黔张常铁路桑植隧道BIM技术应用研究

徐 博,赵秋林

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

BIM(Building Information Modeling)最早源于建筑工程，意为建筑工程信息模型。2013年，中国铁路总公司(以下简称“铁总”)将BIM技术引入铁路工程建设领域。为推动BIM技术在铁路工程中的应用，最先在宝兰客专石鼓山隧道中开展BIM试点应用，为BIM技术在铁路工程中应用的可行性做了探索性研究[1]。随后铁总又在2014年新开工的16个项目中开展了多个专业的BIM试点应用，旨在更加深入地研究BIM技术在铁路工程设计阶段的应用。近几年，在中国铁路BIM联盟的推动下，开展了多个铁路BIM标准的编制和发布工作，使得BIM技术在铁路行业得到了稳步的推进[2-3]。

由于目前主流的BIM软件平台均没有专门针对隧道工程的BIM辅助设计软件，完全依靠手动建模存在效率低、精度低、模型成果不规范等问题，严重制约着BIM技术在铁路工程中的应用效率[4-5]。为此，以黔张常铁路桑植隧道为依托，基于欧特克BIM软件平台进行二次开发，对铁路隧道工程BIM设计及成果应用展开深入研究。

黔张常铁路西起重庆黔江区，途经湖北恩施自治州，湖南省张家界，最后到达湖南省常德市。沿线地质构造复杂，可溶岩分布广泛。桑植隧道位于张家界市境内，隧道全长5 058.25 m，为双线越岭隧道，设计时速200 km。隧道出口设1座3 543 m长平导辅助施工，正洞与平导之间设6道横通道连接(图1)，为Ⅰ级高风险隧道。

图1 桑植隧道平面布置

2 隧道BIM设计

2.1 整体设计思路

桑植隧道BIM技术应用研究主要采用Autodesk平台系列软件，包含Civil3D、Revit、TunnelBIM-R、Navisworks等BIM软件。其中TunnelBIM-R为我院自主研发的针对隧道专业的BIM辅助设计软件。隧道洞口场地引用线路专业提供的三维线路线条作为空间地位依据，在Civil3D中进行隧道洞口场地开挖及边仰坡设计，隧道洞门结构、洞身及附属设施结构采用Revit及TunnelBIM-R辅助设计。后期将BIM模型导入Navisworks及3DGIS系统中进行拓展应用[6]。

2.2 隧道洞口设计

隧道洞口设计主要包含隧道洞口场地设计、洞门排水措施及洞门结构设计。利用测绘专业提供的数字地面高程模型文件(DEM)生成隧道洞口地形曲面，参考线路三维线条和地质模型，以此为隧道洞口设计的依据。首先根据洞口地形特征选取适当的洞门结构形式。然后按照线路高程及地层特性确定隧道洞口场地开挖底面高程、坡脚轮廓线及边仰坡坡率。由此构造出隧道洞口设计刷坡曲面，最后将刷坡曲面与原始地形曲面进行边界运算，形成开挖后的隧道洞口场地模型。

洞顶截水沟利用Civil3D道路装配工具进行设计，首先按照设计原则在离洞口开挖线5～10 m附近进行截水沟平面设计，软件会根据截水沟平面生成地形剖面，然后由设计人员进行截水沟纵断面设计，并为其指定水沟截面及刷坡规则，软件会沿截水沟平纵数据自动生成截水沟模型。需要注意的是，由于Revit只能对Civil3D曲面进行参考而不能修改，因此在Revit中设计隧道洞门结构前应在Civil3D中先对隧道仰坡进行外轮廓投影开洞(图2)。

图2 桑植隧道洞口场地设计

2.3 隧道洞身模型设计

首先分析隧道工程与建筑工程在Revit中建模的主要差异性。第一，定位系统不同。隧道工程属于基础设施建设交通行业，为线性工程，设计时通常采用线路里程和高程实现空间定位。而建筑工程则通过轴网和相对高程进行定位[7]。第二，在Revit中，族是实现实例化单元的重要元素。建筑工程可利用Revit内置的系统族实现门、墙、梁、板、柱和机电等设备的参数化设计，并且构件之间存在默认的逻辑关系，例如门放置到墙上会自动开洞。而对于隧道工程则不能利用Revit系统族进行建模，一般采用公制常规模型族或体量族建模。由此造成隧道工程建模后在视图管理、工程量统计和二维出图等方面存在一定困难[8]。

