基于BIM的鐵路封閉式路塹設(shè)計研究

李琬荻

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 土建工程設(shè)計研究院，天津 300308）

以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）為核心，綜合應(yīng)用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)，與先進的工程建造技術(shù)相融合的智能建造，是未來鐵路工程建造的發(fā)展方向[1]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，工程更加復(fù)雜，需進一步基于BIM技術(shù)開展積極探索，并統(tǒng)籌考慮鐵路工程全生命周期[2]。近年來，高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展，封閉式路塹在鐵路和地鐵中得到廣泛應(yīng)用[3]，從地下隧道爬升至地面的過渡段，采用封閉式路塹，其結(jié)構(gòu)剛度大、穩(wěn)定性高、防水性能好的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。市政道路封閉式路塹側(cè)墻三腳架施工管理中廣泛運用了BIM技術(shù)[4]，而鐵路封閉式路塹設(shè)計項目中BIM技術(shù)的應(yīng)用較少。本文采用中國鐵路設(shè)計集團有限公司既有的鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺，結(jié)合鐵路項目，從設(shè)計流程、深化設(shè)計等方面，開展基于BIM的鐵路封閉式路塹（簡稱：封閉式路塹）設(shè)計研究。

1 封閉式路塹BIM設(shè)計概述

1.1 設(shè)計內(nèi)容

地下隧道與地上路基或橋梁連接段采用封閉式路塹通過。封閉式路塹主要設(shè)計內(nèi)容包括：主體結(jié)構(gòu)、填土護道、基坑開挖、地基處理等。

1.1.1 主體結(jié)構(gòu)

封閉式路塹采用防水鋼筋混凝土，于封閉式路塹結(jié)構(gòu)底板上部設(shè)置基床及防水封閉層，底板以下設(shè)置混凝土墊層。封閉式路塹沿線路方向設(shè)置伸縮縫，縫寬為0.02 m，間距一般為18 m。一般封閉式路塹頂部設(shè)防水雨棚，雨棚與封閉式路塹有2種結(jié)合形式，因此，封閉式路塹除一般U型斷面形式外，在與雨棚結(jié)合處會進行特殊處理：雨棚柱基礎(chǔ)與封閉式路塹邊墻相結(jié)合，即邊墻局部加寬，雨棚柱布置在雨棚柱基礎(chǔ)上；整體式框架結(jié)構(gòu)與封閉式路塹底板相結(jié)合，取消邊墻。

1.1.2 填土護道

邊墻外側(cè)設(shè)填土護道，邊坡坡率為1 : 1.5，壓實度同回填土壓實標(biāo)準(zhǔn)，并采用正六邊形空心塊植草防護。

1.1.3 基坑開挖

基坑一般采用放坡開挖，挖坡率為1:1～1:1.5。開挖應(yīng)采用分層開挖、分層防護，分層厚度不得大于2 m，及時做好基坑變形觀測工作；開挖至距坑底300 mm時應(yīng)由人工開挖、找平并對坑底進行及時封閉[5]；基坑開挖前應(yīng)設(shè)置地表臨時排水溝，開挖過程中采用明排水方式抽排基坑內(nèi)積水。

1.1.4 地基處理

基礎(chǔ)底部一般采用螺桿樁、水泥粉煤灰碎石（CFG，Cement Fly-ash Gravel）樁處理，正方形布置，不設(shè)樁帽，樁頂設(shè)碎石墊層。或采用鉆孔灌注樁處理，正方形布置，樁頂鋼筋伸入封閉式路塹底板內(nèi)，與底板混凝土澆筑一起。鐵路封閉式路塹模型，如圖1所示。

圖1 封閉式路塹模型

1.2 設(shè)計流程

在既有鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺的協(xié)同設(shè)計空間下，參考線路專業(yè)空間線位，以及測繪專業(yè)三維地形、地質(zhì)專業(yè)地質(zhì)體現(xiàn)狀模型，以此為設(shè)計上序，開展封閉式路塹BIM設(shè)計。根據(jù)封閉式路塹起終點里程、分節(jié)長度進行骨架設(shè)計，通過模板實例化結(jié)構(gòu)主體、雨棚柱基礎(chǔ)、側(cè)溝、電纜槽、墊層、邊坡、地基處理、排水溝等模型。在主體模型的基礎(chǔ)上開展深化設(shè)計和綜合碰撞檢查。利用封閉式路塹模型及其附屬信息開展電子沙盤、施工仿真和三維可視化交底等應(yīng)用。封閉式路塹BIM設(shè)計流程，如圖2所示。

