BIM中国网

您的位置: 首页 > 案例 > 正文

174公里京张高铁下的毫米精度——专访中铁工程设计咨询集团有限公司航遥院与BIM中心

来源:澎湃新闻

"2019年12月30日上午8:30分,在北京北站,一辆车次为G8811次的列车驶出,我国首条智能高铁京张高速铁路(Beijing-Zhangjiakou Intercity Railway),又名京张高铁正式开通运营。开通半月时,上座率高达95%,近80万人次体验了智能高铁,到了“满月”,共计发送旅客73.43万人次,到达65.52万人次,共计138.95万人次。"

这条连接北京市和河北省张家口市的城际铁路,是国家《中长期铁路网规划》中“八纵八横”京兰通道的重要组成部分,也是2022年北京冬奥会重要配套基础设施工程。线路全长174公里,设10个车站,是中国第一条首次采用自主研发的北斗卫星导航系统、设计时速为350公里的智能化高速铁路,也是世界上第一条最高设计时速350公里/小时的高寒、大风沙高速铁路。

在已有较高起点之上,这样一个有着多项突破、创造了多个第一且历时十一年的工程,必然是多个领域最新技术的集成,包含了无数从业人员的智慧、心血与汗水。乘客在体验更为便利的旅程时发出的惊叹,往往与“黑科技”“一小时生活圈”“滑雪”“骄傲”等词语相关,乘坐中,旅客更是能感受到它与110年前京张铁路所产生的历史回响。关于京张高铁,除了肃然起敬,还有更多努力与奋斗可以讲述。

京张高铁于2015年12月开工建设,关于它的工作开展,最早可以追溯到2008年12月3日,原铁道部计划司以“计长便函[2008]62号”文《关于委托开展准格尔至张家口铁路、北京至张家口城际铁路前期工作的通知》,委托中铁工程设计咨询集团有限公司(以下简称中铁设计)进行预可行性研究。

在这样的工程中,需要完成怎样的测绘工作?测绘人以怎样的创新与担当应对挑战?京张高铁最高设计时速为350公里/小时,其高速度与高平稳对测绘工作有格外高的要求。京张高铁还是我国国内首条全专业BIM与GIS相融合的数字铁路,中铁设计BIM中心的多位工程师突破诸多技术难关,开启智能高铁建设的新篇章。毫米精度、智能运维、BIM开路……中铁设计航遥院多位工程师为记者讲述了他们的“十年一剑”,中铁设计BIM中心的多位工程师则讲述了他们“开路”之艰与成果。京张高铁开通运营后,他们的工作还在继续。

智能高铁

一次智能、体育、文化、历史之旅

作为国家规划实施的重点建设项目,京张高铁的建设对于加快构建西北、内蒙古西部、山西北部地区快速进京客运通道具有重要意义,对增进西北地区与京津冀地区人员的交流往来,促进西北地区与京津冀地区协同发展,成功举办2022年冬季奥运会都将发挥重要作用。

乘坐京张高铁,开启的是一场智能、体育、文化、历史之旅。

自北京北站起,京张高铁途经北京市海淀、昌平、延庆三个区,跨官厅水库,再经河北省怀来县、下花园区、宣化区,西迄张家口南站,呈东西走向。正线全长174公里,设10个站点,其中北京市境内70km,河北省境内104km。崇礼支线位于张家口市,南起京张铁路下花园北站,途径下花园区、宣化区、赤城县、北迄崇礼区太子城奥运村,大致呈南北走向,线路全长52.84km。

为世界首条智能高铁,京张高铁可自动驾驶,支持电子客票和人脸识别进站,提供最优路径。免费WIFI全覆盖,可进行手机无线充电,灯光智能调节。采用新一代智能复兴号,低噪声,少能耗。实现自动驾驶、应急自走行、运行状态自感知、设备故障自诊断、导向安全自决策、精准定位停车。采用BIM技术进行设计、建设、管理,首次形成高速铁路的“数字孪生”。

它也是“中国速度”的又一力作,从北京到张家口由原来需要的3个多小时缩短到47分钟,呼和浩特至北京由9小时15分压缩至最快2小时9分,大同至北京最快1小时40分钟左右可达。

作为2022年北京冬奥会的重要交通保障设施,它是世界上首座进入奥运村的高铁站。乘坐京张高铁,能感受到浓浓的运动氛围。京张高铁4号和5号车厢为冬奥配置车厢,列车在车厢连接处,专门设计了滑雪板存放处,旅客可以通过扫描二维码,存取滑雪板。自列车开通以来,去崇礼滑雪成了一种时尚。

