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铁路项目全生命周期包括立项、设计、建设、交付、运营和维护等过程,铁路设计作为铁路项目的前驱性工作,是一项庞大复杂的系统工程,需要多专业间密切配合,频繁地进行信息交互,并且与业主、施工单位、监理等建设参与方进行沟通协作来完成,共同将设计蓝图转变为铁路构筑物实体。目前各专业都有专门CAD软件,但设计过程及成果都采用二维图,这种方式在一定程度上提高了设计效率,但用二维的手段来表达庞大复杂的三维铁路实体,其局限性逐步显现为:(1)在专业内部,二维设计不够直观形象,缺乏三维设计的整体和全局性,也无法承载更多非图形化信息,容易导致设计差错漏碰,设计质量难以进一步提高。(2)各专业间存在信息孤岛,沟通不及时、不顺畅。各专业在独立软件中进行设计,专业间接口繁多,大部分信息共享和交换是由人工完成的,难以实现设计信息的集成和自动化传达,使工程师们有时需耗费大量时间来处理和理解其他专业互提资料,并经常发生由于更新延迟而导致关联专业返工,人力、时间浪费严重,影响效率的进一步提高。(3)与外部单位沟通时,设计意图表达和理解不明确。设计方与业主沟通和施工方交底时,主要采用的是二维平面图的形式,甚至有的附属工程设计只有文字说明,施工人员不能准确地理解设计意图,直接影响到工程建设的质量。(4)设计成果不能有效地服务于包括建设、运营、管理和维护等铁路项目全生命周期,无法实现设计成果利益最大化。由于缺乏三维信息模型的支持,建设和运营仿真、管理技术集成和面向公众的三维信息系统难以构建,无法实现设计成果利益最大化;当前铁路养护主要依赖于人力发现问题,需在海量竣工图中来查找问题路段的资料,由于设计单位通常不参加铁路养护,设计成果有时不能得到正确的理解,导致养护维修工作效率低下。采用BIM的铁路设计,可让设计人员直接在三维场景中设计,有了表达全部几何参数和设计构想的可能,使整体设计过程能够在三维模型中分析与研究,能够更好地完善其设计思想,从而使设计方案合理化;各专业在同一集成的三维模型下进行设计并可获取任意视图二维设计图纸,加快制图进度,减少设计差错,更有利于专业协作,促进设计效率;有了BIM三维模型,将更直观方便地与业主、施工方等外部单位进行沟通,更有利于理解设计意图,减少变更和返工,提高整个行业效率;借助于BIM三维模型,可更好地服务于铁路建设、运营、管理和维护等铁路项目全生命周期,设计成果得到最大化利用,设计方、施工方和运维管理部门实现共赢。因此铁路设计中采用BIM是非常紧迫和必要的。
2BIM在铁路等工程设计中应用现状
随着信息技术、BIM三维技术等新兴技术的不断发展,铁路设计的计算机信息化水平大幅提升,传统的二维勘察设计技术正逐步向三维设计过渡,多家铁路设计院开展了多项三维BIM技术在铁路行业的研究,取得了一定的成果。但与建筑、机械等其他行业相比,铁路设计的BIM技术应用还处于初级阶段,还没有形成完整的BIM设计标准体系,设计与施工等阶段的信息共享机制还没有形成,没有形成承接整个产业链的BIM模型[1]。
2.1国外现状
在国外,勘察设计阶段的BIM三维技术应用已经相对成熟。在美国,越来越多的业主已经开始要求设计方提交BIM三维设计资料,而非传统的二维设计图纸。因此许多设计单位已在使用BIM三维设计软件、目前欧特克、奔特力、达索等国际知名软件公司是三维软件的领导者,大部分知名三维设计软件均出自上述公司。但广泛调研可知:任何一家公司的产品都不可能将铁路的三维勘察设计全过程覆盖,不同的软件开发商针对某一些特定专业研发了相应三维设计软件[1]。
2.2国内现状