尽管如此，但Revit“族”的特性却非常适合复用性较高的隧道构件单元管理。经系统性需求分析，结合Revit对隧道设计的不足进行二次开发，能够较好地实现隧道工程在Revit中的BIM辅助设计。

2.3.1 线路数据输入

首先，通过在TunnelBIM-R中构建线路数学模型，引入线路平纵断面要素，实现对线路任意里程的空间坐标计算。当用户在TunnelBIM-R的线路信息维护模块中输入线路平面和纵断面要素后，程序计算能够计算逐桩坐标并拟合出三维空间线条[9]，作为隧道工程空间定位参照，如图3所示。

图3 线路数据输入

2.3.2 定义隧道断面及支护措施

在TunnelBIM-R中对常用的单心圆、三心圆与五心圆隧道内轮廓及初期支护，二次衬砌等支护措施构造参数化数学模型。设计人员通过调整断面几何参数和支护措施设计参数能够实现单/双线，有砟/无砟道床等不同的隧道断面类型[10][图4(a)]。此外，按照中国铁路BIM联盟发布的《铁路工程信息模型存储标准1.0》(IFC)中对隧道结构空间单元通用属性集要求，在TunnelBIM-R中按断面对其属性信息进行添加与维护[11-12]。在生成BIM模型时，该属性信息则会按照约定的映射关系分配到相应构件中[图4(b)] 。设计完成的隧道衬砌断面按照项目入库保存以备调用[13]。

图4 设定隧道断面参数并生成参考模型

2.3.3 隧道正洞模型设计

定义好隧道衬砌断面库后，在隧道纵断面设计模块中导入围岩地质信息数据，根据围岩等级设计隧道洞身断面序列及辅助措施[14]，TunnelBIM-R能够从断面库中调用相应的衬砌，按设计序列完成隧道模型拼装(图5)。辅助坑道设计过程与正洞类似，不再赘述。

图5 设置隧道纵断面并生成基本模型

2.3.4 隧道洞室及辅助坑道设置

通过TunnelBIM-R将自定义的专用设备洞室族载入软件系统，按照“四电”专业需求设定洞室布置里程和左右侧别。通过“加载时剪切的空心”原理，程序在放置隧道洞室时，会自动在交叉口处创建空心体，当洞室与正洞交叉时，会自动触发剪切机制，实现交叉口处的互通剪切(图6)。

图6 隧道洞室布置

2.4 工程数量计算

本项目隧道工程BIM按照参考模型+基本模型的方式组织实施。在施工图阶段，参考模型精度应达到LOD350，能够表达满足施工的设计意图；基本模型精度则以满足施工应用和运维阶段的信息载体为主[15]。在本项目中，参考模型的另一个重要作用就是计算每延米隧道工程数量。程序根据一个断面内所包含的构件及设计参数，计算出每延米工程数量并将其存储在一个数据库中(图7)。当需要计算整个隧道工程数量时，程序调取隧道引用断面类型、长度与对应的每延米工程数量数据进行汇总运算，最终将计算结果按照特定格式输出到Excel表格。

图7 工程数量计算

2.5 模型管理

在一个隧道工点项目中，相同的衬砌断面可能会被多次实例化，并放置于不同的空间位置。考虑到隧道工程在施工期间会频繁变更的特点，需要对项目中的隧道BIM构件进行统一管理，以便于变更设计时能够快速定位变更段落模型。本项目采用IFD编码+里程信息的方式来识别项目中的每个构件单元[16]。定位信息作为属性被添加到每个构件单元中，程序遍历项目中所有构件的定位信息，通过解析IFD编码构建结构层级关系，最终，按照里程段落形成一个树状结构目录(图8)，通过点击目录节点能够实现快速定位相应里程的构件。

