于 涛 周 珂 侯德峰 赵 宇

(中国铁路呼和浩特局集团有限公司，内蒙古呼和浩特 010057)

根据我国中长期铁路网规划，到2020年，一批重大标志性项目建成投产，铁路网规模达到15×104km，其中，高速铁路长3.5×104km，将覆盖80%以上的大城市。随着我国铁路建设进入快速发展阶段，建设单位对于项目的技术、质量、工期要求也更加严格。传统二维设计图面表达方式各不相同，不便于各专业协同工作，经常发生设计阶段中的失误传递到施工阶段情况。而BIM技术采用三维模型，部分专业可利用碰撞检测功能准确判断模型问题所在[1-2]。在铁路BIM的应用实践方面，潘永杰等通过调研不同结构形式的20座桥梁BIM应用现状、价值点及应用特点，发现BIM技术的应用以设计建造为主，运营维护为辅，且大多为基于二维图纸反推BIM建模，未考虑与其他专业的协同配合[3]。目前，BIM技术主要应用于大型铁路建设项目，集中于铁路选线、桥隧、站房建筑及管线等专业。谢利斌利用Civil 3D软件建立场地模型并进行铁路选线[4]。凌峰等基于铁路桥涵通用图，利用Revit创建涵洞及八字墙参数化族[5]。彭兴东等总结了梁桥建模基本流程，并创建梁桥相关构件参数化族[6-7]；张兴华自主开发三维视图显示界面及程序，实现二维设计模式与三维设计环境无缝转换[8]；姚杰等介绍了BIM技术在站房建设中的具体应用，集中体现在碰撞检测、查漏补缺、成本及进度控制、技术交底、仿真漫游等方面[9-10]；刘瑞光等对铁路站房及地道工程进行了正向设计研究，建立了各专业结构树及编码划分体系[11-12]。

基于前人的研究，采用Trimble SX10三维激光扫描仪进行非接触测量，同时在既有铁路顶进框构桥涵工程设计中利用该仪器“点云”成果导入Revit软件中，搭建三维模型，实现地形、轨道、路基、桥梁等可视化设计。

1 三维扫描技术的应用

1.1 三维激光扫描技术

传统接触式测量方法：采用RTK、水准仪等常规测量仪器上线测量，测量前须提前1个月向铁路相关部门申请“天窗点”，待批复后，才能在下个月指定的“天窗点”上线测量。该方法测量周期长、成本高、安全风险大。因此，寻求一种安全、高效的既有线勘测方法具有十分重要的意义。

三维激光扫描技术是一种通过位置坐标、距离、角度、反射强度等观测数据获取对象表面的三维坐标信息，可搜集、提取地表信息和还原三维场景的观测技术。与其他遥感技术相比，具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等优点。

Trimble SX10三维激光扫描仪具有非接触式、数字化程度高、精度高、受外界限制少、应用范围广等优势[13]。可对所测地物进行高速度、高精度的数据采集，4 h内即可完成100 m×200 m方形区域的地形图测绘外业工作，并且具有毫米级测量精度，其精度参数见表1。

表1 天宝SX10精度参数

自带的后处理软件Trimble Business Centre能够处理所采集的“点云”数据，实现“点云”配准、过滤、网平差、数字地面模型提取、地物空间信息采集等功能[14]。数据通过CASS软件进行编辑，可生成工程设计需要的地形图数据。

1.2 工程概况

本工程位于呼和浩特西站咽喉区，包含唐呼上下行线、京包客专线及站场股道15条。测区包含6座公铁立交桥，12条股道，50多组道岔，既有铁路设备复杂繁多，现场通视条件差，测绘难度非常大。按传统方法测量需用时2个月。综合考虑现场地形及设备情况，拟采用Trimble SX10三维激光扫描仪进行地形测量。

1.3 点云数据的获取与处理

根据GPS控制网数据以及呼和浩特西站场设备图，通过分析资料及现场踏勘，拟定数据采集步骤如下。

(1)在测区南侧、北侧各设立1个站点作为架设仪器的位置。

(2)利用施工GPS控制网数据使用的GPS-RKT采集设站点1、站点2，以及相应后视点的三维坐标数据。

(3)分别在设站点1和设站点2架设Trimble SX10激光扫描仪并后视定向，设置好扫描模式后开始扫描作业。扫描完成后，应检查电子手簿中的扫描结果是否存在错漏情况。