途中,乘客不仅可将城市风光、塞外雪景尽收眼底,一站一景,更是能让乘客感受到厚重文化。清河站的海纳百川、下花园站的鸡鸣晓月、宣化北站的古韵雄关、太子城战的云水无界等,颇有天地合德之意。和百年前的京张铁路遥相呼应,京张高铁也是中华民族自强不息的体现。1909年,在詹天佑的带领下,中国人实现了自主设计和建造首条铁路的突破。2019年,京张高铁通车,“复兴号”整体设计和关键技术全部自主研发,具有完全自主知识产权。时速从35公里到350公里,新老铁路的交汇,也像是一首奋发有为的动人歌曲。

毫米精度

奠定高速度、高平顺之基

京张高铁开启了中国智能铁路新时代,为构建铁路工程项目智能管理平台、智能铁路技术标准体系及初步形成智能铁路应用格局奠定了坚实的基础。作为一个复杂的系统工程,在智能高铁AI平台、网络安全保障平台和信息新技术的基础支撑下,智能铁路的整体构架由智能感知层、智能传输层、数据资源层、智能决策层、智能应用层组成,与智能建造、智能装备和智能运营直接相关,涉及勘察设计、工程施工、建设管理、移动装备、通信信号、牵引供电、检测监测、养护维修、运输组织、客运服务等10个领域。

京张高铁最高设计时速为350公里/小时,为了在高速行驶的条件下实现旅客列车的安全和舒适,要求高速铁路必须做到高平顺,具有高精度的轨道几何参数,误差在毫米级到亚毫米级。高速铁路主要采用无砟轨道(无砟轨道是指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构,无砟轨道是世界先进的轨道技术,列车时速可以达到200公里以上),无砟轨道施工要求高,可调整量小,就必须有一套完整、高效、精密的测量体系来控制高速铁路的建设和运营维护。

从2009年起,中铁设计航遥院参与京张高铁的勘察设计及施工配合工作,至今已经走过了11个年头,京张高铁运行后,他们还将继续开展精测网复测、变形监测等相关工作。中铁设计航遥院团队为《中国测绘》讲述了他们是如何实现京张高铁的毫米精度。

由中国国家铁路集团有限公司(原中国铁路总公司)主持,各铁路设计院及西南交通大学联合编制,于2009年12月颁布实施的《高速铁路工程测量规范》,形成了我国具有自主知识产权的高速铁路精密测量技术体系。“三网合一”是高速铁路精密测量技术的核心,即勘测控制网、施工控制网及运营维护控制网的测量基准统一,与高速铁路的设计、施工和运营维护一脉相承、环环相扣,与高速铁路全生命周期时间长的特点相适应。

京张高速铁路精密测量控制网采用“分级布设、逐级控制”原则建立。平面基于CGCS2000国家大地坐标系建立京张高速铁路工程独立坐标系,通过合理划分投影带,施工平面边长投影变形控制在10mm/km以内。


京张高速铁路精测网分级布设图

在平面控制测量中,需建立框架控制网(CP0),在框架基准网的基础上,平面控制网再分三级布设:

第一级为基础平面控制网(CPⅠ),主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准;

第二级为线路平面控制网(CPⅡ),主要为勘测和施工提供控制基准;

第三级为轨道控制网(CPⅢ),主要为轨道铺设京张⾼铁线路图和运营维护提供控制基准。

高程控制网分二级布设:

第一级为线路水准基点控制网,为高速铁路工程勘测设计、施工提供高程基准;

第二级为轨道控制网(CPⅢ),为高速铁路轨道施工、维护提供高程基准。

京张高铁设置的CP0点均匀分布在全线范围内,相邻CP0点最大间距69km,最小间距46km。CP0控制网以2000国家大地坐标系作为坐标基准,以国家A、B级GPS控制点作为约束点,进行整体三维约束平差。控制网相对精度高达1/2000 000。

CPⅠ按4km一个点(长大隧道口一对点)设置,CPⅡ按间距600~800m一个点设置。CPⅠ、CPⅡ控制网采用GNSS测量,按照逐级控制的原则,CPⅠ控制网附合到CP0控制网上,CPⅡ控制网附合到CPI控制网上。平差后CPⅠ最弱边相对中误差优于1/180000,基线方位角中误差优于1.3";CPⅡ最弱边相对中误差优于1/100000,基线方位角中误差优于1.7"。

