铁路建设中的桥梁与隧道施工技术

铁路建设中的桥梁与隧道施工技术

2013年4月以来，随着中国铁路总公司在铁路建设领域推广俱乐部企业技术，中成铁路第一工程研究院（以下铁路学院）将西成线清凉山隧道与石沟中桥科研项目结合起来，逐步扩大了该项目的应用，为今后的建设奠定了基础。1桥互通工程模型建立的关组合BIM技术在铁一院的深入研究与应用始于2011年,尤其在站后四电工程方面,进行了较为超前的探索与尝试,取得了一些可供借鉴的成果。在此基础上,参考BIM在建筑、水电领域的应用情况,总结了设计阶段BIM应用的基本框架(见图1)。由图1可以看出,采用BIM技术后,从基础数据到模型建立是最为关键的环节,没有这个过程,其余的一切都是奢谈,这也是采用BIM技术后首先要解决的关键问题。设计的主要成果均以模型为基础,通过不同层面的模型属性及相关组合,获得不同的成果。这些成果主要分为如下几个方面:(1)分析:一是对模型的逻辑合理性进行分析,特别是模型的力学性质等,以保证建立的BIM模型能够满足规范规定的力学要求。主要分为动态和静态分析,需要结合目前常用的力学分析软件进行。二是基于模型各组成部分的空间分析,不出现差错漏碰等情况,彻底去除2D状态下难以发现的各种弊端,使设计主体更趋完善。三是基于模型的性能分析,如日照、雨量等分析。(2)出图:主要是指基于模型的二维图纸输出。由于目前尚无统一的三维交付标准,因此就图纸而言,可以通过BIM模型生成符合既有技术规范的图纸,作为基本的技术交付依据。通过模型也可直接形成3D格式的pdf文件,对模型进行轻量化处理,用于移动或便携设备,在施工过程中直接浏览查看。(3)数量:工程数量是设计过程中最为重要的内容之一。通过模型可以直接获得该工程不同部位的工程量以及工程总量,进而计算出准确的工程造价。(4)展示:主要分为大场景展示(把桥隧工程模型直接植入到建设场地的真实环境中,展示工程主体与环境的相容性以及与其他工程的相互关系)、工程主体展示(通过渲染和漫游,观察工程主体的整体状况或者某个局部)等。(5)模拟施工:设计阶段的模拟施工只是近似地模拟施工阶段的进度管理等情况,为施工组织提供基本的参考依据。(6)技术交底:基于模型的技术交底具有直观、易懂的特点,关键部位或者技术要点,可以通过模拟方式进行展示。(7)交流:基于模型的交流,将使建设方及各参建单位(设计单位、施工单位、监理单位)变得更加高效。2做好网络及网络的选择工作铁路设计企业从2D设计逐步转为BIM设计已是大势所趋,因此需要综合配置资源才能形成真正的设计能力。首先,领导层理念的转变及对BIM工作在战略层面的重视是推广应用中的关键。其次是组建具有专业技术经验和计算机应用能力的BIM设计团队,以项目为基础,形成设计、复核、校审、审定的工作流程,建立例会工作制度,定期对工作进行总结、交流,对任务进度进行追踪检查,讨论疑难问题,确定解决方案。再次是对网络及计算机软硬件的配备。对资源进行综合配置,以项目为基础,通过激励机制推进BIM应用工作,才能形成真正的BIM设计能力。软件平台的选择是开展BIM工作的基础。欧特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、达索系统(DassaultSystems)是市场上提供的主要BIM设计平台,其软件系统针对不同的领域,各有特点,也有各自的解决方案。目前,尚无专门针对铁路行业技术特点而研发的软件平台。参与铁路建设和管理的企业,对应用平台的选择,需要结合相关专业的特点,对适应性进行综合考察。而要提升BIM应用效率,基于应用软件平台的二次开发工作及研发工作都是必不可少的内容。为保证BIM应用工作的可持续发展,铁一院在上述工作的基础上,加大投入,把BIM课题分为基础研究、专题研究、综合研究、二次开发和业务建设5个方面,每个方面均针对不同的重点,进行全方位的研究,提升BIM应用的系统性。3bim技术应用的基础桥梁和隧道是铁路建设项目中较为重要的工程内容。铁一院结合中国铁路总公司清凉山隧道和十岔沟中桥科研项目,通过资源综合配置,强化BIM应用基础,特别是对BIM构件库建设与管理、设计模型的技术管理与质量管理等,形成了基本的工作流程,从而保证了模型质量,为基于模型的各项工作打下良好基础。BIM技术应用过程中,专业内部的协同、专业之间的协同是非常重要的内容。除了设计平台提供的基本协同方式外,还需要结合企业技术管理、质量管理、计划管理的平台来承载协同工作,才能提高BIM设计效率。作为设计企业,向施工企业进行BIM交付,是体现其成果并为基于BIM的施工过程奠定基础的关键环节。铁一院在这方面做了一些有益的尝试,相关交付标准也在制订之中。