国内的三维设计技术起步较晚。在香港,三维技术完成了从概念到实用的转变,处于全面推广的初始阶段。如香港铁路有限公司在港铁运营阶段成功应用数字化三维技术实现了采光、能耗、烟雾、人流和可视化碰撞检测[1]。在内地,自2004年起一些项目率先应用了三维技术,比如南水北调工程、天津港国际邮轮码头设计和上海世博会德国国家馆设计等。不过三维技术的应用还相当有限,要贯彻到整个产业链,真正融入设计师理念,尚需时日[1]。在国内的轨道交通勘察设计行业,三维设计技术的应用也在逐步开展:中铁二院[1]研发了基于数字地球的铁路三维空间选线系统,并实现了GoogleEarth规划设计、CAD精细设计及轨道交通三维仿真模块的集成;并开展铁路工程三维地质建模与可视化系统研究;建立了三维仿真可视化系统,开发了部分三维GIS功能;研发了二三维结合的测绘数据集成共享平台,为每个阶段提供全方位数据支持;利用3DMax等三维软件,开展轨道交通前期投标和后期成果展示的三维模型和动画渲染技术研究工作。铁三院已专门成立铁道部重点实验室,集铁路勘察设计各专业技术人员,准备基于GIS、网络、虚拟现实、数据库等新技术,正开展“数字化三维协同设计系统研究与开发”;中铁四院利用基于航空摄影与遥感获取的DEM、DOM以及各种多源数据,建立三维地形场景,开发线路设计的矢量图形系统,在三维建模、工程量预算等方面进行了一些应用。国内的专业CAD软件企业也看到了三维设计的未来发展趋势,如理正、天正和鸿业等公司纷纷了相关三维设计平台,但都是针对某一领域做到了三维设计,离贯通铁路全专业的三维勘察设计还有较大距离。
3铁路设计BIM技术应用
初级阶段的技术方案铁路设计的BIM技术应用还处于初级阶段,国内外尚无成熟的技术方案可供参考。笔者参与的中铁二院三维设计团队结合某铁路项目,同步于传统的二维设计开展了三维设计工作[1],下面就现阶段基于BIM理念进行的线路选线、工点三维设计、三维地理信息集成应用等技术方案进行介绍。
3.1基于BIM的线路选线运用
中铁二院“数字地球铁路三维空间选线设计系统(GERailV1.0)”规划线路通道。根据规划成果进行航测制图,获取选线区域DEM和DOM,基于Sky-line构建三维数字地形,在此基础上二次开发叠加三维地质图层和环评、交通、水系等图层,形成三维选线基础环境。(1)基于GERail直接进行线路规划,提取地形数据、纵横断面地面线、设置纵断面变坡点、规划车站桥隧位置等(如图2)。(2)基于GERail在三维环境中展示线路方案,包括单个线路方案的线、桥、隧、站、地质、环评等各专业以及多个线路方案的对比显示。(3)规划完成后对选线通道进行航飞,获取选线区域DEM和DOM基础数据并集成地质、环评等专业数据,基于Skyline软件构建选线三维环境进行选线[1]。
3.2基于BIM的工点设计
工点三维设计主要是应用欧特克的Civil3D、Re-vitArchitecture、Naviswork等软件对线路、路基、站房、桥梁、隧道等专业开展局部工点设计。(1)运用Civil3D软件进行线路和路基设计。Civil3D可在三维地形模型的基础上,提供参数化的路线布局工具(支持直线、圆曲线和多种缓和曲线),支持以动态交互方式的设计平面线路、纵曲线高程以及横断面路基形式,最终形成三维的铁路路基模型,并保证所有的三维工程对象都是智能关联,一处修改,处处更新。一旦三维模型完成后,系统可以自动批量创建图纸集,并生成土方施工图和计算报表。(2)运用RevitArchitecture软件开展了车站三维设计,能够根据建立的车站三维模型实时获取平立剖二维设计图纸,统计工程量,展现车站整体设计效果。Revit是从整体的角度建立建筑物的数字模型,而不是单独处理个别的楼层平面、剖面和立面图,所有需要的相关项目平立剖图纸、表格和各种二维、三维视图,都是根据BIM模型自动创建、并相互动态关联,如图3所示。(3)运用Navisworks进行三维漫游展示和四维虚拟施工模拟。在所建立的工点三维模型基础上,运用Navisworks创建施工进度动画,即在电脑上预先模拟项目施工的开展过程。通过4D模拟能够有效地帮助设计人员对设计和施工方案进行深入研究,预先探讨施工过程中可能出现的诸多问题,从而在早期确定风险,显著减少现场浪费[1],如图4所示。(4)运用3DMax对设计成果进行视频展现。结合各项建立的三维模型,利用工具快速、方便的将Civ-il3D中的三维模型导入到3DMax中加以渲染和制作动画特效[1],如图5所示。(5)利用CATIA强大的地质建模功能构建三维地质体,利用三维参变和知识工程快速构建复杂空间关系的桥梁信息模型[1],如图6所示。(6)利用CATIA建立隧道三维地质体辅助隧道结构设计,利用隧道结构部件库结合参数化调整程序进行洞门、洞身三维设计[1],如图7所示。