圖2 封閉式路塹BIM設(shè)計流程

2 封閉式路塹BIM設(shè)計

2.1 搭建BIM協(xié)同設(shè)計空間

在開展BIM設(shè)計前需要搭建協(xié)同設(shè)計空間，方便各專業(yè)在同一平臺開展正向協(xié)同設(shè)計工作，并基于協(xié)作機制進行權(quán)限管理。本文協(xié)同設(shè)計空間搭建流程為：

（1）在既有鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺創(chuàng)建項目空間，避免與其他項目相互干擾；

（2）創(chuàng)建各專業(yè)節(jié)點，如圖3（a）所示；

（3）各專業(yè)以線路總骨架為基礎(chǔ)建立工程骨架，承載結(jié)構(gòu)化信息的傳遞，隨協(xié)同設(shè)計過程成長，依據(jù)專業(yè)骨架、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件、參數(shù)化模板、專業(yè)軟件等生成模型的工程結(jié)構(gòu)樹，如圖3（b）所示，滿足設(shè)計應(yīng)用粒度。

圖3 BIM協(xié)同設(shè)計樹狀組織結(jié)構(gòu)

這種樹狀組織結(jié)構(gòu)可以使本專業(yè)既可以查看其他專業(yè)模型，又避免對其他專業(yè)模型進行誤操作，實現(xiàn)各個專業(yè)間在設(shè)計過程中的實時交流配合，提高專業(yè)間設(shè)計效率，有效減少信息溝通不暢導(dǎo)致的設(shè)計錯誤，更加高效地把控項目設(shè)計的進度和質(zhì)量[6]。

2.2 骨架設(shè)計

骨架設(shè)計環(huán)節(jié)包括：

（1） 由線路專業(yè)建立線路空間曲線，即總骨架模型；

（2） 各專業(yè)以線路總骨架為基礎(chǔ)建立各工點控制點、線、面元素，完成整個工程的框架設(shè)計，確定各專業(yè)工程接口。

在工點范圍內(nèi)以線路空間曲線為輸入條件，以工點起點與線路起點距離、主體結(jié)構(gòu)分節(jié)長度、伸縮縫長度為參數(shù)，進行封閉式路塹骨架設(shè)計，生成骨架線。

2.3 模板創(chuàng)建

封閉式路塹工程模板創(chuàng)建的基本思路是以標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為基礎(chǔ)繪制草圖，定義幾何參數(shù)，用編程語言調(diào)用Excel，讀取表中參數(shù)并給模型賦值，添加屬性信息[7]。

以混凝土主體結(jié)構(gòu)為例，在草圖中繪制標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，如圖4所示。定義線間距、軌道結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)主體邊墻高度、頂寬、內(nèi)外側(cè)角度、底板厚度和外延長度等幾何參數(shù)，編制參數(shù)表格，表頭與橫斷面參數(shù)一一對應(yīng)；編寫企業(yè)知識語言（EKL，Enterprise Knowledge Language）腳本語言，以骨架線為輸入條件，調(diào)用參數(shù)表，輸出為封閉式路塹橫斷面沿空間線位掃掠生成的主體結(jié)構(gòu)；對模型進行屬性信息添加，制作成工程模板。

圖4 混凝土主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

基床、防水封閉層、側(cè)溝、電纜槽、墊層、邊坡、地基處理、排水溝等，均運用上述原理，定義相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建模板。在模板制作過程中通過定義起終點參數(shù)可以實現(xiàn)變截面建模。

2.4 模型實例化

調(diào)用封閉式路塹工程模板進行實例化，按封閉式路塹設(shè)計尺寸填寫參數(shù)表，替換模板中原始參數(shù)表，執(zhí)行EKL腳本語言，調(diào)用替換好的Excel表格，依次循環(huán)讀取表內(nèi)設(shè)計參數(shù)、細部尺寸等給模型賦值，在骨架線基礎(chǔ)上批量實例化各種類型構(gòu)件，從而完成BIM建模。

圖5是通過編輯不同參數(shù)表格進行模型實例化，體現(xiàn)封閉式路塹與雨棚兩種連接形式的模型。圖5（a）為雨棚立柱設(shè)于封閉式路塹邊墻上，雨棚柱腳與U型封閉結(jié)構(gòu)邊墻連接處設(shè)置立柱，通過分段調(diào)整邊墻頂寬，使邊墻局部加寬實現(xiàn)；圖5（b）為整體式框架結(jié)構(gòu)與封閉式路塹底板相結(jié)合，設(shè)置邊墻外側(cè)角度和邊墻內(nèi)側(cè)角度均為90°，取消邊墻結(jié)構(gòu)，建筑整體式框架結(jié)構(gòu)設(shè)置在兩側(cè)矩形電纜槽和排水溝外側(cè)。

