基于BIM的铁路隧道辅助设计关键技术研究

田明阳，曾 昊，曹 力

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

随着中国铁路总公司智能铁路总体框架的提出，设计阶段建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）应用成为智能铁路中智能建造的重要一环[1]。BIM已在工程行业取得各方认可，其价值早已不再局限于建筑行业本身[2]。然而，相较于建筑行业BIM技术的应用，铁路隧道因其带状分布、与地质情况结合紧密、数据量巨大等特点[3]，难以做到设计意图的精确快速表达，导致正向设计推行困难。国内各大设计院陆续在铁路工程设计阶段开展BIM技术深入研究，力求推动铁路行业的BIM正向设计[4-5]。在铁路隧道BIM应用的探索阶段，以宝（鸡）兰（洲）客运专线石鼓山隧道为代表，基于达索平台进行隧道三维设计，实现了模型建立、信息附加、工程量计算及二维出图等应用[6]；以福（州）平（潭）铁路新鼓山隧道为代表，基于欧特克平台的Iventor和Civil 3D进行山岭隧道BIM应用，通过三维开挖工具建立复杂洞口开挖模型[7]；在公路隧道应用方面，相关单位进行了基于Revit和Dynamo的参数化隧道模型体系的探索[8]。

前期隧道BIM在设计阶段做出了许多重要的探索，但仍然存在许多问题，例如：隧道模型数据量巨大，每千米隧道模型存储量往往在1 GB以上；模型编码信息没有统一的标准，甚至没有编码附加；设计阶段与施工阶段模型不能通用，导致模型重复建立。本文在Bentley PowerCivil的基础上，研究BIM技术在铁路隧道设计阶段中的进一步应用，开发隧道辅助设计系统，如图1所示，同时验证相应铁路隧道BIM标准。以拉（萨）林（芝）铁路扎莫隧道为试点，解决铁路隧道BIM应用中编码自动附加、与地质结合和阶段模型自动转换等问题。

图1 铁路隧道辅助设计实现流程

1 隧道辅助设计实现

1.1 数据准备

数据准备分为模型准备和工程信息准备，其中，模型准备主要包括隧道断面模板库和隧道结构树模板[9]。在隧道参数化模板菜单中输入模板样式、轮廓样式、断面参数等二维参数生成相应隧道廊道形式，如图2所示。轮廓样式包括三心圆、五心圆、曲墙式、马蹄形等，输入参数类型受轮廓样式限制，根据选择样式及铁路隧道净空、限界等要求，输入相应的参数，建立参数化断面模板。生成隧道廊道模板后组建成库，并可随时调用修改。另外，在模板库中自动形成隧道结构树，根据模型构成可以自定义结构树模板文件。

图2 隧道廊道参数化创建

工具信息准备包括工业基础类（IFC）/国际字典框架（IFD）配置和隧道工程属性定义模板（EC Schema）。目前，铁路行业还缺乏类似于建筑行业IFC这样的权威信息标准。韩国的SH Lee等人在IFC的基础上进行拓展，研发了针对于新奥法隧道设计阶段的数据框架，提高了隧道数据交互效率[10]。国内相关人员在铁路BIM联盟的组织下，根据隧道构件的分类和构件属性的定义，发布了《铁路工程信息模型分类和编码标准》[11]。本文在此基础上，利用Bentley的Class Editor工具创建隧道的工程属性定义模板文件，即EC Schema文件。在创建隧道模型时读取该文件，根据配置文件绑定工程属性定义到相应的隧道构件上。在IFC/IFD配置中设定隧道构件与IFC对象的对应关系，如图3所示。其中，“部件名称”为隧道对象的显示名称，“匹配关键字”是该对象在创建时内部使用的命名，“IFC class名称”为来自隧道EC Schema中定义的IFC，“IFD值”为该构件缺省的IFD编码。在创建隧道模型时，根据构件的关键字自动匹配相应的IFC对象类，对IFD属性赋予设定的初始值。

图3 隧道IFC对象配置

1.2 隧道辅助设计工具

避免信息孤岛，联动多专业设计是BIM技术的一大优势。通过隧道辅助设计工具，对接线路数据库文件生产三维线路轴线，如图4所示，并基于该三维线路进行隧道布置，实现模型按真实坐标生成，避免坐标转换的问题。

图4 三维线路生成与导入

生成洞身时联动地质模型，根据地质纵断面图标识的围岩级别自动筛选对应的隧道廊道模板，在人工核对正确无误后进行洞身的生成，如图5所示。同时，读取之前定义好的EC Schema文件，自动关联IFC/IFD对象和属性，完成隧道洞身模型的建立。隧道辅助洞室由模型库中模板与线路里程点等信息生成，同时与洞身进行布尔剪切。模型生成后，依据隧道结构树模板生成模型结构树，展开模型结构树对构件信息进行查看。