3.3三维地理信息集成应用
基于标准椭球体,采用高精度DEM和DOM数据,构建精细三维虚拟地形环境,将线路、路基、站房、隧道等三维设计成果直接转化为3DMax模型导入基于三维GIS技术的管理平台。实现在该平台上对铁路进行全线虚拟漫游和选定工点的模型展示,并能实现对设计成果进行信息标注、管理和分析查询[1],如图8所示。图8各专业三维数据导入到三维地理信息系统中融合。
4结论
在铁路桥梁预制的过程中,混凝土灌注是如果碰撞了模板或者立模时存在误差,会使铁路桥梁横向预应力联结孔产生位移。为了保证施工时两片横梁的预应力孔可以对接好。架梁施工前,要逐个检查入场桥梁的横向孔道,清理不通畅的孔道。为了保证压浆孔的通畅性,还要逐个检查所有的压降孔。
2各个关键点的焊接工作
在进行铁路T型梁的应力联结施工时,为了避免架梁过程中出现落梁的情况。所以,需要在架梁施工前将普通梁桥面的横向钢筋处理好。以免影响第二片梁的就位造成影响。安装波纹管时,使用机械卷根据梁型制作波纹管,要求波纹管的质量、尺寸都达到设计标准的相关要求。使用精轧螺纹钢筋作为横向预应力钢筋,对于长度过大的钢筋,使用砂轮机进行切割。并利用手提砂轮将钢筋端头的毛刺磨平。要在架桥之前,将中部隔板和端头隔板的波纹管都安装在梁体预留孔中。对于中间位置的隔板,可以等到桥梁架设到设计位置后,在没有穿过横向预应力时进行安装,注意要将波纹管的中心位置标记出来。在架桥剂设置到设计位置后,根据所标的位置对波纹管进行安装,并对安装不到位的地方进行适当调整。安装过程中,预留孔内的长度要大于200mm。为了避免出现跑浆的情况,使用海绵将混凝土和波纹管之间的缝隙堵住。施工人员在进行波纹管的安装工作时,要系上安全带后又墩台位置进入到两片梁的内侧来完成波纹管的安装。安装好波纹管道后,要对孔道进行检查,合格后将预应力钢筋穿过,并根据设计要求将锚具旋转入。落梁到位后,作业人员可以站在两片梁中和桥台焊接梁联结板。
3安装钢筋和模板本工程施工的钢筋
首先在库房中进行加工,加工完成后将钢筋输送到施工现场。除了可以更好的对材料进行保管以外,还可以便于支座钢筋结构。由于铁路T梁使用高空作业的方式进行施工,首先要将工作平台搭建好。常用的搭接方式主要有两种,一种是在两个梁之间使用木板直接平铺,然后将所有的木板都利用钢管连接成一个整体。另一中方法是使用竹胶板和脚手架进行搭接。在捆绑非预应力钢筋时,要保证波纹管位置的正确性。搭建施工平台时,使用钢管脚手架和角钢以及木板焊接制成。捆绑过程中连接梁体预埋筋和钢筋时,本工程使用捆绑搭接的方法来作业,并使用铁丝将两端位置和搭接位置捆绑好。进行模板安装的过程中,想要在梁上的模板上找出一个支撑点是非常困难的,因此模板的安装难度是比较大的。安装模板前,为了保证填塞工作的紧密性,避免灌注混凝土时产生漏浆的情况,要先检查波纹空隙、预应力孔等,达到设计要求后,将预应力孔道堵塞好。本工程所有梁形都使用钢模板来进行施工,要保证模板安装的牢固、稳定和可靠,模板的表面要光滑,要可以达到钢筋保护层的要求。
4灌注混凝土
在进行混凝土的灌注施工时,使用由N16铁路平板车和一部轻型轨道车来进行施工。施工使用的混凝土主要由N16平板车上的搅拌机来进行搅拌,并从梁中的缝隙灌入到浇筑位置中。在灌注混凝土时,使用插入式振捣器进行振捣,注意不要破坏波纹管和钢筋。完成混凝土灌注后,为了避免波纹管出现漏浆导致管道出现堵塞的情况,要等到混凝土初凝之前把预应力钢筋穿动。此外,进行桥梁的假设前,将桥面预铺道渣厚度控制在210mm。
5拆模和养护
施工完成混凝土的浇筑工作后,要在12个小时内进行洒水养护,并使用塑料薄膜进行覆盖。注意养护过程中,不要使混凝土受到损坏。当平均气温在5℃以下时,不需要进行洒水养护。混凝土强度在达到设计强度的60%时,将模板拆除。及时对混凝土灌注后的质量进行检查,当发现问题时,要及时对其进行处理。