京张高铁设置了一般水准基点、深埋水准点和基岩水准点。线路水准基点均沿线路走向布设,其纵向间距为2km,距线路中线不大于200米。高程测量采用电子水准仪按二等水准测量技术要求实施。

CPⅢ按纵向间距60m一对设置于路基两侧与接触网杆同基础的专用立柱上、桥梁固定支座段的防撞墙上、隧道边墙上。平面采用智能全站仪按自由测站边角交会法测量。CPⅢ平面测量后先采用独立自由网平差,再采用线上加密CPⅡ进行固定约束平差。约束平差后CPⅢ平面控制网相邻点的相对中误差小于1mm。

CPⅢ控制网高程测量采用精密水准测量的精度施测,附合于线上水准加密点或线路水准基点上,约束平差后相邻CPⅢ点间高差中误差小于0.5mm。

对于中铁设计航遥院来说,精测网工作仅仅达到以上标准是不够的。为了提高效率、减少人工误差,他们还设计了测量仪器组件开发数据处理系统。在CPⅢ控制网测量工作中,他们设计了CPШ的强制对中组件,同一个点位,根据平面测量和高程测量需要分别采用平面对中杆和高程对中杆,保证平面和高程测量中心位置一致性。

面对CPⅢ测量时的测距、测角等多种指标,将工作化繁为简,中铁设计航遥院开发了一套轨道控制网数据采集与处理系统应用于智能全站仪中。使用时只需设置好各类指标,首次需人工进行照准,半测回以后仪器可自动进行测量,大大提高了工作效率。

桥梁架梁、路基基础完成、隧道贯通及沉降稳定之后,外业测量人员便开始了CPⅢ测量工作,这项有着衔接作用与基础作用的工作要完成得“又快又好”。CPⅢ测量完成后,铺设轨道工作才可以在此基础上进行,如果CPⅢ精度达不到要求,首先铺轨工作无法开展,即使开展了,产生误差可能难以调整到位,这也是为什么高铁要搭建毫米级精测网的原因。精度是项目根基,每一毫米都至关重要。

“全站仪+惯导”

完成最高标准与官厅水库特大桥轨道精调

许多人都看到过一个视频:列车前进时,列车窗框上的手机、笔、硬币能够保持“屹立不倒”。除了“中国速度”,中国高铁的平顺安稳同样是一个“奇迹”,这个奇迹的实现和高铁轨道铺设工作息息相关,其实也与测绘测量工作关系密切。

高铁的高平顺性保证列车高速运行的安全和平稳,衡量轨道平顺性的主要指标是轨道的几何参数和轨道的长短波平顺性,而检测这些指标需在轨道控制网CPIII的基础上借助于专门轨道检测设备来完成。

由精测网建网完成再到轨道铺设工作完成,将近一季的时间过去,此时,中铁设计航遥院要对CPⅢ开展复测,检测是否出现沉降等情况,复测的精度要求与建网时的精度要求完全相同。复测工作完成,即要开展高铁轨道精调工作。

在京张高铁的精调工作中,除了要适应高平顺性轨道建设需要,还要解决在官厅水库特大桥的轨道精调中工作遇到的难题。具体而言,有两个轨道精测难题:

首先,京张高铁高平顺性的轨道精测挑战是因为它的建设标准极高,对轨道平顺性的要求是无砟轨道静态TQI(轨道质量指数)达到1.4,这是我国高速铁路建设以来对轨道平顺性提出的最高标准。同时项目工期紧、任务重、严寒大风,常规轨道测量手段将无法满足施工需求。

其次,官厅水库特大桥是精湛高铁的控制性工程,主桥为8孔跨度为110m的简支拱形钢桁梁。要保证列车以350km时速通过,官厅水库大跨度钢桁梁桥上采用了无砟轨道结构,桥梁形变与温度强相关,轨道测量的时间越长,温度变化的幅度越大,温度变化引起桥梁形变就会使得轨道测量数据不准确,从而为数据分析及轨道调整带来困难。

为解决以上两个难题,中铁设计航遥院团队通过自主研发,在国内率先成功研制基于“全站仪+惯导”技术方案的轨道惯性导航动态测量系统。该系统集精密机械制造、多源传感器融合、自动化控制及专业分析软件为一体,能够对轨道内外部几何状态参数进行高效率、高精度的测量,同时改变了传统上全站仪需要精确整平、人工搬站设站的低效率作业模式,采用全站仪与惯性导航系统集成在同一个平台上、全站仪基于轨道控制网(CPIII)进行不整平自由设站的全新作业模式,使测量效率从传统的0.15km/h提高到2.5km/h。

