鐵路選線課程設(shè)計(jì)改革研究
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摘要：鐵路選線課程設(shè)計(jì)是鐵道工程專業(yè)本科教學(xué)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，文章針對課程設(shè)計(jì)分析了當(dāng)前存在的問題，并進(jìn)一步整合智能工程技術(shù)及鐵路選線課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了基于BIM及GIS技術(shù)的鐵路選線課程設(shè)計(jì)改革思路及具體實(shí)現(xiàn)過程，以期為BIM及GIS技術(shù)在類似畢業(yè)設(shè)計(jì)改革中的應(yīng)用推廣提供參考。
關(guān)鍵詞：鐵路選線；BIM技術(shù)；GIS技術(shù)；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)改革
一、引言
隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，帶動(dòng)了新一輪對鐵道工程專業(yè)人才的迫切需求，也推動(dòng)了中國新時(shí)期高速鐵路設(shè)計(jì)施工領(lǐng)域人才的需求變革。當(dāng)前，工程實(shí)踐應(yīng)用能力及綜合素質(zhì)的提升是工程本科專業(yè)人才的主要目標(biāo)，而畢業(yè)設(shè)計(jì)是其中重要的環(huán)節(jié)之一。鐵路線路設(shè)計(jì)融合選線、測量、軌道、路基、地質(zhì)等專業(yè)課程知識(shí)，集總體決策性、實(shí)踐性和知識(shí)性為一體，是不可多得的綜合運(yùn)用鐵道工程專業(yè)理論和專業(yè)知識(shí)的畢業(yè)設(shè)計(jì)案例。目前，傳統(tǒng)的鐵路選線課程設(shè)計(jì)已經(jīng)難以適應(yīng)高速鐵路與城市軌道交通發(fā)展對鐵道工程專業(yè)人才培養(yǎng)的技術(shù)需要，將智能新技術(shù)等作為支撐，深入推進(jìn)工程理論及實(shí)踐教學(xué)模式改革是未來發(fā)展的必然趨勢。本文就目前高校鐵路選線課程設(shè)計(jì)存在的問題，結(jié)合課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，積極探索實(shí)用創(chuàng)新性方法，構(gòu)建互動(dòng)、平等教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、質(zhì)疑思辨、求實(shí)創(chuàng)新能力，全面提升課程設(shè)計(jì)質(zhì)量，推進(jìn)方法改革。
二、鐵路選線課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀
鐵路選線課程設(shè)計(jì)是運(yùn)用基礎(chǔ)理論及專業(yè)知識(shí)的綜合訓(xùn)練，熟悉選線設(shè)計(jì)理論，多次進(jìn)行實(shí)地定線或紙上定線實(shí)踐是掌握鐵路選線課程的重要方法。然而，多數(shù)傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)過程難以達(dá)到培養(yǎng)效果，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
1.課程設(shè)計(jì)選題與工程實(shí)際聯(lián)系不緊密。鐵路選線課程設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及鐵路能力計(jì)算和鐵路設(shè)計(jì)及方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選三部分。畢業(yè)課程設(shè)計(jì)選題需合理考慮以上三部分因素，結(jié)合可靠的工程背景、工程資料及課程培養(yǎng)目標(biāo)，綜合訓(xùn)練學(xué)生分析與解決實(shí)際工程能力。然而，目前國內(nèi)大多數(shù)高校缺乏系統(tǒng)性的工程數(shù)據(jù)支撐，涉及實(shí)際工程問題較少，缺乏工程真實(shí)感，更多的停留于理論計(jì)算，而忽視應(yīng)用性，偏離工程實(shí)踐能力導(dǎo)向。