6张拉横向预应力
钢筋混凝土强度在满足设计强度的85%时,检验人员将混凝土强度通知单提供出来后,即可张拉横向预应力。张拉之前要先对预应力钢筋的表面、预应力孔道、端杆的灰浆等进行张拉,并使用螺帽将钢筋拧到根部。使用梁边挂篮作为工人的施工平台,并使用千斤顶将其安置到U型螺栓上,使用钢管将支撑架千斤顶链条葫芦挂在钢管上。使用悬挂式吊篮在桥梁的两侧进行施工,按照好千斤顶后将预应力钢筋张拉到3MPa,然后划线并将其作为测量起点。张拉到控制应力持续五分钟后,对钢筋伸长量进行测量,并对比理论伸长量。在持荷过程中,如果发现油压降低,要将油压补充到设计油压值。完成持荷工作后,将张拉端的锚具拧紧,并使用专用工具和锤拧紧锚具,进行前进顶的回油工作,并对回缩值进行测量。将记录工作做好。按照张拉技术的相关要求,首先要检查张拉前的锚具,查看是否存在破损的情况,如果有要及时更换。测试选择设备的性能,坚决不使用技术不达标的设备。张拉过程中,要安排专业的作业人员进行施工,在使用千斤顶之前要标定出配套施工的油表。并按照5MPa为一级进行加减压。反复标定三次后,将平均值求出。使用线性回归的方法将油表和张拉力度数之间的关系求出。所有的千斤顶都设置两根一级的压力表。每月都要对压力和千斤顶进行检查,对于出现异常的情况要重新进行标定。在存放压力表时,不要受到震动、暴晒。
7对管道进行压浆完成预应力
铁路应急管理工作存在的问题
应急管理认识存在差距部分基层站段安于多年的平安无事,忧患意识不强,一旦发生突发事件,分不清责任主体和相关部门的职责,不仅延误先期处置时间,也给次生危机的产生带来重大隐患。部分基层站段领导重发展、轻安全,重进度、轻风险,重眼前、轻长远,注重任期内的业绩,忽略长治久安,尤其是应对重大突发事件的思想准备不足,缺乏如履薄冰的备勤状态,在“测、报、防、抗、救、援”关键环节上应对乏力。应急管理工作机构薄弱按照北京铁路局《关于设立应急管理工作机构的通知》要求,铁路局管内各单位必须比照铁路局对应成立应急管理办公室,统一设在各单位办公室,并明确一名专职人员负责应急管理的基础工作。实际调研时发现,有的站段虽有应急管理办公室的牌子,但既无专门编制也无专职人员,值班轮流转,有事抽人干。例如,一些基层站段将应急管理工作放在运输科、调度室等生产科室,对应上级部门有运输处、调度所和铁路局总值班室(应急办公室),属于典型的“上面千条线,下面一根针”,这种状况难以承担日益繁重的应急管理工作。部门单位联动机制不健全在出现突发事件时,往往会“牵一发而动全身”,需要不同地区和不同专业部门协同动作,快速处理,任何孤立的或局部的行为只会增加事故处理的难度与成本。从近几年铁路局管内应急救援演练的总体情况看,普遍存在专项演练多、总体演练少;单一预案多、综合预案少的“两多两少”现象,站段层面的日常演练和应急预案还需要不断充实完善和规范细化,以提高处置突发事件的针对性和实用性。应急管理处置能力不强有些应急预案编制过于原则、模式化,针对性不强,专业和部门之间缺乏有机衔接,操作时难以联动。一些站段存在应急预案“预而不用”、应急处置和预案“两张皮”等现象。有的应急处置程序不够规范,严重影响应急决策和效能。一些站段对突发事件信息流程、传递渠道和联系方式不明确,信息要素缺项,现场处置滞后;个别站段还存在迟报、漏报,甚至瞒报现象。应急管理人员的危机管理能力普遍缺位,专职少、兼职多,培训少、报表多。一些站段过于依赖预案,忽视现场作业人员实战应变能力的培养和提高,遇紧急情况临时抓兵点将,变“应对”为“应付”。值守应急与保障能力不足发生突发事件后,有的事故责任方或参与救援单位信息报告不及时,出动不快速,作用不突出;甚至还存在重要信息瞒报、漏报、不报,以及救援过程中推诿、扯皮等消极现象,直接影响应急处置的决策部署和救援进度。另外,全铁路局应急物资储备规模小、种类少、布局不尽合理等问题依然存在,不能完全适应规模较大、突发性强的应急处置物资供应需求。
加强铁路应急管理工作的措施