基于BIM的鐵路封閉式路塹設計研究

李琬荻

（中國鐵路設計集團有限公司 土建工程設計研究院，天津 300308）

以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+地理信息系統（GIS，Geographic Information System）為核心，綜合應用移動互聯網、物聯網、大數據、云計算等信息技術，與先進的工程建造技術相融合的智能建造，是未來鐵路工程建造的發展方向[1]。隨著信息技術的不斷發展，工程更加復雜，需進一步基于BIM技術開展積極探索，并統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展，封閉式路塹在鐵路和地鐵中得到廣泛應用[3]，從地下隧道爬升至地面的過渡段，采用封閉式路塹，其結構剛度大、穩定性高、防水性能好的優勢得以體現。市政道路封閉式路塹側墻三腳架施工管理中廣泛運用了BIM技術[4]，而鐵路封閉式路塹設計項目中BIM技術的應用較少。本文采用中國鐵路設計集團有限公司既有的鐵路工程BIM協同設計平臺，結合鐵路項目，從設計流程、深化設計等方面，開展基于BIM的鐵路封閉式路塹（簡稱：封閉式路塹）設計研究。

1 封閉式路塹BIM設計概述

1.1 設計內容

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

1.1.1 主體結構

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

1.1.2 填土護道

邊墻外側設填土護道，邊坡坡率為1 : 1.5，壓實度同回填土壓實標準，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時應由人工開挖、找平并對坑底進行及時封閉[5]；基坑開挖前應設置地表臨時排水溝，開挖過程中采用明排水方式抽排基坑內積水。

1.1.4 地基處理

基礎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，不設樁帽，樁頂設碎石墊層。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，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 設計流程

在既有鐵路工程BIM協同設計平臺的協同設計空間下，參考線路專業空間線位，以及測繪專業三維地形、地質專業地質體現狀模型，以此為設計上序，開展封閉式路塹BIM設計。根據封閉式路塹起終點里程、分節長度進行骨架設計，通過模板實例化結構主體、雨棚柱基礎、側溝、電纜槽、墊層、邊坡、地基處理、排水溝等模型。在主體模型的基礎上開展深化設計和綜合碰撞檢查。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用。封閉式路塹BIM設計流程，如圖2所示。

圖2 封閉式路塹BIM設計流程

2 封閉式路塹BIM設計

2.1 搭建BIM協同設計空間

在開展BIM設計前需要搭建協同設計空間，方便各專業在同一平臺開展正向協同設計工作，并基于協作機制進行權限管理。本文協同設計空間搭建流程為：

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

（2）創建各專業節點，如圖3（a）所示；

（3）各專業以線路總骨架為基礎建立工程骨架，承載結構化信息的傳遞，隨協同設計過程成長，依據專業骨架、標準構件、參數化模板、專業軟件等生成模型的工程結構樹，如圖3（b）所示，滿足設計應用粒度。

圖3 BIM協同設計樹狀組織結構

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

2.2 骨架設計

骨架設計環節包括：

（1） 由線路專業建立線路空間曲線，即總骨架模型；

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

在工點范圍內以線路空間曲線為輸入條件，以工點起點與線路起點距離、主體結構分節長度、伸縮縫長度為參數，進行封閉式路塹骨架設計，生成骨架線。

2.3 模板創建

封閉式路塹工程模板創建的基本思路是以標準橫斷面為基礎繪制草圖，定義幾何參數，用編程語言調用Excel，讀取表中參數并給模型賦值，添加屬性信息[7]。

以混凝土主體結構為例，在草圖中繪制標準橫斷面，如圖4所示。定義線間距、軌道結構高度、結構主體邊墻高度、頂寬、內外側角度、底板厚度和外延長度等幾何參數，編制參數表格，表頭與橫斷面參數一一對應；編寫企業知識語言（EKL，Enterprise Knowledge Language）腳本語言，以骨架線為輸入條件，調用參數表，輸出為封閉式路塹橫斷面沿空間線位掃掠生成的主體結構；對模型進行屬性信息添加，制作成工程模板。

圖4 混凝土主體結構標準橫斷面

基床、防水封閉層、側溝、電纜槽、墊層、邊坡、地基處理、排水溝等，均運用上述原理，定義相關參數，創建模板。在模板制作過程中通過定義起終點參數可以實現變截面建模。

2.4 模型實例化

調用封閉式路塹工程模板進行實例化，按封閉式路塹設計尺寸填寫參數表，替換模板中原始參數表，執行EKL腳本語言，調用替換好的Excel表格，依次循環讀取表內設計參數、細部尺寸等給模型賦值，在骨架線基礎上批量實例化各種類型構件，從而完成BIM建模。

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

圖5 雨棚與封閉式路塹結合形式

3 BIM深化設計

各專業在同一平臺下進行全三維精細化的高度協調設計工作，提高了設計工作完整度和模型信息的精細度，減少設計盲區[8]；通過施工圖設計團隊與BIM團隊對接形成優化調整意見，并協調相關專業完成正向優化及深化設計。

3.1 封閉式路塹與隧道、橋梁接口的深化設計

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

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

（2）當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計，封閉式路塹垂直線路方向設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 鋼筋深化設計及綜合碰撞檢查

對封閉式路塹與雨棚柱基礎鋼筋進行深化設計，通過創建干涉模擬，對繪制好的鋼筋和雨棚柱預埋件進行碰撞檢查。

（1） 雨棚柱基礎拉結筋與預埋件的碰撞檢查，如圖8（a）所示。該處碰撞并非設計性碰撞，不會影響預埋件位置的準確性，適當調整拉結筋的位置即可，建議柱基礎頂面第1層和第2層的拉結筋位置向封閉式路塹內側移動2 cm。

（2） 雨棚柱基礎鋼筋彎鉤與預埋件的碰撞檢查，如圖8（b）所示。該處碰撞是彎鉤方向與預埋件發生碰撞，實際施工中不會影響預埋件的位置，彎鉤朝向可做適當調整，建議該位置（柱基礎外側）的鋼筋彎鉤朝向統一向一側旋轉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量和進度；雨棚柱基礎鋼筋與雨棚柱腳預埋件出現碰撞時，需在施工過程中進行適當的調整。

4 結束語

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

后期將進一步探索參數化設計，結合工程系統分解結構（EBS，Engineering Breakdown Structure）對封閉式路塹模板進行改進，優化模型層級結構，進一步提高設計建模效率，利用三維模型指導出圖等，逐步實現正向設計。