2.深入現(xiàn)場踏勘實(shí)訓(xùn)困難，質(zhì)量難以保證。鐵路選線設(shè)計(jì)深入現(xiàn)場實(shí)地踏勘，通過學(xué)生在現(xiàn)場的觀察、思考學(xué)習(xí)和專業(yè)技術(shù)人員及教師的指導(dǎo)，能夠強(qiáng)化理論與實(shí)踐關(guān)系的認(rèn)知。但現(xiàn)實(shí)操作過程中，由于實(shí)地考察的場址選擇需綜合考慮學(xué)生的安全、吃住行等因素，實(shí)地培訓(xùn)的順利開展困難重重。同時(shí)，現(xiàn)場指導(dǎo)過程中教師及技術(shù)人員講解難以保證面面俱到，且大多數(shù)學(xué)生被動(dòng)的“走馬觀花”式學(xué)習(xí)難以保證學(xué)習(xí)質(zhì)量。甚至，許多高校出于安全因素取消現(xiàn)場實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)?？傮w而言，目前高校鐵路選線課程設(shè)計(jì)在理論與實(shí)踐的整合方面缺乏有效的方法，使得學(xué)生專業(yè)能力、方法能力及創(chuàng)新能力未得到有效訓(xùn)練。
三、基于BIM及GIS技術(shù)的鐵路選線課程設(shè)計(jì)改革研究
建筑信息化模型（BuildingInformationModel，BIM）是一個(gè)四維管理系統(tǒng)，即三維實(shí)體的全生命周期管理系統(tǒng)。工程技術(shù)人員根據(jù)工程資料建立相應(yīng)數(shù)字模型，共同發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，實(shí)現(xiàn)工程的全生命周期管理，包括可視化、造價(jià)分析、碰撞檢測、結(jié)構(gòu)計(jì)算和運(yùn)營維護(hù)等。地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）為獲取、處理、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)的平臺(tái)，提供了研究一切地理實(shí)體要素的手段和方案。隨著土木信息智能化建設(shè)的發(fā)展，BIM及GIS技術(shù)也逐漸應(yīng)用于線路、路基、高架橋等鐵路工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，不僅提供了高品質(zhì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)成型方案，更為業(yè)主提供了更為直觀的交付體驗(yàn)。本文基于國內(nèi)外BIM技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用，將鐵路選線課程設(shè)計(jì)與BIM優(yōu)勢進(jìn)行整合研究，具體實(shí)施方法如下。
1.建立工程數(shù)據(jù)庫及與GIS的有效融合。BIM技術(shù)的核心是面向?qū)ο蟮臄?shù)字建模技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)鐵路選線設(shè)計(jì)，前期則需確定工程所在的地理位置，隨后基于選線設(shè)計(jì)理論規(guī)劃線路并進(jìn)行空間擺放。為此，需首先基于參數(shù)化控制進(jìn)行三維元庫的建立。利用三維建模軟件，導(dǎo)入相應(yīng)元件三維數(shù)據(jù)信息，初步構(gòu)建后期線路設(shè)計(jì)中必須的軌道、橋隧等三維模型，建立工程數(shù)據(jù)庫。其次，鐵路是一種線狀結(jié)構(gòu)，地理空間跨度大線路所在區(qū)域變化多樣，不僅包含城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村，仍可能穿越河流及山區(qū)丘陵等路段。實(shí)地定線往往由于實(shí)際條件限制難以達(dá)成，紙上定線往往不夠直觀。GIS能夠直觀描述區(qū)域內(nèi)線路設(shè)計(jì)地形地貌，確定線路起訖點(diǎn)工程水文地質(zhì)概況，并通過三維形式展現(xiàn)出來。有效融合BIM及GIS可滿足不同對象尺度之間的相互協(xié)調(diào)，合理地做到局部控制設(shè)計(jì)的精度又兼顧全局協(xié)調(diào)的一致性，便于教師課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)及學(xué)生快速消化理解。
2.虛擬環(huán)境下鐵路選線設(shè)計(jì)。虛擬環(huán)境選線設(shè)計(jì)主要包含鐵路定線、平縱斷面設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。首先學(xué)生可通過GIS技術(shù)，直觀的確定線路走向控制點(diǎn)及接軌點(diǎn)布置；同時(shí)，通過GIS可較為直觀的獲取城鄉(xiāng)整體布局，考慮拆遷工程并滿足客貨運(yùn)輸要求，進(jìn)而合理布置車站位置；最后結(jié)合BIM技術(shù)設(shè)計(jì)線路平縱斷面，并融合GIS數(shù)據(jù)信息，結(jié)合緊坡地段和緩坡地段定線方法對線路平縱斷面進(jìn)行改善，聯(lián)動(dòng)交互設(shè)計(jì)達(dá)到合理閾值，提升學(xué)生對選線設(shè)計(jì)的認(rèn)知和理解。