新建成都至达州至万州铁路桥梁BIM协同设计.pdf

21 段熙宾,王冰峰,杜小智,等.轨道交通 BIM 协同设计平台的设计与实现J.铁道标准设计,2020,64(3):60-64.DUAN Xibin,WANG Bingfeng,DU Xiaozhi,et al.Design and Im-plementation of BIM Collaborative Design Platform for Rail TransitJ.Railway Standard Design,2020,64(3):60-64.22 马少雄,李昌宁,徐宏,等.基于 BIM 的铁路隧道工程施工协同管理平台研究J.铁道标准设计,2021,65(8):113-117.MA Shaoxiong,LI Changning,XU Hong,et al.Research on Collabo-rative Management Platform for Railway Tunnel Construction Based on BIMJ.Railway Standard Design,2021,65(8):113-117.23 李纯,张忠良.基于 BIM 标准体系的铁路协同设计体系研究J.铁道勘察,2020,46(1):95-102.LI Chun,ZHANG Zhongliang.Research on Railway Collaborative Design System Based on BIM Technical Standard SystemJ.Railway Investigation and Surveying,2020,46(1):95-102.24 张世基,罗天靖,王珅.基于信息模型的铁路桥梁协同设计研究与实践J.铁道标准设计,2023,67(2):66-71.ZHANG Shiji,LUO Tianjing,WANG Shen.The Research and Ap-plication of Collaborative Design of Railway Bridges Based on BIM TechnologyJ.Railway Standard Design,2023,67(2):66-71.25 倪苇.基于 GIS+BIM 的西十高铁设计成果综合应用平台研究J.铁道标准设计,2022,66(1):13-16,25.NI Wei.Research on Comprehensive Application Platform of Design Achievements of Xian-Shiyan High-speed Railway Based on GIS+BIMJ.Railway Standard Design,2022,66(1):13-16,25.26 孙嵘.京张高铁 GIS 地理信息系统构建研究J.铁道勘察,2020,46(1):7-11,48.SUN Rong.Research on the Construction of Geographic Information System of Beijing-Zhangjiakou High-speed RailwayJ.Railway In-vestigation and Surveying,2020,46(1):7-11,48.收稿日期:20230531;修回日期:20230705基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发课题(BIM-研2021-1,数字-研 2022-2)作者简介:王 珅(1992),男,工程师,2018 年毕业于北京航空航天大学土木工程专业,工学硕士,主要从事桥梁设计研究工作,E-mail:wangshencec 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10014807新建成都至达州至万州铁路桥梁 BIM 协同设计王 珅,罗天靖,彭岚平,张夫健,郑 辉(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:铁路桥梁设计具有环境关联性强、协作专业多、接口复杂等特性,设计时需要与多个专业主体密切配合,在开展三维设计过程中,需重视协同设计的理念。依托新建成都至达州至万州高速铁路,在桥梁三维设计过程中,使用自主研发的桥梁数字化设计软件,通过协同平台进行流程管理,对新建成达万高速铁路桥梁进行 BIM 建模。搭建基础、桥墩、简支梁、连续梁、涵洞等常规构件库作为模板,根据桥梁设计过程中数据的识别与转换,快速批量导出常规桥梁模型,对特殊结构如斜拉桥、桥梁挡墙防护等通过手动建模方式实现。结合地形地物以及其他专业模型,对设计成果进行三维可视化检查,直观地暴露桥梁与周边环境及其他专业的接口问题,减少施工图纸中错漏现象的发生,降低了工程风险。