运用该系统,实现了首次在时速350km无砟轨道上采用绝对动态测量技术进行扣件级别的轨道精调。同时还可适应官厅水库特大桥无砟轨道的测量需求,保障了钢桁梁桥无砟轨道精调测量工作在一个小时内顺利完成,进而保证测量精度。

轨道惯性导航动态测量系统

虽然轨道惯性导航动态测量系统大大提高了工作效率与精度,中铁设计航遥院团队回忆起来对2019年下半年进行的轨道精调工作仍记忆深刻,“白天,铁路线上存在施工干扰,一般我们的作业时间是傍晚到第二天清晨五点。加之严寒、大风,外业人员和我们的一些员工,吃了很多苦。”说起来,采访现场的工程师无不颇有感触。

利用这套系统,中铁设计完成了京张高速铁路130余公里的无砟轨道及120余公里的有砟轨道精测精调任务。作为京张高铁智能建造技术的一环,“轨道惯性导航动态测量系统”获得了2019年中国中铁科技进步一等奖。同时,该系统也已在我国其他铁路项目中得到广泛应用。

倾斜摄影+三维激光扫描

实现数字京张与“智能运维”

京张高铁不仅在建设、行车上实现了智能化,还在运营维护中实现了智能升级。中铁设计航遥院在全国高速铁路竣工测量中首次应用倾斜摄影测量技术与移动式三维激光扫描技术,构建数字京张,服务“智能运维”。

采访现场,中铁设计航遥院团队播放了京张高铁竣工测量成果展示视频,京张高铁的隧道顶与隧道内分别由倾斜摄影测量成果与移动式三维激光扫描成果展示,线路的周边环境与隧道内部情况一目了然。


京张高铁倾斜摄影三维模型

京张高铁及崇礼铁路共227公里,沿线部分区域属于高山地及季节多风区域,再加上沿线机场及重点地区多,给航飞工作带来了许多困难。经过慎重考虑,航遥院选择了采用直升机搭载国产SWDC-5倾斜相机进行倾斜摄影测量工作,地面分辨率达5cm。京张高速铁路倾斜摄影三维模型的建立,为“智能运维”及三维GIS提供了基础数据,同时这也是我国高速铁路倾斜摄影测量技术体系建立的试验和探索。

京张高铁与崇礼铁路隧道长度共72.3公里,如何为隧道竣工及运营维护阶段隧道管理进行测量?通过对各种测量方式的比对后,航遥院选择了采用移动式三维激光扫描测量系统对全线隧道进行扫描。所采用的三维激光扫描移动测量系统集成了三维激光扫描技术、GPS/IMU组合导航(POS)定位定姿技术、多传感器集成移动测量等技术,同时以轨道小车为载体,进行隧道快速三维激光扫描,经过一系列的后处理,获取铁路轨道及附属设施的高精度点云数据。

采用移动式三维激光扫描技术,数据采集快、信息获取全面,而且测量精度高、自动化程度高,可快速获取隧道内的高密度、高精度的点云数据,并以沿线CPIII控制点为起算数据,采用联合解算方法进行约束,绝对精度能达到10mm。作为京张高铁的运营维护的一种高效率的测量手段,它满足了隧道运营维护的需要。

中铁设计航遥院参与了京张高铁建设全过程,为了保质、保量且及时完成任务夜以继日工作。“工作上的劳累,对于我们来说不算什么,做测绘的,就是常年在外作业,风吹日晒也已经习惯了。”但是工作中毫米级甚至亚毫米级精度的严格要求,并不是所有人都理解,他们往往要对此解释一番。“有些人会不理解为什么一定要死磕那一毫米甚至不到一毫米的误差,测绘工作中的毫米误差,最终反映到工程中,往往不再是一毫米,所以这就要求我们格外严谨,一丁点都不能放松。”参与此项工作的工程师说道。

BIM+GIS

开启智能高铁设计、建设、管理新篇章

和勘测工作开展时间不同,京张高铁的BIM工程设计与基于BIM+GIS的工程建设管理工作由2017年年初开始。随着BIM技术的推广与不断成熟,且考虑到京张高铁的全线长度、跨越省份与复杂地质等因素,BIM技术如何在高铁设计、建设、管理中应用被提上了日程。如何应用?能否达到预期效果?这些都是曾经摆在中铁设计BIM中心工程师面前的问题。