4技术保障，业务应用铁一院在BIM技术推广应用过程中,从规划层面、资源配置层面、团队建设层面及科技研发层面进行了系统部署,同时结合中国铁路总公司推动的科研项目,做了全方位的应用探索。4.1基础构件模型BIM构件库及基础模型是完成BIM设计工作的第一步,需要从设计、施工、运维各环节综合考虑建模原则。从设计的角度,构件需要考虑“最小功能单元、最小成本单元”,施工方面则要结合工艺工法考虑“最小施工单元、最小安装单元”。由基础构件完成的模型才能同时符合设计和施工的要求。部分构件和模型见图2。基础构件必须要有软件进行统一管理,使得创建过程符合统一的质量审核流程,保证创建的构件符合规范要求。4.2编码规则的建立根据族构件的系统性、兼容性、可扩充性、稳定性分类原则,对族构件的编码规则进行了研究,为使族编码具有唯一、简明、规范、便于检索的特点,经过多次讨论研究提出了编码规则,便于计算机进行统一管理。4.3交付模型的要求及模型格式经过和施工单位多次沟通、交流、研讨,在充分了解施工期间的模型应用需求和附属信息格式的基础上,研究了以“最小施工单元、最小安装单元”为基本构件,满足施工单位基于BIM模型进行的施工进度、质量、安全管理需求的交付标准。交付的模型必须满足如下需求:(1)能够进行3D查看、旋转、剖切、量测等,传递完整的几何信息及附加的设计信息(例如工程数量)等。(2)参与项目建设的单位能够在模型上增加新的属性信息。(3)各种信息能够方便读取,以供各方使用。(4)能够添加时间参数,形成4D模型,完成施工步骤演示,人工、机械等费用计算。(5)设计单位根据需要能够修改模型,如变更设计。(6)模型中附加的工程数量信息根据需要可由设计单位修改。在科研项目中,采用了Autodesk公司的NWC格式作为交付模型的基本格式。交付标准需要在实践基础上通过进一步研究来完成。图3为十岔沟中桥整体模型、清凉山隧道整体模型(包含1号、2号斜井模型)。4.4bim应用应用(1)方案的汇报展示。利用BIM模型可准确反映建筑物的情况,方便制作渲染图及漫游动画,形象生动地进行设计方案的汇报展示(见图4)。(2)二维出图、算量。在三维BIM模型的基础上研究提出二维图纸的解决方案。对模型在Revit中的剖切、标注、字体、工程数量统计、图框模板的定制进行了深入研究。目前已经能够快速生成桥梁、隧道专业的工程数量表及部分二维图纸。(3)施工过程及工法4D模拟。利用十岔沟中桥的BIM模型,在NavisWorks中导入施工步骤及计划工期信息,模拟桥梁的建造过程;以清凉山隧道中最复杂的施工方法——三台阶临时仰拱法为研究对象,完成了三台阶临时仰拱法的4D施工模拟。(4)地形模型应用。利用地形模型点击任意点自动标注径流方向、圈绘出汇流面积,大大简化外业的水文圈绘工作;利用地形模型能够简单方便地完成如桥台等放坡开挖,准确标识并计算出工程数量。(5)碰撞检查。建立了高速铁路12m宽桥梁结构和桥上附属结构BIM模型,通过碰撞检查,发现接触网下锚柱基础与声屏障干扰、拉线基础与桥梁遮板干扰,研究解决方案,编制《高速铁路12m梁宽桥上声屏障安装标准图》BIM模型,并以BIM模型进行技术交底(见图5)。(6)指导实习与培训工作。为某职业技术学院隧道实训基地开展关于隧道技术的BIM应用研究。隧道实训基地建筑长90m,宽32m,包括各种施工工法的开挖、支护、绑扎钢筋、架设钢架、安装模板、防水板安装、预埋件、拱墙仰拱混凝土浇筑、施工缝防水做法、监控量测、洞门施工、边坡防护等内容,采用BIM应用指导实习过程,收到了良好效果。在新员工培训过程中,通过BIM形象展示施工过程及场景,改变了以往文字加图片的说教方式,极大地提升了新员工对设计技术及施工过程的理解能力。4.6基础族系统从常规的2D设计转为BIM设计,需要一个长期的过程。以往在2D状态下的专业设计软件以及管理系统,都要逐步进行过渡。部分已经完成或正在进行的研发项目如下:(1)基于Revit族的隧道模型拼装系统:以Revit族为基本单元,通过路径设定和选定的基本族单元,自动拼装完成隧道整体模型,极大地提高了建模效率,同时克服了用基础族在曲线上拼装产生的问题(见图7)。(2)BIM族库管理系统:对各专业基础族库分权限、分角色进行管理,保证族库内容的有效性和动态管理(见图8)。(3)基于BIM的铁路空间信息系统:以GIS为基础,对BIM进行融合,实现全线各工程的整体管理,为运营提供管理手段(见图9)。5付标准研究的主要内容目前,BIM在铁路建设中的应用主要以设计过程和施工过程为主。就这两个环节而言,交付标准依然是最为迫切的研究内容。尽管BIM在应用推广过程中还存在诸多问题与困难,例如基础平台的不完善、地质信息与模型的互动、地理信息与海量数据的处理等,但随着中国铁路总公司和中国铁路BIM联盟强有力地推动,BIM的推广应用一定具有