BIM技术在铁路隧道设计中的应用

2014-01-18李丽马婷婷袁竹

铁路技术创新 2014年5期

■ 李丽马婷婷袁竹

BIM技术在铁路隧道设计中的应用

■ 李丽马婷婷袁竹

阐述BIM在铁路领域中的应用理念和BIM在铁路设计中的发展趋势。针对铁路隧道专业，结合宝兰客运专线石鼓山隧道辅助坑道工程，从斜井模型建立、模型审查和生成二维视图等方面分析BIM在隧道设计中的应用，探索BIM三维模型的建立，实现隧道设计从传统二维向三维转型；提出铁路建设项目各参建方BIM技术应用方案，分析运用BIM技术开展铁路设计的发展趋势。

铁路隧道； BIM技术；模型建立；石鼓山隧道；宝兰客专

随着近十几年来BIM技术快速发展及其在建筑行业的快速普及应用，BIM项目在生产效率、缩短工期、控制质量、降低风险、控制成本、避免浪费、资产运维等领域起到重要作用。BIM技术对行业影响显而易见，为工程建设行业带来了第二次革命。由于铁路行业工程的复杂性，BIM技术目前在铁路领域的应用处于起步和探索阶段。伴随BIM技术列入国家科技攻关计划，越来越多的地方政府推广BIM应用政策，以及建设方的业务需求，BIM技术在铁路行业领域的探索、推广、应用将呈现不可阻挡之势。

1 BIM在铁路领域中的应用理念

BIM在铁路中的应用，即在铁路建设项目中利用BIM技术生成一系列信息模型，模型不仅包含铁路建设项目的物理和功能信息，还能作为共享的知识资源，使参建方在项目的不同阶段，通过在信息模型中插入、提取、更新和修改信息作出相关决策，完成协同作业。BIM的应用过程，实际上就是项目参建方之间信息资源互通，并完成沟通协作的过程。

铁路项目应用BIM技术，不同项目的参建方其侧重点不同。

（1）设计企业作为项目的先期参建方，主要是使用BIM技术开展铁路设计。BIM技术可提供统一平台供各专业进行全方位集成设计，各专业可利用BIM软件建立实体模型进行结构分析、三维碰撞检测、添加关联信息等。设计完成后，可利用BIM模型快速作出概算，并核对设计指标是否满足要求，控制投资总额。

（2）建设方可通过直观的三维设计模型进行方案验证、三维模拟、功能审核，并对信息模型进行批示；可利用BIM技术合理安排资金，审核进度款；对变更设计可通过BIM模型快速调整工程造价，并且关联相关构件，核查工程量。

（3）施工单位主要运用BIM技术指导施工和动态管理。施工方可根据设计交付模型，理解、检验设计、开展施工；结合BIM的4D、5D技术管理施工进度、预测工期、分析造价，实现基于BIM的动态管理，优化施工管理系统。

（4）运营方运用BIM技术，可调用BIM模型进行运营模拟、疏散模拟、应急预案、能耗分析等；可提取相关数据支持其运营、服务、维护和管理。

此外，伴随BIM技术在铁路项目中的应用，参建方可在实际案例的基础上分析总结经验，建立一系列BIM标准体系，从而规范和推进BIM技术的应用。

2 BIM在铁路设计中的发展趋势

应用BIM技术开展工程设计不仅是设计工具改变，也是传统设计模式、管理方式的改变，可提高生产效率，保证设计质量，缩减设计周期，提高管理水平，是未来设计理念发展趋势。

（1）铁路工程项目是一项复杂的系统设计，涉及铁路众多专业，应用BIM技术可使各专业在统一的平台开展集成、交互式设计，改变原有设计模式下松散、孤立、串行的工作流程，可使各专业进行并行式沟通交流，更迅速、快捷、简便。各专业一体化设计流程见图1。设计过程中可运用BIM技术对工程结构进行安全分析，优化设计；各专业之间采用BIM技术可对各专业集成设计进行碰撞检查，减少出错率；设计人员可利用三维模型进行实体扣减计算，摆脱人为工程量计算的主观因素影响，更客观准确；对变更设计，可将变更内容关联到模型，稍微调整模型，即可迅速反应工程量变化，也可直接采用设计数据进行可视化展示，省去传统可视化过程重新建立模型的时间和成本，降低出错率等。

（2）铁路工程设计通常采用二维图纸作为交付依据，但二维图纸并不能完整表达和展现三维实体工程的全部，由于现场施工人员自身误解和局限性，不能正确理解设计意图，往往造成工程资源浪费。应用BIM技术生成的三维交付模型直观体现工程项目，提高施工准确性，降低资源浪费。

（3）与建筑行业相比，铁路建设领域涉及的单位及人员更多、更复杂。传统的二维设计图纸除了作为施工依据、指导施工外，不能为后期的施工管理、运营管理提供更多的信息支持。BIM技术生成的模型可作为交付依据和指导施工，同时还可通过共享智能模型和信息方式，促进各方、各专业人员之间的协作，从而改变建设项目管理模式。