通过构建数字资产管理平台,为施工管理与运营维护提供数字化信息管理服务,在施工方案三维模拟过程中加入关键技术动态展示,优化施工组织的合理性,构建智慧施工平台,为施工调查、征地拆迁、动态展示等提供数据支撑。在传统三维模型仅展示漫游功能的基础上,探索三维设计在管理运维中的拓展应用,为高速铁路桥梁 BIM 协同设计思路提供经验。关键词:铁路桥梁;BIM 协同设计;信息交互;信息模型;技术应用中图分类号:U24;U448.13 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202305310004BIM Collaborative Design for the Newly-built Chengdu-Dazhou-Wanzhou Railway BridgesWANG Shen,LUO Tianjing,PENG Lanping,ZHANG Fujian,ZHENG Hui(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:The design of railway bridges has the characteristics of strong environmental correlation,multiple collaborative specialties,and complex interfaces.When designing,it is necessary to closely cooperate with multiple professional entities.Therefore,in the process of three-dimensional design,the concept of collaborative design should be addressed.This article relies on the construction of the newly-built Chengdu-Dazhou-Wanzhou Railway,and uses the self-developed bridge digital design software in the process of three-dimensional bridge design to conduct process management through the collaborative platform.BIM modeling is conducted for the new Chengdu-Dazhou-Wanzhou railway bridge.The conventional components such as foundations,piers,simply supported beams,continuous beams and culverts are taken as templates to quickly export conventional bridge models in batches based on the identification and conversion of data during the bridge design process.Manual modeling methods are used to achieve the special structures such as cable-stayed bridges and bridge retaining wall protection.By combining terrain features and the models of other fields,three-dimensional visualization inspection of the design results is carried out,which intuitively exposes the interface issues between the bridge and the surrounding environment and other professions,and reduces the occurrence of errors and omissions in construction drawings and engineering risks.By building a digital asset management platform,digital information management services are provided for construction management and operation maintenance.Key technology dynamic displays are added to the three-dimensional simulation process of