圖5 雨棚與封閉式路塹結(jié)合形式

3 BIM深化設(shè)計

各專業(yè)在同一平臺下進行全三維精細化的高度協(xié)調(diào)設(shè)計工作，提高了設(shè)計工作完整度和模型信息的精細度，減少設(shè)計盲區(qū)[8]；通過施工圖設(shè)計團隊與BIM團隊對接形成優(yōu)化調(diào)整意見，并協(xié)調(diào)相關(guān)專業(yè)完成正向優(yōu)化及深化設(shè)計。

3.1 封閉式路塹與隧道、橋梁接口的深化設(shè)計

路基電纜槽應(yīng)與橋梁、隧道地段電纜槽平順連接，電力電纜槽與通信、信號電纜槽分槽設(shè)置。封閉式路塹與隧道側(cè)溝、電纜槽連接有2種形式：

（1）當(dāng)封閉式路塹與隧道兩側(cè)電纜槽和側(cè)溝是等截面時，采用同截面形式標(biāo)高順接過渡，如圖6（a）所示；

（2）當(dāng)封閉式路塹與隧道截面形式不同時，采用路塹與隧道電纜井對接過渡，如圖6（b）所示。

圖6 封閉式路塹與隧道側(cè)溝、電纜槽連接形式

對封閉式路塹邊墻與橋臺銜接處進行深化設(shè)計，封閉式路塹垂直線路方向設(shè)置堵頭墻與橋臺相接，堵頭墻形式與邊墻保持一致，橋臺處取消椎體，如圖7所示。

圖7 封閉式路塹與橋臺銜接

3.2 鋼筋深化設(shè)計及綜合碰撞檢查

對封閉式路塹與雨棚柱基礎(chǔ)鋼筋進行深化設(shè)計，通過創(chuàng)建干涉模擬，對繪制好的鋼筋和雨棚柱預(yù)埋件進行碰撞檢查。

（1） 雨棚柱基礎(chǔ)拉結(jié)筋與預(yù)埋件的碰撞檢查，如圖8（a）所示。該處碰撞并非設(shè)計性碰撞，不會影響預(yù)埋件位置的準(zhǔn)確性，適當(dāng)調(diào)整拉結(jié)筋的位置即可，建議柱基礎(chǔ)頂面第1層和第2層的拉結(jié)筋位置向封閉式路塹內(nèi)側(cè)移動2 cm。

（2） 雨棚柱基礎(chǔ)鋼筋彎鉤與預(yù)埋件的碰撞檢查，如圖8（b）所示。該處碰撞是彎鉤方向與預(yù)埋件發(fā)生碰撞，實際施工中不會影響預(yù)埋件的位置，彎鉤朝向可做適當(dāng)調(diào)整，建議該位置（柱基礎(chǔ)外側(cè)）的鋼筋彎鉤朝向統(tǒng)一向一側(cè)旋轉(zhuǎn)10°。

圖8 鋼筋綜合碰撞檢查

通過綜合碰撞檢查可知：封閉式路塹主體鋼筋之間不存在鋼筋碰撞，按圖施工不會影響施工質(zhì)量和進度；雨棚柱基礎(chǔ)鋼筋與雨棚柱腳預(yù)埋件出現(xiàn)碰撞時，需在施工過程中進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4 結(jié)束語

本文基于既有的鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺，設(shè)計了基于BIM技術(shù)的鐵路封閉式路塹，通過創(chuàng)建參數(shù)化模板，實例化三維模型，對鋼筋、跨專業(yè)接口等進行BIM深化設(shè)計。該設(shè)計方法在天津—北京大興國際機場鐵路二期工程、雄安新區(qū)—忻州高速鐵路雄安新區(qū)地下段工程、上海—南京—合肥高速鐵路等項目的封閉式路塹設(shè)計中得到應(yīng)用，輔助施工圖設(shè)計，有效減少了設(shè)計盲區(qū)及專業(yè)間的錯漏碰缺，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，可為其他鐵路封閉式路塹工程的設(shè)計提供參考。

后期將進一步探索參數(shù)化設(shè)計，結(jié)合工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（EBS，Engineering Breakdown Structure）對封閉式路塹模板進行改進，優(yōu)化模型層級結(jié)構(gòu)，進一步提高設(shè)計建模效率，利用三維模型指導(dǎo)出圖等，逐步實現(xiàn)正向設(shè)計。