图1 各专业一体化设计流程

3 BIM在隧道设计中的应用案例

当前铁路隧道设计主要采用CAD计算机辅助设计，设计是二维图纸设计模式，虽然较手工绘图效率有很大提高，但CAD设计存在一定的局限性。一是适应性差，若工程地质发生变化，图纸修改麻烦，甚至需要重新设计；二是协同设计性能低，设计流程时间周期长，信息资源共享程度不高；三是精细化程度有待提高，尤其是复杂结构工点设计，仅依靠二维图纸不能充分表达三维实体结构；四是设计资源重用性差，除去参考图的使用，工点设计的专业信息资源不能为后续及其他设计直接利用；五是工程数量统计机械化程度低，需要人为计算。

采用BIM技术开展隧道设计可弥补二维设计缺陷，通过建立专业信息模型实现从二维图纸到三维设计转型，在项目建设的各阶段均能分享、使用其信息，可方便快速动态修改与互通，全方位集成设计，轻松实现计算机统计工程数量，生成二维图纸辅助施工。

目前，国内外建筑行业应用成功案例众多，建筑模型也十分丰富，并陆续发布了相应的BIM标准，逐渐形成行业规范及标准体系。铁路行业领域应用BIM的案例极少，铁路隧道专业BIM模型也十分稀少，建

模处于起步探索阶段。在此结合宝兰客专石鼓山隧道辅助坑道基于CATIA软件平台建立的专业信息模型进行分析。

3.1 工程概况

石鼓山隧道位于宝鸡市渭滨区渭河南岸石鼓镇杨家山的黄土残塬区，起讫里程DK639+430—DK643+760，全长4 330 m，为双线隧道，最大埋深133 m。结合隧道所处地形、地质条件，考虑施工工期、施工条件及运营期间救援疏散要求，采用2座无轨运输斜井辅助施工。其中1#斜井与线路交于DK640+500处，平角105°0'0"，综合坡度9.5%，长度355.79 m，采用无轨运输方式，按单车道+错车道设计。斜井内轮廓根据挖装设备及管路布置要求，采用无轨运输断面，单车道净空5.0 m宽×6.0 m高，设错车道一处，错车道净空7.3 m宽×6.5 m高。3.2 斜井模型建立

（1）拟建模型组织架构。在隧道专业层次下，按结构组成对模型进行分解。斜井衬砌由初期支护、模筑衬砌、洞口结构组成，对每个结构组成进一步细分直至底层。例如，初期支护可分为初喷、钢筋网、钢架、复喷等。

（2）根据真坐标系线位信息，结合地形地质确定辅助坑道位置。

（3）建立辅助坑道骨架信息。根据斜井线位，利用参数设置后续建模所需的关联信息。例如，里程、洞口位置、坑底高程点、第一环钢筋位置、模型引导线等。辅助坑道骨架信息视图见图2。

（4）参数化建模。通过参数（几何尺寸及几何约束）确定隧道斜井内轮廓及断面尺寸，并生成二维视图。斜井衬砌二维视图见图3，洞门轮廓二维视图见图4。

（5）段落实体模型生成。利用创成式外形设计模块，根据施工进尺长度，采用扫掠、拉伸、添加等命令生成每循环实体模型，再利用知识工程模块，通过知识工程阵列生成段落实体模型。斜井衬砌段落实体模型视图见图5，洞门轮廓段落实体模型视图见图6。

图2 辅助坑道骨架信息

图3 斜井衬砌二维视图

图4 洞门轮廓二维视图

图5 斜井衬砌段落实体模型视图

图6 洞门轮廓段落实体模型视图

（6）文档实例化。为方便后续相同段落直接应用，生成标准模板后，利用知识工程模板中的文档实例化功能，通过修改和输入参数迅速生成同类型衬砌模型。

（7）装配整体模型视图（见图7）。

3.3 模型审查

建立模型后，应对模型进行审查，包含专业审查及碰撞检测，以保证模型质量。

3.4 生成二维视图

根据三维模型，利用CATIA关联功能直接生成二维视图，根据需求深度细化二维视图。

4 结束语

针对铁路隧道专业，结合宝兰客运专线石鼓山隧道辅助坑道工程，探索BIM三维模型的建立，实现隧道设计从传统二维向三维转型，提出铁路建设项目各参建方BIM技术应用方案，分析运用BIM技术开展铁路设计的发展趋势。BIM模型可实现各专业全面协同设计，提高设计效率，控制设计质量，缩减设计周期，提高设计资源的重用性，还可为其他参建方提供信息资源，使专业人员之间信息高效互通。BIM技术的应用是行业信息化实现跨越式发展的必然趋势，对铁路行业将产生深远的影响。

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