基于BIM的黃黃高鐵無砟軌道智能建造創新應用

張杰, 馬彎

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430063）

0 引言

自2013年BIM技術引入我國鐵路工程行業以來[1］, 先后針對BIM標準制定、關鍵技術應用、軟件開發等進行了多項探索[2］, 并開展了鐵路工程設計、制造、施工、運維的全生命周期管理研究[3-7］。目前, BIM技術在寧淮高鐵、魯南高鐵、福廈鐵路等項目的軌道工程中進行了試點應用[8-9］, 但仍存在缺乏正向設計解決方案、設計成果難以在建造階段應用實施、設計與施工之間信息溝通效率低、建設單位對現場施工質量和進度的管控難度大等問題。為此, 結合新建黃岡—黃梅高速鐵路（簡稱黃黃高鐵）, 開展基于BIM的無砟軌道智能建造創新應用研究, 重點從無砟軌道BIM正向設計、設計施工一體化應用、軌道BIM建造管控平臺建立等3個層面進行論述, 旨在提高設計質量、提升管理時效性, 為無砟軌道智能建造創新應用提供思路。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

黃黃高鐵線路全長125.162 km, 設計時速350 km, 是《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京港（臺）通道”的重要組成部分。黃黃高鐵軌道工程主要采用雙塊式無砟軌道結構, 由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座等組成（見圖1）。無砟軌道作為高速鐵路的核心技術之一, 需達到高精度、高平順性、高穩定性。

圖1 雙塊式無砟軌道結構示意圖

1.2 重難點分析

在滿足列車運行時速350 km條件下, 黃黃高鐵無砟軌道建造主要面臨以下技術難題：

（1）專業間協同設計難度大。軌道工程跨越路基、橋梁、隧道, 線站路橋隧等各專業信息在設計、施工過程中頻繁變化, 傳統設計模式不能實現軌道設計的動態更新, 精準計算軌道段落布置和對應鋪設坐標耗費的時間、人力巨大, 難以滿足各專業高效協同。

（2）大跨度橋梁無砟軌道線型控制難度大。巴河特大橋為黃黃高鐵重點控制工程, 主橋為200 m矮塔斜拉橋, 受橋梁徐變、溫度變形、橋上荷載、風速等多種因素影響, 導致無砟軌道線型難以控制。

（3）隧道變形縫處軌道施工動態化管控難度大。隧道變形縫位置存在施工與設計不一致的情況, 雙塊式無砟軌道跨越變形縫布置會產生反射裂紋等問題, 傳統的藍圖施工模式, 軌道鋪設數據無法根據現場實際自動更新, 各階段、各單位之間的溝通、信息交流、追蹤比較困難, 無法實現軌道施工過程的動態化管控。

2 BIM設計與智能建造方案

2.1 總體方案

為實現軌道工程高精度、高平順性、高穩定性, 基于路基、橋梁、隧道等相關專業接口數據, 開展全線軌道工程精細化BIM正向設計, 形成底座、道床板、軌排等軌道三維模型以及標準化、數字化交付成果, 以數據交互方式實現專業間協同設計；結合黃黃高鐵軌道工程建造重難點, 融入信息化、智能化建造技術, 打通BIM設計成果與軌枕制造、現場施工信息化裝備的接口, 形成軌道設計、制造、施工一體化信息流, 通過多層分級鋪設調控技術, 指導軌道智能建造；建立軌道BIM建造管控平臺, 對現場實測數據進行智能分析, 實現數字資產管理、質量與精度管控, 提升軌道工程建造質量和效率, 實現建造質量的全面管控。

2.2 組織架構與環境配置

2.2.1 BIM團隊組織架構

根據項目總體策劃, 搭建BIM設計與建造應用團隊（見圖2）。其中, 集團公司副總工程師主要負責項目審查；技術中心專業工程師主要負責BIM標準制定、管理以及模型審核；BIM研發組分為BIM設計軟件研發與應用組、BIM施工裝備研發與應用組、BIM建造平臺研發與應用組, 主要負責開展本項目的BIM設計、施工研究與應用實施。

圖2 BIM設計與建造應用團隊組織架構

2.2.2軟硬件環境

為保障BIM應用順利開展, 應部署相應的軟硬件環境, 并開發軌道BIM設計軟件、信息化管理平臺、現場施工信息化裝備等（見圖3）。

3 正向設計

3.1 標準體系

針對黃黃高鐵項目制定BIM實施方案, 在鐵路BIM聯盟發布的團體標準T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數據存儲標準》（IFC）、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》（IFD）基礎上, 借鑒鐵路IFC軌道實體分解方法, 將軌道工程分為2種空間結構單元、4種組合件、16種構件和零件。