外业数据采集完成后，应用Trimble Business Centre软件对外业采集得到的“点云”数据进行拼接、分类、除噪、着色和图像分割等。地面三维激光扫描数据处理可分为2种：①把离散激光角点距离数据经格网内插后生成规则格网的数字距离矩阵，利用灰度等级代表距离值，把距离图像转变成色度图像，然后运用数字图像处理方法对扫描数据进行处理。②直接对距离图像进行处理[15]。本设备基于测量控制网，可自动拼接点云数据并将其匹配到控制坐标系中，无须考虑相邻测区之间的重叠率、标靶设置和坐标转换。自动扫描时可对场景内的目标(包括路基、轨道、接触网杆等)进行边缘检测，然后根据边缘确定轴线位置，进而结合输入集、对象类型、尺寸创建模型。软件还可以自动提取照片色值附着于对象点云，数据处理成果见图1。

图1 “点云”数据处理成果

2 顶进铁路框构桥涵项目设计的BIM应用

结合工程实例，建立既有铁路顶进框构桥涵项目的各种参数化构件，再导入三维地形扫描数据即可构建三维模型，实现参数化修改、阶段化显示、二维出图等功能，可应用于图元信息快速修改、工程内容阶段性展示及施工出图等。

2.1 工程概况

某供热管线穿越京包线工程(在K650+150 m处设框构涵)，且与京包铁路垂直交叉。京包铁路为双线电气化铁路，线路等级Ⅰ级，60 kg/m无缝钢轨。下穿处位于区间直线段，线路坡度5‰，路基平均高5 m。采用顶进法施工，施工期间京包线采用D24型便梁加固，列车限速45 km/h。框构涵长度为62 m，顶板厚35 cm，边墙与底板厚40 cm，上部加腋尺寸50 cm×25 cm，下部加腋尺寸25 cm×25 cm。为满足供热管道的检修需求，在套涵两端出入口设检查井。

2.2 Revit族文件的建立

“族”定义为Revit软件中某一类含有通用参数的集合，它承载着所创建构件的全部信息，可以任意设定集合内不同图元的参数值，但是参数的集合是唯一的。新创建的族内不包含参数信息和尺寸数据，无法形成实体。只有在族类型中添加参数才能使族变得“有血有肉”。Revit软件中标准构件族操作方便，可以灵活修改相关参数，按照功能需求在族样板界面创建构件族，具有复制、修改及相互嵌套的功能，还可以保存为单独文件供随时调用。框构桥涵BIM模型的相关构件均采用标准构件族实现，相关族文件效果见图2、图3。

图2 D梁加固系统族文件

图3 框构涵、滑板、后背桩、后背梁族文件

根据实际设计需要，按照专业分组建立不同类型的族文件，通过修改尺寸、形状、材质或其他参数实现同一个族可应用在不同工点的项目中。此外，族共享也大大提高了设计速度，减少重复工作。

2.3 Revit参数化的应用

参数化应用是将Revit模型中定量信息变量化[16]，同时利用族的参数关联作用，修改某个族的参数，模型中同类族参数也随之更新，无需对所有视图逐一修改，进而提高建模效率。以框构涵为例介绍具体创建步骤。

(1)添加参照平面

打开公制结构框架，进入梁族样板，将样板模型线条删除后，设定框构涵边墙轮廓边界约束平面。

(2)绘制框构涵截面轮廓

先选择前/后参照平面，使用放样命令沿着样板中心线绘制放样路径，然后选择左/右参照平面，绘制框构涵截面轮廓。

(3)为绘制轮廓设定参数标签

进入属性面板“族类型”，点击“添加参数”，进入参数属性界面后添加参数，设置界面见图4。添加尺寸标注后，标注与标签即产生关联，形成控制框构涵截面轮廓的控制参数。

(4)共享参数

将部分参数设置为共享参数，这样某些参数就可以在多个项目和族中共享使用，方便用户自定义。

图4 框构涵族参数化设置界面

2.4 Revit三维场地模型的构建

将测量成果“点云”转换为CAD格式文件，应用地形地面功能导入到Revit中，转化为三维场地模型，并可按照CAD中的地物标记拼接各种地物族，可较好地还原建设场地的真实情况(见图5)。创建步骤如下。

