以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+地理信息系统（GIS，Geographic Information System）为核心，综合应用移动互联网、物联网、大数据、云计算等信息技术，与先进的工程建造技术相融合的智能建造，是未来铁路工程建造的发展方向^[1]。随着信息技术的不断发展，工程更加复杂，需进一步基于BIM技术开展积极探索，并统筹考虑铁路工程全生命周期^[2]。近年来，高速铁路和城市轨道交通的快速发展，封闭式路堑在铁路和地铁中得到广泛应用^[3]，从地下隧道爬升至地面的过渡段，采用封闭式路堑，其结构刚度大、稳定性高、防水性能好的优势得以体现。市政道路封闭式路堑侧墙三脚架施工管理中广泛运用了BIM技术 ^[4]，而铁路封闭式路堑设计项目中BIM技术的应用较少。本文采用中国铁路设计集团有限公司既有的铁路工程BIM协同设计平台，结合铁路项目，从设计流程、深化设计等方面，开展基于BIM的铁路封闭式路堑（简称：封闭式路堑）设计研究。

1   封闭式路堑BIM设计概述

1.1   设计内容

地下隧道与地上路基或桥梁连接段采用封闭式路堑通过。封闭式路堑主要设计内容包括：主体结构、填土护道、基坑开挖、地基处理等。

1.1.1   主体结构

封闭式路堑采用防水钢筋混凝土，于封闭式路堑结构底板上部设置基床及防水封闭层，底板以下设置混凝土垫层。封闭式路堑沿线路方向设置伸缩缝，缝宽为0.02 m，间距一般为18 m。一般封闭式路堑顶部设防水雨棚，雨棚与封闭式路堑有2种结合形式，因此，封闭式路堑除一般U型断面形式外，在与雨棚结合处会进行特殊处理：雨棚柱基础与封闭式路堑边墙相结合，即边墙局部加宽，雨棚柱布置在雨棚柱基础上；整体式框架结构与封闭式路堑底板相结合，取消边墙。

1.1.2   填土护道

边墙外侧设填土护道，边坡坡率为1 : 1.5，压实度同回填土压实标准，并采用正六边形空心块植草防护。

1.1.3   基坑开挖

基坑一般采用放坡开挖，挖坡率为1:1～1:1.5。开挖应采用分层开挖、分层防护，分层厚度不得大于2 m，及时做好基坑变形观测工作；开挖至距坑底300 mm时应由人工开挖、找平并对坑底进行及时封闭^[5]；基坑开挖前应设置地表临时排水沟，开挖过程中采用明排水方式抽排基坑内积水。

1.1.4   地基处理

基础底部一般采用螺杆桩、水泥粉煤灰碎石（CFG，Cement Fly-ash Gravel）桩处理，正方形布置，不设桩帽，桩顶设碎石垫层；或采用钻孔灌注桩处理，正方形布置，桩顶钢筋伸入封闭式路堑底板内，与底板混凝土浇筑一起。铁路封闭式路堑模型，如图1所示。

图  1  封闭式路堑模型

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1.2   设计流程

在既有铁路工程BIM协同设计平台的协同设计空间下，参考线路专业空间线位，以及测绘专业三维地形、地质专业地质体现状模型，以此为设计上序，开展封闭式路堑BIM设计。根据封闭式路堑起终点里程、分节长度进行骨架设计，通过模板实例化结构主体、雨棚柱基础、侧沟、电缆槽、垫层、边坡、地基处理、排水沟等模型。在主体模型的基础上开展深化设计和综合碰撞检查。利用封闭式路堑模型及其附属信息开展电子沙盘、施工仿真和三维可视化交底等应用。封闭式路堑BIM设计流程，如图2所示。

图  2  封闭式路堑BIM设计流程

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2   封闭式路堑BIM设计

2.1   搭建BIM协同设计空间

在开展BIM设计前需要搭建协同设计空间，方便各专业在同一平台开展正向协同设计工作，并基于协作机制进行权限管理。本文协同设计空间搭建流程为：

（1）在既有铁路工程BIM协同设计平台创建项目空间，避免与其他项目相互干扰；

（2）创建各专业节点，如图3（a）所示；

图  3  BIM协同设计树状组织结构

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（3）各专业以线路总骨架为基础建立工程骨架，承载结构化信息的传递，随协同设计过程成长，依据专业骨架、标准构件、参数化模板、专业软件等生成模型的工程结构树，如图3（b）所示，满足设计应用粒度。

这种树状组织结构可以使本专业既可以查看其他专业模型，又避免对其他专业模型进行误操作，实现各个专业间在设计过程中的实时交流配合，提高专业间设计效率，有效减少信息沟通不畅导致的设计错误，更加高效地把控项目设计的进度和质量^[6]。