3.2 軌道構件建立

根據T/CRBIM 002—2014建立軌道構件模型并賦予唯一編碼。黃黃高鐵CRTS雙塊式無砟軌道的軌枕、扣件均為標準設計, 其外觀尺寸參數、配筋設計相同, 可采用常規的軌道構件族模型（見圖4）；橋梁地段道床板為分塊設計, 道床板、底座分塊長度一般為5～7 m, 可建立自適應族模型并進行參數化設計[10-11］（見圖5）。

圖4 軌道構件族模型

圖5 底座參數化設計

3.3 全線軌道BIM模型建立

3.3.1 軌道BIM信息屬性

根據平縱斷面、橋跨布置、隧道變形縫、沉降縫、車站道岔布置、信號轉轍機位置等各專業接口數據, 結合軌道布置、結構、超高等設計數據, 形成軌道BIM精細化屬性信息, 如底座和道床板各角點、鋼軌頂面、扣件螺栓孔的放樣測量和精調等坐標屬性信息（見圖6）, 以及IFD編碼、里程、軌道結構類型、體積、質量、材質、廠商等屬性信息。

圖6 軌道BIM精細化屬性信息（坐標屬性）

3.3.2 BIM三維實體模型

建立軌道BIM三維實體模型（見圖7）, 利用屬性信息驅動實現與線路、站場、路基、橋梁、隧道、信號等專業的協同設計, 可直接指導施工測量, 為施工階段數字化建造奠定基礎。

圖7 軌道BIM三維實體模型

3.4 碰撞檢測

集成路基、橋梁、隧道、軌道等全專業BIM模型, 開展模型之間的硬碰撞檢測, 如專業之間預留空間、模型重疊等；結合BIM屬性信息、規范信息、經驗信息等開展軟碰撞檢測, 如軌道結構高度、鋼軌伸縮調節器布置等9項專業接口碰撞檢測（見表1）。

表1 全線軌道BIM模型碰撞檢測

在黃黃高鐵項目中, 專業間典型碰撞檢測包括無砟軌道布置與梁縫的位置關系、鋼軌伸縮調節器布置與線路縱坡的關系等（見圖8）。

圖8 典型碰撞檢測

4 智能建造一體化技術

4.1 實施方案

以巴河特大橋無砟軌道線型控制為例, 在軌道施工過程中實測主梁線型變化, 并與線型理論計算對比, 建立BIM施工實時信息模型, 動態修正無砟軌道布板數據；采用軌道結構多層分級鋪設調控技術, 與現場施工信息化裝備進行數據交互, 指導無砟軌道智能建造。BIM技術指導現場施工示意見圖9。

圖9 BIM技術指導現場施工示意圖

4.2 線型控制技術

主梁合龍后預加載獲得橋面荷載與索力及BIM模型信息的精確對應關系, 對主梁線型進行系統性調整, 根據實測的梁面標高、梁縫里程等, 修正BIM模型參數；修正后, 通過手薄指揮全站儀對底座的4個邊角點進行自動放樣定位, 實測梁面高程并與BIM模型對比, 利用底座調整厚度, 消除主梁局部線型誤差；確定底座立模高度后, 采用信息化裝備進行模板順鋪、頂面標高控制；軌排粗鋪前, 實測底座頂面高程并與BIM模型對比, 及時發現并修正施工偏差, 指導軌排粗鋪；通過采集軌道幾何形位數據, 計算實測數據與鋼軌精調數據的偏差, 利用扣件對鋼軌線型進行調整, 解決隧道變形縫處軌道建造動態化管控難題。軌道結構多層分級鋪設調控流程見圖10。

圖10 軌道結構多層分級鋪設調控流程

4.3 研發和升級成套智能裝備

4.3.1 雙塊式軌枕智能制造

由中鐵三局集團線橋工程有限公司蘄春軌枕廠承擔并完成雙塊式軌枕智能制造。通過在軌枕表面智能噴涂二維碼、串碼, 可實現軌枕精準定位、現場定點定位檢查、無砟軌道設計施工數據互通。通過掃描二維碼, 可進入信息輸入模塊, 完成施工信息輸入。在設計階段, 由設計、線下專業變更引起的軌道設計更新, 可在BIM模型中同步更新；在施工階段, 由施工單位在設計模型中添加詳細的施工信息, 逐步形成施工模型。

