鐵路選線課程設計改革研究

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摘要：鐵路選線課程設計是鐵道工程專業本科教學的重要實踐環節，文章針對課程設計分析了當前存在的問題，并進一步整合智能工程技術及鐵路選線課程設計特點，提出了基于BIM及GIS技術的鐵路選線課程設計改革思路及具體實現過程，以期為BIM及GIS技術在類似畢業設計改革中的應用推廣提供參考。

關鍵詞：鐵路選線；BIM技術；GIS技術；課程設計；教學改革

一、引言

隨著“一帶一路”倡議的推進，帶動了新一輪對鐵道工程專業人才的迫切需求，也推動了中國新時期高速鐵路設計施工領域人才的需求變革。當前，工程實踐應用能力及綜合素質的提升是工程本科專業人才的主要目標，而畢業設計是其中重要的環節之一。鐵路線路設計融合選線、測量、軌道、路基、地質等專業課程知識，集總體決策性、實踐性和知識性為一體，是不可多得的綜合運用鐵道工程專業理論和專業知識的畢業設計案例。目前，傳統的鐵路選線課程設計已經難以適應高速鐵路與城市軌道交通發展對鐵道工程專業人才培養的技術需要，將智能新技術等作為支撐，深入推進工程理論及實踐教學模式改革是未來發展的必然趨勢。本文就目前高校鐵路選線課程設計存在的問題，結合課程設計特點，積極探索實用創新性方法，構建互動、平等教學平臺，培養學生獨立思考、質疑思辨、求實創新能力，全面提升課程設計質量，推進方法改革。

二、鐵路選線課程設計的現狀

鐵路選線課程設計是運用基礎理論及專業知識的綜合訓練，熟悉選線設計理論，多次進行實地定線或紙上定線實踐是掌握鐵路選線課程的重要方法。然而，多數傳統的課程設計過程難以達到培養效果，主要表現在以下兩個方面。

1.課程設計選題與工程實際聯系不緊密。鐵路選線課程設計內容涉及鐵路能力計算和鐵路設計及方案技術經濟比選三部分。畢業課程設計選題需合理考慮以上三部分因素，結合可靠的工程背景、工程資料及課程培養目標，綜合訓練學生分析與解決實際工程能力。然而，目前國內大多數高校缺乏系統性的工程數據支撐，涉及實際工程問題較少，缺乏工程真實感，更多的停留于理論計算，而忽視應用性，偏離工程實踐能力導向。

2.深入現場踏勘實訓困難，質量難以保證。鐵路選線設計深入現場實地踏勘，通過學生在現場的觀察、思考學習和專業技術人員及教師的指導，能夠強化理論與實踐關系的認知。但現實操作過程中，由于實地考察的場址選擇需綜合考慮學生的安全、吃住行等因素，實地培訓的順利開展困難重重。同時，現場指導過程中教師及技術人員講解難以保證面面俱到，且大多數學生被動的“走馬觀花”式學習難以保證學習質量。甚至，許多高校出于安全因素取消現場實習機會。總體而言，目前高校鐵路選線課程設計在理論與實踐的整合方面缺乏有效的方法，使得學生專業能力、方法能力及創新能力未得到有效訓練。

三、基于BIM及GIS技術的鐵路選線課程設計改革研究

建筑信息化模型（BuildingInformationModel，BIM）是一個四維管理系統，即三維實體的全生命周期管理系統。工程技術人員根據工程資料建立相應數字模型，共同發現問題，解決問題，實現工程的全生命周期管理，包括可視化、造價分析、碰撞檢測、結構計算和運營維護等。地理信息系統（GeographicInformationSystem，GIS）為獲取、處理、管理和分析地理空間數據的平臺，提供了研究一切地理實體要素的手段和方案。隨著土木信息智能化建設的發展，BIM及GIS技術也逐漸應用于線路、路基、高架橋等鐵路工程設計當中，不僅提供了高品質項目設計成型方案，更為業主提供了更為直觀的交付體驗。本文基于國內外BIM技術的研究現狀及應用，將鐵路選線課程設計與BIM優勢進行整合研究，具體實施方法如下。