construction plans,the rationality of construction organization is optimized and a smart construction platform is built to provide data support for construction surveys,land acquisition and demolition,dynamic displays,etc.On the basis of traditional 3D models that only display roaming functions,the expanded application of 3D design in management,operation and maintenance is explored.This article also provides experiences for BIM collaborative design ideas for high-speed railway bridges.Key words:railway bridge;BIM collaborative design;information exchange;information model;technology application引言近年来,BIM(Buiding Information Model)技术已广泛应用于民用建筑、工业厂房、地铁隧道等领域,铁路行业 BIM 应用起步较晚。随着国家铁路局发布铁路工程信息模型统一标准,明确基于信息模型的铁路数字工程应用模式和基本规则,铁路 BIM 联盟通过发布标准,逐渐形成了铁路 BIM 标准体系,越来越多的铁路项目也开始应用 BIM 技术1-4。在项目应用研究与探索方面,李红学等5通过分析桥梁工程设计和施工的特点及其存在问题,提出了基于 BIM 的桥梁工程设计和施工优化解决方案,提高了桥梁工程设计和施工效率。刘智敏6通过 BIM 技术对公路桥梁在设计阶段的应用进行研究,完成了项目建模、设计检查、工程量清算、生成二维施工图及施工模拟等工作,并对项目在桥梁族建库、出图模板设置及施工模拟等方面开展了研究。刘延宏7、陈洪春等8通过对 BIM 技术在铁路桥梁设计和建设管理中的应用中进行分析,研究构件库的建立方式,达到协同设计效果。段军9对桥梁工程全寿命周期内的 BIM 技术应用进行了研究。董耀文10通过剖析参数化设计的状况,结合部分参数化建模实例,讨论分析了参数化设计与 BIM 技术之间的关系。袁帅11利用 BIM 技术对山区铁路桥梁在施工阶段的施工组织应用进行研究。代春平12通过采用 BIM 和 GIS 技术,构建了工务设备全寿命周期管理系统,解决了数据孤岛等问题,实现了重载铁路工务的设备数字化。薛超13对 BIM 技术在铁路桥梁施工成本管理中的应用进行分析。赵峰14探索BIM 在桥梁健康监测中的研究,实现桥梁健康检测系统冗杂的数据可视化。齐成龙15研发了能够实现三维可视化的项目进度管理平台。铁路桥梁设计具有环境关联性强、协作专业多、接口复杂的特性,设计时需要与多个专业主体密切配合,故在开展三维设计的过程中,需重视协同设计的理念。董凤翔16结合 BIM 技术的优势及前期项目经验,对协同设计定义、标准应用分析、数据级定义分析等方面进行研究,提出数据级协同设计的实施流程。黄立新等17研发 BIM 平台系统,集成各专业设计成果,提供多专业协同设计模式,强化专业间协作。刘新华18研发了能够实现自动化、参数化和批量化的铁路桥梁BIM 模型快速创建平台。祝兵19基于 CATIA 软件提出能够实现参数化建模的方法。史海欧20提出基于数据驱动的多专业正向协同设计技术。刘彦明21依托西安至十堰高速铁路,探究 BIM 正向设计的应用实践。中铁工程设计咨询集团有限公司在铁路行业内具941第 10 期王 珅,罗天靖,彭岚平,等新建成都至达州至万州铁路桥梁 BIM 协同设计有丰富的设计经验,近年来大力发展三维数字化建设,成立数字化中心。石鲁宁等22研发基于 BIM 技术实现涵洞一体化的应用软件。李纯23、罗天靖24、韩广晖等25依托京张高铁构建了统一数据框架的协同设计体系开发协同设计平台,可实现多专业的模型发布,此设计平台目前已经在兴保铁路、通苏嘉甬高速铁路、如通苏湖城际铁路等多个项目中应用。1 模型搭建新建成达万高速铁路达州南站(含)至遂宁站(不含)段新建正线 210.902 km,桥梁 237 座,桥梁长度102.038 km,桥梁占比 48.4%;万州北站(含)至达州南站(不含)段新建正线 89.783 km,桥梁 59 座,桥梁长度 21.509 km,桥梁占比 24.0%。全线桥梁数量多,应用传统模式建模工作量极大。为应对设计周期紧张、项目复杂的情况,必须提高工作效率,使用自主研发的桥梁数字化设计软件,通过协同平台进行管理,对新建成达万高速铁路桥梁进行 BIM 建模。