三维激光扫描配合BIM技术在铁路设计中的应用

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。

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。可对所测地物进行高速度、高精度的数据采集，4h内即可完成100m×200m 方形区域的地形图测绘外业工作，并具有毫米级测量精度。

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。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。

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。

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：

• 在测区南侧、北侧各设立1个站点作为架设仪器的位置
• 利用施工GPS控制网数据使用的GPS-RKT采集设站点1、站点2，及相应后视点三维坐标数据
• 分别在设站点1、2，架设TrimbleSX10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。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。软件还可自动提取照片色值附着于对象点云。

“点云”数据处理成果

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。

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，60kg/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5m。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45km/h。框构涵长度为62m，顶板厚35cm，边墙与底板厚40cm，上部加腋尺寸50cm×25cm，下部加腋尺寸25cm×25cm。为满足供热管道的检修需求，在套涵两端出入口设检查井。

Revit族文件的建立

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。

D梁加固系统族文件

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。

框构涵、滑板、后背桩、后背梁族文件

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，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。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。

框构涵族参数化设置界面

(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。

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。创建步骤如下：

• 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
• 通过导入创建地形表面选择导入实例。可根据以 DWG、DXF 或 DGN 格式导入的三维等高线数据自动生成地形表面
• 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，还可按照CAD中的地物标记拼接相关铁路构件族

三维场地模型创建

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。

框构涵模型结构配筋

创建步骤如下：

• 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
• 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
• 钢筋布置完成后，可根据需要生成“钢筋明细表”，以备材料统计使用

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：

• 开挖顶进工作坑，制作滑板、框构涵、顶进设备等
• 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
• 铁路线下开挖路基本体，顶进就位
• 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

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。

生成二维施工图纸

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。