BIM 技术在高速铁路山岭隧道设计中的应用及研究

席博阳

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

近年来，随着BIM 技术的日益完善，其在房建、水利等领域的应用逐渐广泛，不但提高了工程的质量，还缩短了工程的建设周期，并控制了投资成本，可谓一举多得[1-2]。但由于铁路工程为带状工程，区别于房建、水利等点状工程，铁路BIM 的发展无法完全采用拿来主义，因此起步较晚。即便如此，在我国高速铁路事业蓬勃发展的浪潮下，如今铁路BIM 技术在标准的建立、平台的选取、模型精度的控制、专业间的协同、信息共享等方面都有了突破性发展，甚至部分试点工程已经能实现全生命周期的管理[3-8]。然而，由于一些限制因素，事实上铁路BIM 技术短时间内仍然难以做到真正的正向设计，绝大多数工程仍然采用二维、三维并行设计的方式，BIM 设计也仅仅停留在三维翻模及展示的阶段。鉴于此种现状，本文以BIM 技术在高速铁路山岭隧道设计中的应用为例，提出并讨论了采用BIM 技术指导二维设计的方案及方法，以期BIM 技术能在高速铁路的设计中真正实现落地，发挥其应有的作用。

1 现阶段应用概况

山岭隧道在高速铁路设计中占比较重，也是铁路工程BIM 技术应用的重点与难点。现阶段各铁路设计院也都利用自身既有成果积极开展了BIM 技术在山岭隧道设计中的应用研究，其中中铁二院基于达索平台，以宝兰客运专线石鼓山隧道为例，研究了BIM 技术在初步设计阶段的应用，并详细阐述了隧道模型建立、模型信息输入、工程量统计及成果展示的方法[9]。中铁四院采用欧特克平台，以福平铁路新鼓山隧道为例，研究了BIM 技术在施工图设计阶段的应用，并明确了其技术路线[10]。中铁一院依托欧特克平台，以西成客专清凉山隧道为试点，探索了BIM 技术在信息管理、施工模拟及辅助出图等环节的应用[11]。中国铁路设计集团基于达索平台，以京沈客专李家梁隧道为例，明确了BIM 体系下专业内及专业间协同设计、参数化设计的方式与方法[12]。此外，中国铁路设计集团设计以济青高铁青阳隧道为试点，实现了单一隧道全生命周期的管理[13]。由此可见，随着高速铁路事业的不断推进，BIM 技术在铁路工程中的应用已取得了一定的成果。

2 技术难点与制约因素

然而由于山岭隧道穿越地带往往地质条件复杂，建模时对地质体的精度要求较高，尤其是断层、破碎带等复杂地质构造的模型必须依托专业的地质软件才能实现[10]。然而由于既有的地质软件与常规BIM 平台往往难以兼容，导入的模型缺乏可编辑性。同时由于生成三维地质体对勘测数据的要求较高，现阶段的山岭隧道外业精度往往难以达到要求，即使生成了地质体也与实际情况脱节[10]。由于这两点技术因素的制约，采用BIM 技术进行山岭隧道的正向设计才迟迟未能实现。 除技术因素的制约，传统的DBB 项目管理模式也是BIM 技术未能完全落地的一项重要阻碍。由于DBB 项目管理模式的弊端，设计单位往往在BIM 技术的应用上缺乏动力，即便业主有明确的BIM 验收要求，设计单位也往往采用二维、三维并行设计的方式，而实际施工时也多采用二维设计成果，三维成果仅仅用来展示，根本无法实现真正的全生命周期管理，这就使BIM 技术的应用彻底失去了意义。同时由于BIM 技术现阶段无法完全代替二维设计，且前期成本投入较高，全生命周期管理需要各方配合，任何一环出现问题皆无法实现，因此实际应用中阻力重重。

3 BIM 技术应用方式的探讨

鉴于短时间内以上提及的制约因素可能难以得到有效改善，因此在现有条件下，如何最大程度发挥BIM 技术的先进性，使其能在铁路工程山岭隧道的设计中真正发挥作用，成为一项值得探讨的问题。

3.1 洞口工程优化

洞口工程是山岭隧道设计中的重中之重，在设计中合理确定隧道缺口里程、进洞位置并采取合适的工程措施能为后续的施工及运营带来可观的经济效益。然而由于二维断面法设计受制于其断面选取位置、断面精度等条件的限制，二维地形常难以完整反映隧道洞口的地形信息，因此洞口设计方案往往也不能与实际情况相符，由此而导致的施工变更不计其数。

如图1 所示，以隧道的仰坡设计为例，传统二维设计往往仅在隧道明暗分界位置进行断面设计，明暗分界背后地形起势较快，虽然二维设计并无问题但实际施工时多会产生高陡边坡，严重的甚至超出征地红线，建设方处理难度极大。除此之外，在洞口工程量核算方面，二维设计也存在着先天不足，传统设计方法需按每个断面依次核算，不但费时费力，且精度不高。由此，本文提出在现有技术条件下，可在开展二维设计前，利用BIM 技术进行三维进洞方案比选，确定最优的进洞方案，以此来指导二维设计，力求避免由于二维断面法设计信息缺失而导致的工程风险。同时利用三维技术在洞口工程量核算上的优势，可以简化核算工作，提高设计精度。以上提及的BIM 技术应用，实际设计中也仅需要依据测绘资料建立精度足够的三维地形面即可实施，建模工作量极小，可行性高。

图1 某高铁隧道按二维设计图建模后洞口处形成的高陡仰坡

3.2 交叉工程碰撞分析

对于一些与隧道交叉的风险工程，二维设计往往无法直观展示空间关系，设计中易疏忽，在实际施工中可能导致隧道结构与周边既有工程发生干涉，造成直接经济损失。因此，对于周边环境复杂的隧道，可在二维设计完成后进行精细化建模，明确隧道结构与周边交叉工程的距离，确保隧道的一切工程措施与周边工程无任何干涉，以保证隧道结构及周边环境的安全。

3.3 接口设计检查

山岭隧道接口设计较为复杂，路隧顺接、桥隧顺接、桥隧串接条件下其接口设计各不相同。如图2 所示，由于接口设计多专业间的配合，设计时信息极易丢失，造成接口设计不连续。因此在各专业完成二维设计后，在BIM 平台上协同开展隧道接口设计检查，可以很好避免由于信息丢失而导致的隧道接口设计缺陷。

图2 某高铁隧道洞口路隧顺接处利用BIM 技术优化不连续边坡

3.4 其他应用

除了洞口工程优化、交叉工程碰撞分析、接口设计碰撞检查外，可以利用BIM 技术对一些复杂的隧道开挖工法及辅助工程措施进行过程展示，使建设方能够快速、清晰掌握其核心要点，从而保证工程的质量及进度。

4 结束语

BIM 技术近年来在铁路隧道工程方面取得了一定的发展，但短时间内仍无法实现工程的全生命周期管理。在现有技术及外部条件下，BIM 技术短期内无法完全代替传统的二维设计。因此认清BIM 技术的现状，以BIM 技术作为辅助工具，补足二维设计的先天缺陷，发挥其自身优势，使其能真正提高设计质量及效率，促进BIM 技术平稳落地。