创建基础、桥墩、简支梁、连续梁、涵洞等构件库作为模板,根据桥梁设计过程中数据的识别与转换,快速批量导出标准跨度桥梁模型,对特殊结构如斜拉桥、桥梁挡墙防护等通过手动建模方式实现。1.1 标准跨度桥梁建模通过自主设计研发的桥梁数字化设计软件,获取二维设计过程中桥梁里程、孔跨布置、墩型墩高、基础选型、桥台类型等相关数据信息,导出含有桥梁基本信息的数据文件,形成统一的数据库。识别线路专业提供的含有平纵信息的三维线位,结合导出的桥梁数据文件,自动生成标准跨度桥梁模型。标准简支梁跨度工点模型见图 1,连续梁跨度工点模型见图 2。图 1 标准简支梁跨度工点模型Fig.1 Standard simply supported beam model此过程中可实现梁库、墩库、基础库、桥台库等构件库的调用与存储,对统一本线桥梁墩、台、梁、基础等设计相关参数与指标,提供更直观、便捷的数据支持。1.2 斜拉桥建模渠江特大桥、南充嘉陵江特大桥、遂宁涪江特大桥3 处跨江斜拉桥为成达万高铁控制性工程,通过对二维设计中计算模型导入建模软件,再通过手动搭建的图 2 连续梁跨度工点模型Fig.2 Continuous beam model方式,结合图纸添加斜拉索、锚块、栏杆、电缆槽盖板、竖墙等构件,形成最终模型。此方法可以有效利用二维设计中已建成的模型,省去全部重新搭建斜拉桥的过程,提高建模效率。(1)渠江特大桥主桥全长为 557.5 m,计算跨度为(139+278+139)m。主梁采用变高预应力混凝土箱梁,主墩采用钢筋混凝土双肢薄壁墩,桥塔采用钢筋混凝土实心矩形截面,墩-塔-梁固结体系。渠江特大桥模型见图 3。图 3 渠江特大桥模型Fig.3 Model of Qujiang Bridge(2)南充嘉陵江特大桥主桥结构形式为(141+328+141)m 混合梁矮塔斜拉桥,主梁采用混合梁。主塔、主墩均采用混凝土结构。斜拉索在梁上张拉,斜拉索通过锚固齿块、钢锚箱与主梁连接。南充嘉陵江特大桥模型见图 4。(3)遂宁涪江特大桥主梁采用混合梁形式,全桥分为 3 段,中跨 257 m(不含靠近桥塔各 24 m)采用混凝土桥面板+槽形钢箱梁结合梁,其余两侧各 161 m 混凝土箱梁。遂宁涪江特大桥模型见图 5。上述 3 处跨江斜拉桥为新建成都至达州至万州铁路重点工程,通过对不同构件的分层建模处理,可以实现项目在设计阶段的可视化展示,提高施工图的设计051铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 4 南充嘉陵江特大桥模型Fig.4 Model of Jialingjiang Bridge图 5 遂宁涪江特大桥模型Fig.5 Model of Suining Fujiang Bridge质量与效率,同时也为后续施工方案的三维模拟提供模型数据。1.3 协同设计平台将已建立的桥梁模型协同路基、隧道、站场、航遥、轨道、接触网等其他专业模型共同上传至协同设计平台上,设计人员及项目负责人、项目主管总工通过登录个人账号即可通过查看沙盒发布的涵盖地形地貌的各专业的模型。平台可实现项目计划管理界面,统筹计划安排各专业完成项目的时间节点。还可实现各专业之间的校审、互提管理,加强协同设计。协同平台沙盒界面见图 6,协同平台计表管理界面见图 7。图 6 协同平台沙盒界面Fig.6 Sandbox interface of collaboration platform图 7 协同平台计表管理界面Fig.7 Management interface of collaboration platform2 接口核查核查相关接口和设计措施衔接问题时,桥梁专业核查出的接口问题包括桥梁承台高程设计不合理、路基(站内)排水沟与涵洞翼墙冲突、设计里程衔接问题、路桥边坡刷坡坡率不一致、涵洞设计不合理、隧道排水沟设计因未考虑桥墩位置而冲突等设计接口问题。对于排查出的接口问题,设计单位进行现场踏勘、实测核对,开展变更设计和出具设计联系单更正。核查的接口问题见图 8图 10。图 8 桥梁涵洞与路基水沟顺接问题Fig.8 Problem of connection between bridge culvert and roadbed citch图 9 路桥桩板墙设置不合理问题Fig.9 Unreasonable setting of pile plate wall for road and bridge在接口核查过程中,发现设计人员在项目设计时,往往局限于本专业的设计而忽视与其他专业之间的接口衔接,这也是二维设计容易产生的弊端。在三维设计中,各专业模型之间的位置冲突,更直观地暴露在设计人员面前,可有效提高对设计成果进行三维可视化检查,减少施工图纸中错漏现象的发生,降低了工程151第 10 期王 珅,罗天靖,彭岚平,等新建成都至达州至万州铁路桥梁 BIM 协同设计图 10 隧道排水沟与桥墩位置冲突问题Fig.10 Conflict between tunnel drainage ditch and bridge pier location风险。