2.2   骨架设计

骨架设计环节包括：

（1） 由线路专业建立线路空间曲线，即总骨架模型；

（2） 各专业以线路总骨架为基础建立各工点控制点、线、面元素，完成整个工程的框架设计，确定各专业工程接口。

在工点范围内以线路空间曲线为输入条件，以工点起点与线路起点距离、主体结构分节长度、伸缩缝长度为参数，进行封闭式路堑骨架设计，生成骨架线。

2.3   模板创建

封闭式路堑工程模板创建的基本思路是以标准横断面为基础绘制草图，定义几何参数，用编程语言调用Excel，读取表中参数并给模型赋值，添加属性信息^[7]。

以混凝土主体结构为例，在草图中绘制标准横断面，如图4所示。定义线间距、轨道结构高度、结构主体边墙高度、顶宽、内外侧角度、底板厚度和外延长度等几何参数，编制参数表格，表头与横断面参数一一对应；编写企业知识语言（EKL，Enterprise Knowledge Language）脚本语言，以骨架线为输入条件，调用参数表，输出为封闭式路堑横断面沿空间线位扫掠生成的主体结构；对模型进行属性信息添加，制作成工程模板。

图  4  混凝土主体结构标准横断面

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基床、防水封闭层、侧沟、电缆槽、垫层、边坡、地基处理、排水沟等，均运用上述原理，定义相关参数，创建模板。在模板制作过程中通过定义起终点参数可以实现变截面建模。

2.4   模型实例化

调用封闭式路堑工程模板进行实例化，按封闭式路堑设计尺寸填写参数表，替换模板中原始参数表，执行EKL脚本语言，调用替换好的Excel表格，依次循环读取表内设计参数、细部尺寸等给模型赋值，在骨架线基础上批量实例化各种类型构件，从而完成BIM建模。

图5是通过编辑不同参数表格进行模型实例化，体现封闭式路堑与雨棚两种连接形式的模型。图5（a）为雨棚立柱设于封闭式路堑边墙上，雨棚柱脚与U型封闭结构边墙连接处设置立柱，通过分段调整边墙顶宽，使边墙局部加宽实现；图5（b）为整体式框架结构与封闭式路堑底板相结合，设置边墙外侧角度和边墙内侧角度均为90°，取消边墙结构，建筑整体式框架结构设置在两侧矩形电缆槽和排水沟外侧。

图  5  雨棚与封闭式路堑结合形式

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3   BIM深化设计

各专业在同一平台下进行全三维精细化的高度协调设计工作，提高了设计工作完整度和模型信息的精细度，减少设计盲区^[8]；通过施工图设计团队与BIM团队对接形成优化调整意见，并协调相关专业完成正向优化及深化设计。

3.1   封闭式路堑与隧道、桥梁接口的深化设计

路基电缆槽应与桥梁、隧道地段电缆槽平顺连接，电力电缆槽与通信、信号电缆槽分槽设置。封闭式路堑与隧道侧沟、电缆槽连接有2种形式：

（1）当封闭式路堑与隧道两侧电缆槽和侧沟是等截面时，采用同截面形式标高顺接过渡，如图6（a）所示；

图  6  封闭式路堑与隧道侧沟、电缆槽连接形式

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（2）当封闭式路堑与隧道截面形式不同时，采用路堑与隧道电缆井对接过渡，如图6（b）所示。

对封闭式路堑边墙与桥台衔接处进行深化设计，封闭式路堑垂直线路方向设置堵头墙与桥台相接，堵头墙形式与边墙保持一致，桥台处取消椎体，如图7所示。

图  7  封闭式路堑与桥台衔接

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3.2   钢筋深化设计及综合碰撞检查

对封闭式路堑与雨棚柱基础钢筋进行深化设计，通过创建干涉模拟，对绘制好的钢筋和雨棚柱预埋件进行碰撞检查。

（1） 雨棚柱基础拉结筋与预埋件的碰撞检查，如图8（a）所示。该处碰撞并非设计性碰撞，不会影响预埋件位置的准确性，适当调整拉结筋的位置即可，建议柱基础顶面第1层和第2层的拉结筋位置向封闭式路堑内侧移动2 cm。

图  8  钢筋综合碰撞检查

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（2） 雨棚柱基础钢筋弯钩与预埋件的碰撞检查，如图8（b）所示。该处碰撞是弯钩方向与预埋件发生碰撞，实际施工中不会影响预埋件的位置，弯钩朝向可做适当调整，建议该位置（柱基础外侧）的钢筋弯钩朝向统一向一侧旋转10°。

通过综合碰撞检查可知：封闭式路堑主体钢筋之间不存在钢筋碰撞，按图施工不会影响施工质量和进度；雨棚柱基础钢筋与雨棚柱脚预埋件出现碰撞时，需在施工过程中进行适当的调整。

4   结束语

本文基于既有的铁路工程BIM协同设计平台，设计了基于BIM技术的铁路封闭式路堑，通过创建参数化模板，实例化三维模型，对钢筋、跨专业接口等进行BIM深化设计。该设计方法在天津—北京大兴国际机场铁路二期工程、雄安新区—忻州高速铁路雄安新区地下段工程、上海—南京—合肥高速铁路等项目的封闭式路堑设计中得到应用，辅助施工图设计，有效减少了设计盲区及专业间的错漏碰缺，提高了设计效率和质量，可为其他铁路封闭式路堑工程的设计提供参考。

后期将进一步探索参数化设计，结合工程系统分解结构（EBS，Engineering Breakdown Structure）对封闭式路堑模板进行改进，优化模型层级结构，进一步提高设计建模效率，利用三维模型指导出图等，逐步实现正向设计。