鐵路建設(shè)中的橋梁與隧道施工技術(shù)

鐵路建設(shè)中的橋梁與隧道施工技術(shù)

2013年4月以來，隨著中國鐵路總公司在鐵路建設(shè)領(lǐng)域推廣俱樂部企業(yè)技術(shù)，中成鐵路第一工程研究院（以下鐵路學(xué)院）將西成線清涼山隧道與石溝中橋科研項(xiàng)目結(jié)合起來，逐步擴(kuò)大了該項(xiàng)目的應(yīng)用，為今后的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。1橋互通工程模型建立的關(guān)組合BIM技術(shù)在鐵一院的深入研究與應(yīng)用始于2011年,尤其在站后四電工程方面,進(jìn)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(chǔ)上,參考BIM在建筑、水電領(lǐng)域的應(yīng)用情況,總結(jié)了設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用的基本框架(見圖1)。由圖1可以看出,采用BIM技術(shù)后,從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到模型建立是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),沒有這個(gè)過程,其余的一切都是奢談,這也是采用BIM技術(shù)后首先要解決的關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)的主要成果均以模型為基礎(chǔ),通過不同層面的模型屬性及相關(guān)組合,獲得不同的成果。這些成果主要分為如下幾個(gè)方面:(1)分析:一是對模型的邏輯合理性進(jìn)行分析,特別是模型的力學(xué)性質(zhì)等,以保證建立的BIM模型能夠滿足規(guī)范規(guī)定的力學(xué)要求。主要分為動態(tài)和靜態(tài)分析,需要結(jié)合目前常用的力學(xué)分析軟件進(jìn)行。二是基于模型各組成部分的空間分析,不出現(xiàn)差錯(cuò)漏碰等情況,徹底去除2D狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的各種弊端,使設(shè)計(jì)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(tǒng)一的三維交付標(biāo)準(zhǔn),因此就圖紙而言,可以通過BIM模型生成符合既有技術(shù)規(guī)范的圖紙,作為基本的技術(shù)交付依據(jù)。通過模型也可直接形成3D格式的pdf文件,對模型進(jìn)行輕量化處理,用于移動或便攜設(shè)備,在施工過程中直接瀏覽查看。(3)數(shù)量:工程數(shù)量是設(shè)計(jì)過程中最為重要的內(nèi)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(jìn)而計(jì)算出準(zhǔn)確的工程造價(jià)。(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(shè)場地的真實(shí)環(huán)境中,展示工程主體與環(huán)境的相容性以及與其他工程的相互關(guān)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(gè)局部)等。(5)模擬施工:設(shè)計(jì)階段的模擬施工只是近似地模擬施工階段的進(jìn)度管理等情況,為施工組織提供基本的參考依據(jù)。(6)技術(shù)交底:基于模型的技術(shù)交底具有直觀、易懂的特點(diǎn),關(guān)鍵部位或者技術(shù)要點(diǎn),可以通過模擬方式進(jìn)行展示。(7)交流:基于模型的交流,將使建設(shè)方及各參建單位(設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位)變得更加高效。2做好網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)的選擇工作鐵路設(shè)計(jì)企業(yè)從2D設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)為BIM設(shè)計(jì)已是大勢所趨,因此需要綜合配置資源才能形成真正的設(shè)計(jì)能力。首先,領(lǐng)導(dǎo)層理念的轉(zhuǎn)變及對BIM工作在戰(zhàn)略層面的重視是推廣應(yīng)用中的關(guān)鍵。其次是組建具有專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的BIM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),以項(xiàng)目為基礎(chǔ),形成設(shè)計(jì)、復(fù)核、校審、審定的工作流程,建立例會工作制度,定期對工作進(jìn)行總結(jié)、交流,對任務(wù)進(jìn)度進(jìn)行追蹤檢查,討論疑難問題,確定解決方案。再次是對網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)軟硬件的配備。