图8 隧道BIM结构树

2.6 BIM交付

作为设计企业，BIM模型由设计阶段向施工阶段转化，需要考虑以下几个问题。第一，参数化族库是设计知识的积累和体现，为保护自主知识产权，如何在BIM交付时确保设计信息向下递而具有约束模型几何形状的驱动参数不被传递。第二，设计模型向下传递时，确保模型的几何精度不受损失[17]。第三，BIM模型在施工阶段要能够被方便地进行信息维护与应用。在之前项目中，尝试以.NWC格式作为BIM的交付格式，虽然能够确保模型驱动参数不被传递与修改，起到保护设计单位知识产权的作用，但在模型格式转换时，Revit原生的.RVT模型文件会被轻量化，隧道实体构件会被网格化，模型几何精度有所损失。同时，现有的商业化BIM管理应用平台大多支持最好的是Revit原生文件格式，以.NWC格式交付的BIM难以在后续建设管理阶段进行灵活维护和应用[18]。相比之下，.RVT格式仍然是比较合理的交付格式。

针对以往BIM交付中存在的诸多问题，本项目在TunnelBIM-R研发时，在程序内部中直接构建了道路与隧道几何数学模型，即将参数化设计过程集成在了交互界面中，设计人员通过交互界面进行参数化隧道BIM设计，软件生成的构件模型只包含需要传递的必要设计参数及附属信息，不含几何驱动参数，最终采用.RVT格式进行无损交付，在施工阶段应用效果良好。

3 隧道BIM应用

3.1 隧道洞口淹没分析

隧道BIM创建完成后可用于分析和检验设计方案是否合理。将BIM模型通过数据转换导入3DGIS环境[19]，可以对隧道洞口周边汇水情况进行分析，模拟最大汇水情况下隧道洞口范围积水工况，以此帮助设计人员检查隧道洞口结构是否处于淹没线以下，隧道纵向坡度是否满足排水需求(图9)。

图9 隧道洞口淹没工况分析

3.2 指导性施组设计

为了将隧道土建工期控制在总体要求的合理工期范围内，在隧道设计时需要对隧道土建工期进行测算，当土建工期超出控制工期后，需要增设辅助坑道或调整施工组织方案。以往二维设计时需要进行抽象的进度计算和图形比划才能完成指导性施组设计。对于复杂的辅助坑道设置方案，依靠二维测算方法往往难以直观准确地表达隧道施工组织方案。利用BIM模型则可实现基于最小构件单元的施工组织设计。对于长大复杂工况的隧道，可以根据不同地质区段的施工难易程度设置相应的施工时长。在Navisworks中，利用构件内的定位信息(IFD编码+起终点里程)可快速实现不同里程段落构件单元与时间线的关联。将数据导入Timeliner，通过 4D动态施工模拟实现相对准确的施工组织设计(图10)。

图10 4D指导性施组模拟

3.3 可视化交底

在二维设计时，隧道施工方法需要按照施工工序，采用多张不同时间段的施工步续图进行表达。在设计过程中，设计者只能通过二维视角去判断工法是否合理可行，而无法判断在三维空间下工法是否具有可行性。现场施工人员在实际施工时也只能通过平面维度去理解施工步序和要点。由于隧道洞内施工原本就空间受限，如果在施工过程中才发现施工方案无法实施，势必会影响施工进度和现场安全[20]。将BIM模型与时间和空间数据进行绑定，可以辅助设计人员进行施工工法仿真模拟，及时发现施工方案中的不足，防患于未然(图11)。

图11 隧道施工工法可视化交底

4 结语

依托黔张常铁路桑植隧道BIM试点项目，基于欧特克平台研究了在设计阶段隧道工程BIM技术的实施与应用技术路线。认为结合中国铁路BIM联盟发布的相关BIM技术标准，对原生BIM软件进行二次开发能够提高BIM建模效率与精度，实现高效、智能化隧道BIM设计，其BIM成果能够为后序阶段BIM更深层次的应用提供良好的信息应用基础，使现阶段BIM成果价值最大化。研究成果对于类似铁路工程BIM技术应用具有可借鉴和指导的意义。然而，基于BIM技术的三维设计要完全取代现有二维设计手段，仍然需要一个长期的实践与迭代过程，需要铁路工程各参建方共同参与研究，进行更加深入的二次开发才能促使整个铁路工程建设行业BIM技术健康可持续发展。