3 应用研究实现新建成达万高速铁路 BIM 建模后,通过构建数字资产管理平台、三维施工模拟、智慧施工平台,对项目的运维管理产生正向作用,也可对项目的施工措施产生优化。(1)数字资产管理平台基于 BIM 模型与结构化数字孪生信息,构建 GIS三维实景平台,融合电子沙盘系统,为施工管理与运营维护提供数字化信息管理服务。将核心设备的相关数据统一进行存储和管理,编制分类编码,直观展示桥梁模型、设计参数、检测数据、病害等相关信息,为运维管理部门提供了高效、便捷的数据服务。使用神经网络等技术对设备的状态进行评估与预测。根据展示的数据,实现分析设备状态的变化规律并制定养护以及维修决策。系统将进度计划与实际进度通过分屏浏览的方式对比分析,为用户提供了多种进度对比分析的方式。通过对比展示工程进度状态,将实际施工情况和计划进度通过模型进行进度复盘,对于工期滞后给予预警提示,作为进度管控以及工期奖惩依据,同时分析进度偏差原因及时进行资源调配,可实现项目精细化管理与实时完成投资情况。数字资产管理平台界面见图 11。(2)三维施工模拟通过对施工对象进行施工方案三维模拟,在模拟过程中加入关键技术动态展示。制作斜拉桥施工过程模拟视频,按照现场施工过程分步呈现筑岛基础施工、栈桥施工、节段施工、索塔施工张拉、钢混段施工等整体进度。制作施工辅助设施时,结合现场情况进行建模,按照施工单位的施工组织与施工方案进行,与现场情况严格对应。更为直观地辅助施工方案选择、论证、图 11 数字资产管理平台界面Fig.11 Digital asset management platform interface数据分析计算,能够杜绝方案错漏导致的施工错误,提高施工效率、识别环境风险源头、规避施工问题,提升专项施工方案的可实施性,优化施工组织的合理性。三维施工模拟展示见图 12。图 12 三维施工模拟优化施工组织合理性Fig.12Optimization of construction organization rationality through 3D construction simulation(3)智慧施工平台智慧施工平台基于 BIM 模型与结构化 BIM 数据信息,融合无人机倾斜摄影技术,构建自主研发 GIS 服务平台,提升工程环境倾斜摄影模型精度,实现电子沙盘系统,可为施工调查、征地拆迁、动态展示等提供数据支撑。智慧施工平台工作框架见图 13。智慧施工平台分为展示平台和业务数据平台两部分,展示平台主要展示进度、技术、物联监测等数据;业务数据平台主要展示劳务人员、安全质量、设备物资等业务数据信息。将业务系统和现场硬件设备集成至统一平台,数据通过图表直观呈现,实现数据多维度集成展示。平台集成系统,统一入口,数据形成可视化看板。为决策层或管理层提供项目的整体管理指标(设备、劳务、进度、安全、质量、经营、绿色施工等),监控项目关键目标执行情况及预期情况。智慧施工平台项目总览见图 14,智慧施工平台进度看板见图 15。251铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 13 智慧施工平台工作框架Fig.13 Smart construction platform work framework图 14 智慧施工平台项目总览Fig.14 Overview of smart construction platform projects图 15 智慧施工平台进度看板Fig.15 Smart construction platform progress dashboard4 结论本文依托新建成都至达州至万州高速铁路项目,阐述了 BIM 技术在铁路行业内的应用情况,得出主要结论如下。(1)针对传统建模模式中需要先手动搭建库文件以及按照图纸翻模的形式进行改善,使用自主研发的能够读取识别传统设计数据的桥梁数字化软件,快速生成桥梁 BIM 模型,形成了一套更高效的二维与三维BIM 设计之间转化的方法与模式,基于信息模型的铁路桥梁协同设计在新建成达万铁路项目中进行了应用,取得了良好的效果。(2)对设计成果进行三维可视化检查,直观地暴露桥梁与周边环境及其他专业的接口问题,将传统二维设计中考虑专业接口不全面的错漏问题进行修改以及现场变更,降低了工程风险。(3)在传统三维模型仅展示漫游功能的基础上,探索三维设计在管理运维中的拓展应用。通过构建数字资产管理平台,为施工管理与运营维护提供数字化信息管理服务,在施工方案三维模拟过程中加入关键技术动态展示,优化施工组织的合理性,构建智慧施工平台,为施工调查、征地拆迁、动态展示等提供数据支撑。参考文献:1 ISO:ISO 19650-1:Organization and Digitization of Information A-bout Buildings and Civil Engineering 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