專題研究、綜合研究、二次開發和業務建設5個方面,每個方面均針對不同的重點,進行全方位的研究,提升BIM應用的系統性。3bim技術應用的基礎橋梁和隧道是鐵路建設項目中較為重要的工程內容。鐵一院結合中國鐵路總公司清涼山隧道和十岔溝中橋科研項目,通過資源綜合配置,強化BIM應用基礎,特別是對BIM構件庫建設與管理、設計模型的技術管理與質量管理等,形成了基本的工作流程,從而保證了模型質量,為基于模型的各項工作打下良好基礎。BIM技術應用過程中,專業內部的協同、專業之間的協同是非常重要的內容。除了設計平臺提供的基本協同方式外,還需要結合企業技術管理、質量管理、計劃管理的平臺來承載協同工作,才能提高BIM設計效率。作為設計企業,向施工企業進行BIM交付,是體現其成果并為基于BIM的施工過程奠定基礎的關鍵環節。鐵一院在這方面做了一些有益的嘗試,相關交付標準也在制訂之中。4技術保障，業務應用鐵一院在BIM技術推廣應用過程中,從規劃層面、資源配置層面、團隊建設層面及科技研發層面進行了系統部署,同時結合中國鐵路總公司推動的科研項目,做了全方位的應用探索。4.1基礎構件模型BIM構件庫及基礎模型是完成BIM設計工作的第一步,需要從設計、施工、運維各環節綜合考慮建模原則。從設計的角度,構件需要考慮“最小功能單元、最小成本單元”,施工方面則要結合工藝工法考慮“最小施工單元、最小安裝單元”。由基礎構件完成的模型才能同時符合設計和施工的要求。部分構件和模型見圖2。基礎構件必須要有軟件進行統一管理,使得創建過程符合統一的質量審核流程,保證創建的構件符合規范要求。4.2編碼規則的建立根據族構件的系統性、兼容性、可擴充性、穩定性分類原則,對族構件的編碼規則進行了研究,為使族編碼具有唯一、簡明、規范、便于檢索的特點,經過多次討論研究提出了編碼規則,便于計算機進行統一管理。4.3交付模型的要求及模型格式經過和施工單位多次溝通、交流、研討,在充分了解施工期間的模型應用需求和附屬信息格式的基礎上,研究了以“最小施工單元、最小安裝單元”為基本構件,滿足施工單位基于BIM模型進行的施工進度、質量、安全管理需求的交付標準。交付的模型必須滿足如下需求:(1)能夠進行3D查看、旋轉、剖切、量測等,傳遞完整的幾何信息及附加的設計信息(例如工程數量)等。(2)參與項目建設的單位能夠在模型上增加新的屬性信息。(3)各種信息能夠方便讀取,以供各方使用。(4)能夠添加時間參數,形成4D模型,完成施工步驟演示,人工、機械等費用計算。(5)設計單位根據需要能夠修改模型,如變更設計。(6)模型中附加的工程數量信息根據需要可由設計單位修改。在科研項目中,采用了Autodesk公司的NWC格式作為交付模型的基本格式。交付標準需要在實踐基礎上通過進一步研究來完成。圖3為十岔溝中橋整體模型、清涼山隧道整體模型(包含1號、2號斜井模型)。4.4bim應用應用(1)方案的匯報展示。利用BIM模型可準確反映建筑物的情況,方便制作渲染圖及漫游動畫,形象生動地進行設計方案的匯報展示(見圖4)。(2)二維出圖、算量。在三維BIM模型的基礎上研究提出二維圖紙的解決方案。對模型在Revit中的剖切、標注、字體、工程數量統計、圖框模板的定制進行了深入研究。目前已經能夠快速生成橋梁、隧道專業的工程數量表及部分二維圖紙。(3)施工過程及工法4D模擬。利用十岔溝中橋的BIM模型,在NavisWorks中導入施工步驟及計劃工期信息,模擬橋梁的建造過程;以清涼山隧道中最復雜的施工方法——三臺階臨時仰拱法為研究對象,完成了三臺階臨時仰拱法的4D施工模擬。(4)地形模型應用。利用地形模型點擊任意點自動標注徑流方向、圈繪出匯流面積,大大簡化外業的水文圈繪工作;利用地形模型能夠簡單方便地完成如橋臺等放坡開挖,準確標識并計算出工程數量。(5)碰撞檢查。建立了高速鐵路12m寬橋梁結構和橋上附屬結構BIM模型,通過碰撞檢查,發現接觸網下錨柱基礎與聲屏障干擾、拉線基礎與橋梁遮板干擾,研究解決方案,編制《高速鐵路12m梁寬橋上聲屏障安裝標準圖》BIM模型,并以BIM模型進行技術交底(見圖5)。(6)指導實習與培訓工作。為某職業技術學院隧道實訓基地開展關于隧道技術的BIM應用研究。隧道實訓基地建筑長90m,寬32m,包括各種施工工法的開挖、支護、綁扎鋼筋、架設鋼架、安裝模板、防水板安裝、預埋件、拱墻仰拱混凝土澆筑、施工縫防水做法、監控量測、洞門施工、邊坡防護等內容,采用BIM應用指導實習過程,收到了良好效果。在新員工培訓過程中,通過BIM形象展示施工過程及場景,改變了以往文字加圖片的說教方式,極大地提升了新員工對設計技術及施工過程的理解能力。4.6基礎族系統從常規的2D設計轉為BIM設計,需要一個長期的過程。以往在2D狀態下的專業設計軟件以及管理系統,都要逐步進行過渡。部分已經完成或正在進行的研發項目如下:(1)基于Revit族的隧道模型拼裝系統:以Revit族為基本單元,通過路徑設定和選定的基本族單元,自動拼裝完成隧道整體模型,極大地提高了建模效率,同時克服了用基礎族在曲線上拼裝產生的問題(見圖7)。(2)BIM族庫管理系統:對各專業基礎族庫分權限、分角色進行管理,保證族庫內容的有效性和動態管理(見圖8)。(3)基于BIM的鐵路空間信息系統:以GIS為基礎,對BIM進行融合,實現全線各工程的整體管理,為運營提供管理手段(見圖9)。5付標準研究的主要內容目前,BIM在鐵路建設中的應用主要以設計過程和施工過程為主。就這兩個環節而言,交付標準依然是最為迫切的研究內容。盡管BIM在應用推廣過程中還存在諸多問題與困難,例如基礎平臺的不完善、地質信息與模型的互動、地理信息與海量數據的處理等,但隨著中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯盟強有力地推動,BIM的推廣應用一定具有