1.建立工程數據庫及與GIS的有效融合。BIM技術的核心是面向對象的數字建模技術，為實現鐵路選線設計，前期則需確定工程所在的地理位置，隨后基于選線設計理論規劃線路并進行空間擺放。為此，需首先基于參數化控制進行三維元庫的建立。利用三維建模軟件，導入相應元件三維數據信息，初步構建后期線路設計中必須的軌道、橋隧等三維模型，建立工程數據庫。其次，鐵路是一種線狀結構，地理空間跨度大線路所在區域變化多樣，不僅包含城鎮鄉村，仍可能穿越河流及山區丘陵等路段。實地定線往往由于實際條件限制難以達成，紙上定線往往不夠直觀。GIS能夠直觀描述區域內線路設計地形地貌，確定線路起訖點工程水文地質概況，并通過三維形式展現出來。有效融合BIM及GIS可滿足不同對象尺度之間的相互協調，合理地做到局部控制設計的精度又兼顧全局協調的一致性，便于教師課程設計指導及學生快速消化理解。

2.虛擬環境下鐵路選線設計。虛擬環境選線設計主要包含鐵路定線、平縱斷面設計兩個階段。首先學生可通過GIS技術，直觀的確定線路走向控制點及接軌點布置；同時，通過GIS可較為直觀的獲取城鄉整體布局，考慮拆遷工程并滿足客貨運輸要求，進而合理布置車站位置；最后結合BIM技術設計線路平縱斷面，并融合GIS數據信息，結合緊坡地段和緩坡地段定線方法對線路平縱斷面進行改善，聯動交互設計達到合理閾值，提升學生對選線設計的認知和理解。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、隧道數量設置的多少往往決定線路的安全及經濟合理性，必須在選線設計中體現。傳統的CAD設計存在圖紙協同設計較差、精細化程度較低等問題，采用BIM技術開展橋隧設計可顯著彌補二維設計的缺陷，通過建立三維模型，結合GIS技術可對橋涵、隧道局部位置進行調整，提升工作效率，快速優化建筑物定線設計方法。

3.方案技術經濟比選。鐵路設計的總體目標，是以較低的投資實現所要求的運輸能力，同時創造良好的運營條件降低運營費用。通常實際工程中，在滿足“技術可行、經濟合理、環境融合”條件下，需給出多種方案進行比選。結合BIM及GIS技術可快速直觀地進行方案比選，比如線路途經的經濟據點、填挖方工程及橋隧數量等。學生可通過該技術直觀感受鐵路選線方案的動態優化過程，并高效地提出具有比較價值的方案，積累初期的工程經濟投資計算比選經驗。

4.課程設計考核及綜合效果評價。通過以上鐵路選線課程設計訓練，學生可基本完成并掌握整個鐵路選線設計的過程。進一步，可依托智能技術平臺，組織學生小組對提出的選線設計方案進行整體互相評價。學生通過可視化的3D模型學習、對比訓練并解決工程具體問題，實時感受線路設計過程及成果，極大地促進學生之間相互交流學習的主觀能動性。值得說明的是，以上分析均是以基于設計主導模式進行的，實際選線設計中仍可通過BIM技術在設計同時直觀立體地展現施工過程，控制施工進度及施工運營成本，減少設計變更，同時確保施工質量等。學生在開放的BIM平臺環境中能夠得到更為全面的鍛煉發展，實現綜合素質能力的提高。

四、結語

基于BIM及GIS技術的鐵路選線設計是未來發展的趨勢，當前，鐵路行業BIM技術人才相對匱乏，發展培養具有熟悉BIM技術的鐵路專業人才是引領鐵路向建設智能化、信息化高層次發展的必要條件。本文從改革鐵路選線設計方法入手，提出基于BIM平臺，融合GIS技術優化課程設計內容，通過立體、可視化的3D模型訓練，幫助學生對鐵路選線設計的整體系統化理解，加深學生對鐵路選線的整體認知，提高解決實際問題的能力，最終實現應用創新型鐵路工程復合型人才培養的目的。

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作者：涂文博 單位：華東交通大學土木建筑學院