宝兰客专石鼓山隧道BIM技术的研究及应用

2014-02-12李延

铁路技术创新 2014年5期

■ 李延

■ 李延

通过铁路隧道BIM技术的研究和应用，建立隧道工程各专业族库，实现铁路隧道建设全生命周期的信息共享，实现基于监控量测、超前地质预报技术的隧道安全远程监控和基于4D理念的隧道施工组织管理，培养参建各方掌握BIM的技术人员，实现整个铁路行业三维信息技术成果的推广应用。

宝兰客专；石鼓山隧道；铁路隧道；BIM技术；研究与应用

1 石鼓山隧道概况

宝兰客专（陕西段）石鼓山隧道位于陕西省宝鸡市渭滨区渭河南岸的石鼓镇杨家山的西北黄土残塬区，地形起伏较大，相对高差142 m，多辟为耕地，斜坡地段植被发育。隧道洞身下穿茵香河、张家沟、刘家河三条较大沟谷。隧道起讫里程DK639+430—DK643+760，隧道长4 330 m，为双线隧道，隧道最大埋深133 m，最小埋深3 m。洞身除DK640+790.559—DK641+455.754位于直线上，进出口段分别位于半径为8 000 m、8 004.6 m的曲线上，洞身纵坡依次为3‰/1 720 m、5.3‰/1200 m、20‰/1 410 m，进出口均紧邻乡镇公路，交通条件较为便利。采用2座无轨运输斜井辅助施工。

2 BIM技术的应用研究

2.1 基于BIM的地质模型建立

将地质数据库中所有地层数据，包括空间位置、地质属性、勘探数据等建立分层地质模型，符合隧道专业设计的要求，与隧道专业设计成果进行整合。利用二次开发，研究适用对地质模型修正、局部重构的功能，逐步优化三维地质模型的精度，满足隧道专业施工图设计的要求。

（1）软件平台选择。目前国际上领先的三维软件公司主要有欧特克（Autodesk）、达索和奔特力（Bentley），综合考虑软件性能、建模需求、施工模拟、运营维护等因素后，选择达索系列软件作为技术支持。建模采用CATIA软件，轻量化展示采用3DVIA Composer软件。欧特克平台因应用范围广、软件全面、价格低廉等优势，在西成客专大秦岭隧道的BIM技术研究中积极进行应用开发。

（2）三维地表建模。获取石鼓山隧道区域10 km× 4 km的测绘数据，并制作正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）。基于Skyline软件，通过金字塔技术将DOM和DEM集成，生成精细三维地形模型。

（3）三维地质建模。地质建模过程主要是根据地质调绘资料及已有的纵横断面来构建地层面，用建立好的地层面剖切体得到地质体。

（4）三维隧道建模。利用CAITA建模功能（如草图绘制、拉伸、知识工程阵列等）建立参数化的、可联动修改的石鼓山隧道三维模型。石鼓山隧道三维模型包括洞口、明洞、暗洞、附属洞室、辅助坑道、防排水等部分。隧道模型包含如下特点：一是隧道模型达到施工图精度，可以满足施工步骤、工序等要求；二是隧道模型可进行快速调整，模型采用骨架驱动，骨架文件中包含线路信息、各项参数及草图，此文件的更改可驱动隧道模型更改；三

是实现快速建模，利用CATIA软件工程模板功能建立模板文件，可快速建立段落模型。建立的模板文件包括：斜切式洞门、耳墙式洞门、五心圆明洞、五心圆暗洞、三类附属洞室、单双车道斜井、洞内及洞口防排水，可覆盖多数隧道形式。

2.2 基于BIM的隧道施工图三维模型建立

（1）建立隧道部件库：根据隧道设计中的各种隧道断面类型，建立可用于隧道建模的各类部件，实现隧道的三维建模。

（2）实现基于BIM技术的隧道施工图交付：对国内外常用的BIM软件平台、企业解决方案、应用接口技术开展调研工作，实现石鼓山隧道基于BIM技术的施工图交付。

2.3 基于4D理念的隧道施工组织管理应用

一是研究施工BIM模型的创建标准；

二是研究BIM技术项目管理体系；

三是研究施工现场三维可视化交底模式；

四是研究临时设施BIM模型建立及工程量统计方式；

五是研究施工工序和工法转换模拟；

六是研究三维地质模型在施工安全质量方面的应用。

2.4 隧道施工安全技术与BIM技术的结合

围岩量测、沉降监控、超前地质预报等隧道施工安全技术与BIM技术的结合：一是构建隧道施工的可视化动态模拟，进行施工过程监控量测；二是结合超前地质预报，进一步完善隧道施工图三维地质模型。

2.5 施工现场三维可视化交底

在石鼓山隧道工作区安装视频监控系统、进口处设置电子显示屏、所有进出隧道的管理及作业人员建立定位系统；在施工单位项目部建立视频监控中心，实现现场施工的实时动态信息在视频监控中心的同步，并通过网络也能实现对施工动态信息的查看。建立电子施工作业指导书，实现三维可视化技术交底，真正意义上实现“所见即所得”，直观、立体地展示出结构的各部位细部结构。

根据隧道施工工法的要求，对三台阶临时仰拱施工方法进行施工模拟，在施工模拟的基础上把时间轴加入到施工模拟中，并利用CATIA软件把隧道三维设计模型转换为施工模型，然后使用DELMIA软件动态模拟三台阶临时仰拱法施工和三台阶临时仰拱法向双侧壁导坑法的施工工序转换。

2.6 BIM技术项目管理体系研究

隧道BIM模型的应用，需通过建立管理平台进行模型管理和应用。通过需求调研和深入研发，目前已初步建立了“宝兰客专石鼓山隧道BIM协同管理平台”，平台中已建立安全管理、进度管理、文档管理、施工日志、施工工艺、成本管理、BIM模型信息、系统设置、基础配置、个人事务等功能模块。平台内有工程概况、企业文化、施工进度、电子施工日志、技术交底资料、安全教育、监控量测、围岩量测预警信息、超前地质预报信息、机具、设备、人员管理、工程量统计等流程管理模块。

3 研究建议

3.1 进一步提升建模能力

目前，铁路隧道BIM技术应用尚属初级阶段，模型质量、建模效率、模型通用性须进一步提高：一是需规范建模流程，建立审查制度；二是定型各类隧道形式模板库，以供设计选用；三是进一步加大二次开发力度，重点包括标准化建模、二维出图、工程量统计、信息附加，便于行业的普遍应用；四是需研究BIM模型与大型计算软件（如ANSYS、FLAC、MIDAS、ABAQUS等）的信息互换，以满足隧道结构分析需求；五是开展多专业协同设计，根据BIM碰撞检查功能提高设计质量。

3.2 模型在施工中的进一步应用

完成施工图精度隧道模型建立后，需要在施工阶段进行信息附加、动态调整等进一步应用：一是继续研究参建各方所需信息，开展信息搜集整理、录入集成，同时考虑建立标准体系；二是研究BIM模型对参建各方的信息提供与分享；三是进一步研究BIM模型的轻量化方法，实现BIM模型的展示。