此外，鐵路線路通常分布大量的橋梁、涵洞及隧道建筑物。線路與建筑物之間是相互依存的整體與局部關(guān)系，特大橋及長隧道往往影響線路的局部走向，而橋涵、隧道數(shù)量設(shè)置的多少往往決定線路的安全及經(jīng)濟(jì)合理性，必須在選線設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)存在圖紙協(xié)同設(shè)計(jì)較差、精細(xì)化程度較低等問題，采用BIM技術(shù)開展橋隧設(shè)計(jì)可顯著彌補(bǔ)二維設(shè)計(jì)的缺陷，通過建立三維模型，結(jié)合GIS技術(shù)可對橋涵、隧道局部位置進(jìn)行調(diào)整，提升工作效率，快速優(yōu)化建筑物定線設(shè)計(jì)方法。
3.方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。鐵路設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，是以較低的投資實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)輸能力，同時(shí)創(chuàng)造良好的運(yùn)營條件降低運(yùn)營費(fèi)用。通常實(shí)際工程中，在滿足“技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境融合”條件下，需給出多種方案進(jìn)行比選。結(jié)合BIM及GIS技術(shù)可快速直觀地進(jìn)行方案比選，比如線路途經(jīng)的經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)、填挖方工程及橋隧數(shù)量等。學(xué)生可通過該技術(shù)直觀感受鐵路選線方案的動(dòng)態(tài)優(yōu)化過程，并高效地提出具有比較價(jià)值的方案，積累初期的工程經(jīng)濟(jì)投資計(jì)算比選經(jīng)驗(yàn)。
4.課程設(shè)計(jì)考核及綜合效果評價(jià)。通過以上鐵路選線課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，學(xué)生可基本完成并掌握整個(gè)鐵路選線設(shè)計(jì)的過程。進(jìn)一步，可依托智能技術(shù)平臺(tái)，組織學(xué)生小組對提出的選線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體互相評價(jià)。學(xué)生通過可視化的3D模型學(xué)習(xí)、對比訓(xùn)練并解決工程具體問題，實(shí)時(shí)感受線路設(shè)計(jì)過程及成果，極大地促進(jìn)學(xué)生之間相互交流學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。值得說明的是，以上分析均是以基于設(shè)計(jì)主導(dǎo)模式進(jìn)行的，實(shí)際選線設(shè)計(jì)中仍可通過BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)同時(shí)直觀立體地展現(xiàn)施工過程，控制施工進(jìn)度及施工運(yùn)營成本，減少設(shè)計(jì)變更，同時(shí)確保施工質(zhì)量等。學(xué)生在開放的BIM平臺(tái)環(huán)境中能夠得到更為全面的鍛煉發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綜合素質(zhì)能力的提高。
四、結(jié)語
基于BIM及GIS技術(shù)的鐵路選線設(shè)計(jì)是未來發(fā)展的趨勢，當(dāng)前，鐵路行業(yè)BIM技術(shù)人才相對匱乏，發(fā)展培養(yǎng)具有熟悉BIM技術(shù)的鐵路專業(yè)人才是引領(lǐng)鐵路向建設(shè)智能化、信息化高層次發(fā)展的必要條件。本文從改革鐵路選線設(shè)計(jì)方法入手，提出基于BIM平臺(tái)，融合GIS技術(shù)優(yōu)化課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，通過立體、可視化的3D模型訓(xùn)練，幫助學(xué)生對鐵路選線設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)化理解，加深學(xué)生對鐵路選線的整體認(rèn)知，提高解決實(shí)際問題的能力，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新型鐵路工程復(fù)合型人才培養(yǎng)的目的。
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作者：涂文博 單位：華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院