在对自身整体、设计能力调研之后,中铁设计BIM中心决心做“开路者”。受京张公司委托,在国铁集团(原铁总)直接领导下,首先开展了八达岭隧道及地下站BIM试点工作,整体思路与技术方案得到国铁集团的认可后,经精心组织,BIM设计成果得到了相关单位的一致好评。中铁设计BIM中心在此基础上又开展了“三站三隧”BIM设计及全线全专业的BIM设计工作,首次实现BIM技术应用于高铁的全线、全专业三维设计,为京张高铁BIM技术在全生命周期中应用打下了坚实的基础。

中铁设计BIM展示平台截图

京张高铁的智能建造以BIM+GIS技术为核心,综合应用物联网、云计算、移动互联网、大数据等新一代信息技术,与先进的工程建造技术相融合,实现建设过程中质量、安全、进度、投资、环保的精细化和智能化管理。

为了更好地服务于京张高铁建设,发挥空间地理信息的基础支撑作用,依托《铁路工程信息模型分类和编码标准》《铁路工程信息模型数据存储标准》《面向铁路工程信息模型应用的地理信息交付标准》等一系列BIM标准,中铁设计BIM中心进行了全面而细微的探索与攻关。

“最初的研究中,我们遇到了太多的问题,比如BIM技术在高铁建设中存在不能落地的情况、房建的一些标准不能直接应用到高铁建设中来、原厂的建模软件不能达到铁路建设要求与标准等等问题。”为此,中铁设计BIM中心组织骨干力量,开展研究并进行软件的二次开发。在原标准体系的框架下进行了验证与拓展,编制了涉及27个专业的企业级语义编码体系标准,对所需要的各专业建模软件进行了二次开发,使得工作组织有序、有标准可依、项目实施更有针对性。京张高铁BIM项目房建负责人赵博洋说起项目来滔滔不绝。

“在京张高铁BIM项目中,我们以BIM协同设计为核心开展设计工作。全线按工程特点划分为56个设计段落,我们首先分别对56段进行BIM设计,然后利用GIS平台对所有BIM数据进行坐标系转换,组装形成一个完整的三维数字铁路。”京张高铁BIM项目测绘负责人周清华解释了如何通过两种技术融合的解决方案完整地实现全线数字铁路。

周清华强调,在工作开展中,遇到了各式各样的问题,但本着一股不放弃、肯钻研的劲儿,他们将问题一一化解。比如,如何进行多种格式BIM模型数据到GIS平台支持数据格式的转换,通过将近一年的不断尝试与调整,他们找到了答案。“比如BIM中的一些三维的数据,在转换三角网的过程中,针对它的不同特点做一些技术处理,这样就能在GIS平台上快速完成,从而保证数据的正常使用。”

通过协同平台的建设,实现了更为科学、高效的工作环境建设与各专业人员的管理。“以往我们的工作,权限靠人来划定。现在,在平台上,我们对不同线路、专业按标段划分,然后再连接项目标段,这样,我们既有一个统一的标准,还能支持和反映不同工作人员各自职责的协同作业。”

中铁设计BIM中心在项目过程中解决的技术问题远不止于此,采访中他们提到的包括三维BIM模型投影变换过程中的误差处理、依托BIM标准体系组织管理BIM数据、BIM模型显示策略定制等,这些问题的研究解决,形成多项成果并申请了专利。

京张高铁是我国首条全线、全专业开展BIM设计并与GIS相融合的数字铁路,为智能建造提供了数据基础,也为高铁智能运维探索了新的途径。

看着采访现场播放了京张高铁竣工测量效果视频,看着视频中列车飞驰,受访者们全神贯注,面带欣慰。如果不是他们讲述,我们不会知道在此之前许多个寒夜与白日里,他们为174公里高铁的毫米精度付出了怎样的汗水与心血。当记者问及参与京张高铁的建设有什么感受,“高铁开通运营时,很自豪,也很感动。”对于是否觉得辛苦,“习惯啦。”工程师们只是一声简短的回答。

万丈高楼拔地而起,高速铁路呼啸向前……在感受生活的巨大便利时,这也时时提醒我们,为了改变人们美好生活而付出努力与不断攀登的工作人员值得尊重,包括测绘人。

文/本刊记者公海燕    图/中铁工程设计咨询集团有限公司
来源:《中国测绘》


上一篇:BIM技术在净化工程设计中的应用案例
下一篇:最后一页