對資源進(jìn)行綜合配置,以項(xiàng)目為基礎(chǔ),通過激勵(lì)機(jī)制推進(jìn)BIM應(yīng)用工作,才能形成真正的BIM設(shè)計(jì)能力。軟件平臺的選擇是開展BIM工作的基礎(chǔ)。歐特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、達(dá)索系統(tǒng)(DassaultSystems)是市場上提供的主要BIM設(shè)計(jì)平臺,其軟件系統(tǒng)針對不同的領(lǐng)域,各有特點(diǎn),也有各自的解決方案。目前,尚無專門針對鐵路行業(yè)技術(shù)特點(diǎn)而研發(fā)的軟件平臺。參與鐵路建設(shè)和管理的企業(yè),對應(yīng)用平臺的選擇,需要結(jié)合相關(guān)專業(yè)的特點(diǎn),對適應(yīng)性進(jìn)行綜合考察。而要提升BIM應(yīng)用效率,基于應(yīng)用軟件平臺的二次開發(fā)工作及研發(fā)工作都是必不可少的內(nèi)容。為保證BIM應(yīng)用工作的可持續(xù)發(fā)展,鐵一院在上述工作的基礎(chǔ)上,加大投入,把BIM課題分為基礎(chǔ)研究、專題研究、綜合研究、二次開發(fā)和業(yè)務(wù)建設(shè)5個(gè)方面,每個(gè)方面均針對不同的重點(diǎn),進(jìn)行全方位的研究,提升BIM應(yīng)用的系統(tǒng)性。3bim技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)橋梁和隧道是鐵路建設(shè)項(xiàng)目中較為重要的工程內(nèi)容。鐵一院結(jié)合中國鐵路總公司清涼山隧道和十岔溝中橋科研項(xiàng)目,通過資源綜合配置,強(qiáng)化BIM應(yīng)用基礎(chǔ),特別是對BIM構(gòu)件庫建設(shè)與管理、設(shè)計(jì)模型的技術(shù)管理與質(zhì)量管理等,形成了基本的工作流程,從而保證了模型質(zhì)量,為基于模型的各項(xiàng)工作打下良好基礎(chǔ)。BIM技術(shù)應(yīng)用過程中,專業(yè)內(nèi)部的協(xié)同、專業(yè)之間的協(xié)同是非常重要的內(nèi)容。除了設(shè)計(jì)平臺提供的基本協(xié)同方式外,還需要結(jié)合企業(yè)技術(shù)管理、質(zhì)量管理、計(jì)劃管理的平臺來承載協(xié)同工作,才能提高BIM設(shè)計(jì)效率。作為設(shè)計(jì)企業(yè),向施工企業(yè)進(jìn)行BIM交付,是體現(xiàn)其成果并為基于BIM的施工過程奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鐵一院在這方面做了一些有益的嘗試,相關(guān)交付標(biāo)準(zhǔn)也在制訂之中。4技術(shù)保障，業(yè)務(wù)應(yīng)用鐵一院在BIM技術(shù)推廣應(yīng)用過程中,從規(guī)劃層面、資源配置層面、團(tuán)隊(duì)建設(shè)層面及科技研發(fā)層面進(jìn)行了系統(tǒng)部署,同時(shí)結(jié)合中國鐵路總公司推動的科研項(xiàng)目,做了全方位的應(yīng)用探索。4.1基礎(chǔ)構(gòu)件模型BIM構(gòu)件庫及基礎(chǔ)模型是完成BIM設(shè)計(jì)工作的第一步,需要從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各環(huán)節(jié)綜合考慮建模原則。從設(shè)計(jì)的角度,構(gòu)件需要考慮“最小功能單元、最小成本單元”,施工方面則要結(jié)合工藝工法考慮“最小施工單元、最小安裝單元”。由基礎(chǔ)構(gòu)件完成的模型才能同時(shí)符合設(shè)計(jì)和施工的要求。部分構(gòu)件和模型見圖2?；A(chǔ)構(gòu)件必須要有軟件進(jìn)行統(tǒng)一管理,使得創(chuàng)建過程符合統(tǒng)一的質(zhì)量審核流程,保證創(chuàng)建的構(gòu)件符合規(guī)范要求。4.2編碼規(guī)則的建立根據(jù)族構(gòu)件的系統(tǒng)性、兼容性、可擴(kuò)充性、穩(wěn)定性分類原則,對族構(gòu)件的編碼規(guī)則進(jìn)行了研究,為使族編碼具有唯一、簡明、規(guī)范、便于檢索的特點(diǎn),經(jīng)過多次討論研究提出了編碼規(guī)則,便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。4.3交付模型的要求及模型格式經(jīng)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(yīng)用需求和附屬信息格式的基礎(chǔ)上,研究了以“最小施工單元、最小安裝單元”為基本構(gòu)件,滿足施工單位基于BIM模型進(jìn)行的施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全管理需求的交付標(biāo)準(zhǔn)。交付的模型必須滿足如下需求:(1)能夠進(jìn)行3D查看、旋轉(zhuǎn)、剖切、量測等,傳遞完整的幾何信息及附加的設(shè)計(jì)信息(例如工程數(shù)量)等。