4.3.2 數據實時采集裝備

完成多種數據實時采集裝備的研發, 如信息化手簿、全站儀二次開發、信息化軌檢小車等, 并完成巴河特大橋梁面高程、底座與軌排鋪設坐標、鋼軌精調數據等施工數據采集。

信息化手簿的研發實現了全站儀遠程無線操控、測量偏差實時預警, 并利用4G/5G傳輸網絡實時傳輸測量結果；信息化軌檢小車通過采集長鋼軌鋪設后的軌道幾何數據, 利用擬合計算和優化算法, 自動計算鋼軌精調量, 生成扣件精調件配置方案。

4.3.3 現場施工信息化裝備

完成多種現場施工信息化裝備研發, 如底座板混凝土一體成型機、自動分枕平臺、軌排鋪裝機、軌排精調機等, 與信息化手簿中的數據（BIM模型數據）進行配對互聯, 可指導現場施工。

5 軌道BIM智能建造管控平臺

以全線軌道BIM三維實體模型、屬性信息、施工過程數據信息為核心, 建立“無砟軌道設計建造信息化系統”（見圖11）。通過軌道BIM設計模型與施工實時信息模型智能對比分析, 實現施工質量和進度管控、預警預報、施工標段經驗分析等。

圖11 無砟軌道設計建造信息化系統

5.1 質量管控

針對軌道工程質量管控, 通過實時獲取底座、道床板放樣時手簿上傳的4個角點的實測標高, 利用BIM設計成果, 實時對比分析, 自動計算底座、道床板范圍內的基礎高程偏差。若線下基礎結構標高誤差過大, 則進行預警, 防止底座板澆筑后出現厚度或標高不足問題。

針對黃黃高鐵隧道內變形縫處道床板裂紋問題, 通過實測變形縫里程, 將數據上傳至管控平臺, 動態更新軌道BIM設計模型, 在變形縫處斷開道床板, 實現隧道變形縫處軌道施工質量動態化管控。

5.2 進度管控

全線軌道工程按照工點級、分部級、標段級的施工進度管控, 通過自動收集施工進度信息, 與BIM模型動態鏈接, 實現形象化進度控制圖表達。

5.3 預警管控

通過限差管理、預警值設置、預警提醒, 實現超限數據的分析統計, 針對不同工序精度要求, 通過紅、黃等不同顏色進行分級預警, 并以短信方式推送給相關人員（見圖12）。

圖12 預警管控

6 結論

基于BIM的黃黃高鐵無砟軌道智能建造創新應用, 可作為我國鐵路軌道BIM技術應用示范工程, 具有顯著的技術經濟性和工程示范效應, 對推動雙塊式無砟軌道智能建造具有重要意義：

（1）基于Autodesk Revit平臺自主研發軌道BIM設計軟件, 實現高度自動化BIM建模, 自動生成底座、道床板、軌排等施工所需的軌道三維模型和標準化數字化交付成果；根據實測梁長、梁縫寬度、路基長度等信息, 結合線下基礎高程、底座板高程等分層測量數據, 及時動態精準計算軌道段落布置和對應鋪設坐標, 實現軌道工程與專業接口的協同設計；通過路橋隧與軌道結構標高碰撞檢測、軌道結構過渡段與下部基礎過渡段位置碰撞檢測等, 實現動態優化設計, 極大地提高設計質量。

（2）系統性提出“設計施工一體化”軌道工程BIM實施路徑, 并研發信息化手簿、軌檢小車等施工信息交互裝備和軟件, 打通軌道設計與雙塊式軌枕智能制造、底座板混凝土一體成型機、自動分枕平臺、精調機等施工裝備之間的數據連接, 實現軌道工程建造的高效協同；應用遠程控制手簿, 實現了以設計數據為驅動的自動化施工測量, 測量控制、放樣調整的效率提升50%以上。

（3）建立“無砟軌道設計建造信息化系統”, 實現施工全過程的信息化、智能化管控, 對全線軌道BIM數字資產管理, 實現軌道底座厚度、道床板厚度、頂面標高等預警管控, 建設、設計、施工、監理等單位可及時獲得現場施工信息, 有效避免廢棄工程和施工返工。以大數據為抓手, 實現信息化、精細化管理, 大大提升管理的時效性和空間覆蓋度, 從而提升管理力度、控制管理成本。