(1)进入“场地”楼层平面，选择体量和场地选项卡中的地形表面。设置等高线显示，在场地建模下拉箭头设置显示等高线。

(2)通过导入创建地形表面选择导入实例。可以根据以 DWG、DXF 或 DGN 格式导入的三维等高线数据自动生成地形表面。

(3)添加场地构件。在“场地”平面视图中选择体量与场地—场地构件，即可添加场地构件，还可以按照CAD中的地物标记拼接相关铁路构件族(如接触网杆、路基、轨道、涵洞等)。

图5 三维场地模型创建

2.5 Revit结构配筋的应用

框构涵建模完毕后，可根据结构配筋示意对其进行配筋。该框构涵钢筋排架①、②为等间距布置(125 mm)，纵向分布筋布置在主筋内，配筋模型见图6。创建步骤如下。

(1)创建剖面视图，剖切配置钢筋混凝土图元并进入该视图中，单击构件，在左侧属性浏览器中修改对应的钢筋保护层厚度等参数。

(2)进入剖面视图，点击结构选项卡中的钢筋图标，在钢筋浏览器中选择需要绘制的纵筋，箍筋等，并且确定钢筋的放置平面和放置方向，随后在框构涵剖面中绘制。

(3)钢筋布置完成后，可以根据需要生成“钢筋明细表”，以备材料统计使用。

图6 框构涵模型结构配筋

2.6 Revit阶段化功能的应用

工程项目一般分阶段进行， Revit阶段化运用的意义有以下几点。

(1)当临时工程较多，若不进行阶段性归类，会导致模型杂乱。如后背梁、滑板、后背桩及工作坑等相关构件均属于临时工程，且不体现在竣工模型中，只在阶段化施工过程中存在。

(2)根据铁路局设计文件审查及施工前期办理准入手续的流程，铁路局非常关注施工阶段工作内容对铁路的影响，特别是线路加固措施、工作坑开挖防护措施以及顶进施工工序，故阶段化应用对于方案汇报非常必要。

(3)利用阶段化功能，可使明细表数量统计按阶段区分开来，从而能快速提取对应的数据。

结合实际工程案例，将框架箱涵下穿既有铁路顶进施工过程划分为以下几个阶段(见图7、图8)。

图7 顶进施工过程(一)

图8 顶进施工过程(二)

阶段1：开挖顶进工作坑，制作滑板、框构涵、顶进设备等。

阶段2：提报铁路慢行施工计划，人工开挖支撑桩；待支撑桩强度达到要求后，提报铁路封锁计划，架设D型便梁。

阶段3：铁路线下开挖路基本体，顶进就位。

阶段4：拆除D型便梁及临时结构，恢复铁路，施工检查井等附属设施。

2.7 Revit导出二维施工图纸

利用Revit自带的尺寸标注、图框设置、图纸目录等功能选取相应的模型剖切视图并进行标注说明，剖切所得图纸可与模型保持关联，降低图纸修改的工作负担，同时也避免了图纸修改可能产生的疏漏，图纸界面见图9。

图9 生成二维施工图纸

2.8 经济效益分析

根据项目的具体情况，利用Trimble SX10三维激光扫描仪对项目场地进行地形测量，然后基于Revit软件开展项目设计及审查汇报工作，并出具施工图指导施工。目前，该技术应用于设计的项目累计20余个，实现合同收入650万元，利润215万元。

3 结论

(1)详细介绍了Trimble SX10三维激光扫描仪在既有铁路线上测量的集中优势和具体应用，该技术在铁路封闭区域地形的精确测量中具有明显优势。

(2)结合工程实例，详细阐述了既有铁路线下顶进框构桥涵设计项目在Revit软件平台上的模型搭建过程，实现了既有铁路顶进框构桥涵工程设计的可视化，最后应用阶段化工具模拟框构桥涵顶进施工过程，并导出二维施工图纸，该方法对于提高设计效率及指导施工具有积极作用。