(2)參與項(xiàng)目建設(shè)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(shí)間參數(shù),形成4D模型,完成施工步驟演示,人工、機(jī)械等費(fèi)用計(jì)算。(5)設(shè)計(jì)單位根據(jù)需要能夠修改模型,如變更設(shè)計(jì)。(6)模型中附加的工程數(shù)量信息根據(jù)需要可由設(shè)計(jì)單位修改。在科研項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)需要在實(shí)踐基礎(chǔ)上通過進(jìn)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(yīng)用應(yīng)用(1)方案的匯報(bào)展示。利用BIM模型可準(zhǔn)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(jìn)行設(shè)計(jì)方案的匯報(bào)展示(見圖4)。(2)二維出圖、算量。在三維BIM模型的基礎(chǔ)上研究提出二維圖紙的解決方案。對模型在Revit中的剖切、標(biāo)注、字體、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)、圖框模板的定制進(jìn)行了深入研究。目前已經(jīng)能夠快速生成橋梁、隧道專業(yè)的工程數(shù)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(dǎo)入施工步驟及計(jì)劃工期信息,模擬橋梁的建造過程;以清涼山隧道中最復(fù)雜的施工方法——三臺階臨時(shí)仰拱法為研究對象,完成了三臺階臨時(shí)仰拱法的4D施工模擬。(4)地形模型應(yīng)用。利用地形模型點(diǎn)擊任意點(diǎn)自動標(biāo)注徑流方向、圈繪出匯流面積,大大簡化外業(yè)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(zhǔn)確標(biāo)識并計(jì)算出工程數(shù)量。(5)碰撞檢查。建立了高速鐵路12m寬橋梁結(jié)構(gòu)和橋上附屬結(jié)構(gòu)BIM模型,通過碰撞檢查,發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)下錨柱基礎(chǔ)與聲屏障干擾、拉線基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)圖》BIM模型,并以BIM模型進(jìn)行技術(shù)交底(見圖5)。(6)指導(dǎo)實(shí)習(xí)與培訓(xùn)工作。為某職業(yè)技術(shù)學(xué)院隧道實(shí)訓(xùn)基地開展關(guān)于隧道技術(shù)的BIM應(yīng)用研究。隧道實(shí)訓(xùn)基地建筑長90m,寬32m,包括各種施工工法的開挖、支護(hù)、綁扎鋼筋、架設(shè)鋼架、安裝模板、防水板安裝、預(yù)埋件、拱墻仰拱混凝土澆筑、施工縫防水做法、監(jiān)控量測、洞門施工、邊坡防護(hù)等內(nèi)容,采用BIM應(yīng)用指導(dǎo)實(shí)習(xí)過程,收到了良好效果。在新員工培訓(xùn)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(shè)計(jì)技術(shù)及施工過程的理解能力。4.6基礎(chǔ)族系統(tǒng)從常規(guī)的2D設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為BIM設(shè)計(jì),需要一個(gè)長期的過程。以往在2D狀態(tài)下的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件以及管理系統(tǒng),都要逐步進(jìn)行過渡。部分已經(jīng)完成或正在進(jìn)行的研發(fā)項(xiàng)目如下:(1)基于Revit族的隧道模型拼裝系統(tǒng):以Revit族為基本單元,通過路徑設(shè)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(shí)克服了用基礎(chǔ)族在曲線上拼裝產(chǎn)生的問題(見圖7)。(2)BIM族庫管理系統(tǒng):對各專業(yè)基礎(chǔ)族庫分權(quán)限、分角色進(jìn)行管理,保證族庫內(nèi)容的有效性和動態(tài)管理(見圖8)。(3)基于BIM的鐵路空間信息系統(tǒng):以GIS為基礎(chǔ),對BIM進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)全線各工程的整體管理,為運(yùn)營提供管理手段(見圖9)。5付標(biāo)準(zhǔn)研究的主要內(nèi)容目前,BIM在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用主要以設(shè)計(jì)過程和施工過程為主。就這兩個(gè)環(huán)節(jié)而言,交付標(biāo)準(zhǔn)依然是最為迫切的研究內(nèi)容。盡管BIM在應(yīng)用推廣過程中還存在諸多問題與困難,例如基礎(chǔ)平臺的不完善、地質(zhì)信息與模型的互動、地理信息與海量數(shù)據(jù)的處理等,但隨著中國鐵路總公司和中國鐵路BIM聯(lián)盟強(qiáng)有力地推動,BIM的推廣應(yīng)用一定具有