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李琬荻，中國鐵路設計集團有限公司土建工程設計研究院

為了提高封閉式路塹的設計水平，實現(xiàn)工程數(shù)字化管理，開展基于建筑信息模型(BIM,Building Information Modeling)的鐵路封閉式路塹設計研究。介紹其設計流程和方法，以及與隧道、橋梁接口的深化設計，鋼筋深化設計及綜合碰撞檢查。該設計方法已在多個鐵路工程項目中應用，有效減少了設計盲區(qū)及專業(yè)間的錯漏碰缺，提高設計效率和質量，可為其他鐵路封閉式路塹設計提參考。

1 封閉式路塹BIM設計概述

設計內(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。封閉式路塹主要設計內(nèi)容包括：主體結構、填土護道、基坑開挖、地基處理等。

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0.02m,間距一般為18m。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。

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。

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2m，及時做好基坑變形觀測工作；開挖至距坑底300mm時應由人工開挖、找平并對坑底進行及時封閉；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(nèi)積水。

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?；虿捎勉@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。

設計流程

在既有鐵路工程 BIM 協(xié)同設計平臺的協(xié)同設計空間下，參考線路專業(yè)空間線位，以及測繪專業(yè)三維地形、地質專業(yè)地質體現(xiàn)狀模型，以此為設計上序，開展封閉式路塹 BIM 設計。根據(jù)封閉式路塹起終點里程、分節(jié)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。

2 封閉式路塹BIM設計

搭建BIM協(xié)同設計空間

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

(1)在既有鐵路工程BIM協(xié)同設計平臺創(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建立工程骨架,承載結構化信息的傳遞，隨協(xié)同設計過程成長，依據(jù)專業(yè)骨架、標準構件、參數(shù)化模板、專業(yè)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。

這種樹狀組織結構可以使本專業(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)間在設計過程中的實時交流配合，提高專業(yè)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問。

骨架設計

骨架設計環(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(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、主體結構分節(jié)長度、伸縮縫長度為參數(shù)，進行封閉式路塹骨架設計，生成骨架線。

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準橫斷面為基礎繪制草圖，定義幾何參數(shù)，用編程語言調用Excel，讀取表中參數(shù)并給模型賦值，添加屬性信息。

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(nèi)外側角度、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)——對應；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構；對模型進行屬性信息添加，制作成工程模板。

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(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。

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(shù)表，替換模板中原始參數(shù)表，執(zhí)行EKL腳本語言，調用替換好的Excel表格,依次循環(huán)讀取表內(nèi)設計參數(shù)、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(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(xiàn)；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(nèi)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。

BIM深化設計

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(qū)；通過施工圖設計團隊與BIM團隊對接形成優(yōu)化調整意見，并協(xié)調相關專業(yè)完成正向優(yōu)化及深化設計。

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。

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。

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(chuàng)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(nèi)側移動2cm。

(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(fā)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(tǒng)一向一側旋轉10°。

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(xiàn)碰撞時，需在施工過程中進行適當?shù)恼{整。

總結與展望

本文基于既有的鐵路工程BIM協(xié)同設計平臺，設計了基于BIM技術的鐵路封閉式路塹，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(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計中得到應用，輔助施工圖設計，有效減少了設計盲區(qū)及專業(yè)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(shù)化設計，結合工程系統(tǒng)分解結構(EBS，Engineering Breakdown Structure)對封閉式路塹模板進行改進，優(yōu)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(xiàn)正向設計。

來源：鐵路BIM聯(lián)盟