图5 隧道洞身模板的自动选择

工程量统计同时也是对模型构件信息完备性的检验。在模型创建前需要配置每种类型构件对象的材料属性。模型创建时，辅助设计工具自动对构件的材料名称及混凝土、钢筋等数量进行赋值。模型建成后对构件信息进行检查，对未缺失信息的对象，如钢筋，自动创建一个空单元与结构树节点（即IFC对象）相关联。每个构件对象最终应包含与工程量相关的属性字段，如钢筋型号、数量及重量等。模型信息齐全后，遍历模型得到与工程量统计相关的IFC对象，并弹出窗口输入相关属性字段的值，如图6所示。最后逐个对相关构件及材料进行汇总统计，并将统计结果输出到相应的Excel表中。

图6 隧道工程量统计

1.3 标准验证方法

在辅助设计及模型生成归档的过程中，分别验证铁路BIM联盟发布的《铁路工程实体分解指南》[12]（简称：《分解指南》）、《铁路工程信息模型分类和编码标准》（简称：《分类编码标准》）、《铁路工程信息模型数据存储标准》[13]（简称：《存储标准》）、《铁路工程信息模型交付标准》[14]（简称：《交付标准》）4个与隧道BIM技术应用相关的标准。

《分解指南》验证即工程分解结构（EBS）验证，针对隧道工程开展实体结构分解，对分解结果进行详细的分析、排查，对标准中不存在的结构进行添加、重复的结构进行合并、单位和名称错误的进行修正、结构之间层次关系存在问题的进行更正。

《分类编码标准》验证即IFD验证，将铁路建设活动全生命周期中涉及的所有信息模型分为4个大类：建设资源、建设过程、建设成果和其它。编码组合灵活多样，在编码的上下源追查纵向及横向逻辑关系。

《存储标准》验证即IFC验证，通过比对模型结构及其结构树与IFC，查找重复或缺失项。

《交付标准》验证是采用定性分析的方法进行验证，对于在隧道工程中出现的细目逐一对照，验证方法以对照为主，综合分析验证。验证内容包括交付精度标准与存储标准、表达标准及分类标准。

2 隧道设计模型与施工模型自动转换

2.1 创建施工阶段结构树

在局部BIM到开放BIM的转换过程中，设计与施工模型之间的转换十分必要[15]。众所周知，设计阶段和施工阶段关注点不尽相同，因此反应在BIM上的几何信息要求有所区别。在隧道专业设计阶段，模型一般只根据围岩等级对区间进行划分，每个区间的结构一般只划分到初期支护、二衬仰拱、二衬边墙等，而这些划分原则大都是依据设计阶段力学分析结果；而在施工阶段，除了关注设计阶段的信息之外，还需要将构件根据施工工艺划分为6 m一个节段，便于后期对BIM进行施工阶段的管理。除此之外，施工阶段附加的信息内容也有些变动，包括施工进度信息，如混凝土浇筑时间、下一道工序类别时间等；施工成本，如钢筋工程量、混凝土工程量、材料厂家等；施工队伍人员信息，构件对应负责工区、钢筋质量检查主要负责人，混凝土浇筑旁站人员等。

根据上述设计与施工阶段的区别，在设计BIM的基础上，配置土木工程类型和IFC关系，其配置方法同图3。通过配置土木构件和IFC的关系，获得一种映射渠道。同时，创建施工结构树模板，以便完成两种模型的结构映射。由于施工BIM划分更加精细，并且与施工组织等非几何信息挂接更加密切，因此创建施工结构树时根据施工工作分解结构（WBS）以及EBS编码对施工BIM进行分解，最后完成施工结构树建立，如图7所示。

图7 隧道施工阶段结构树

2.2 阶段模型自动转换技术

两阶段结构树与BIM之间存在的关系，如图8所示，包括：（1）相同阶段结构树是BIM信息挂接的内容索引；（2）相同阶段BIM是其结构树配置的载体；（3）施工阶段结构树继承了设计阶段BIM的所有信息；（4）施工阶段BIM作为信息下游，可以检索统一构件不同阶段信息变化；（5）设计阶段结构树根据构件IFC配置关系自动映射更新到施工阶段结构树。

图8 结构树转换关系

完成设计BIM结构树和施工BIM结构树的映射关系后，可通过软件功能进行映射，并自动创建施工阶段BIM。据此创建的施工BIM，其变更包括几何和非几何信息，即几何构件划分精细度和挂接信息内容的变化。设计阶段的相关信息可以全部迁移到施工模型上，对于有模型拆分的构件，拆分后子构件同样具备拆分前的所有属性。同时，转换后的施工BIM自动添加了施工阶段的各种信息。模型转换工具可读取其设计信息，通过人工输入施工切分信息，进行设计模型到施工模型的转换，并继承IFC属性信息，如图9所示。

3 工程应用实例

3.1 项目概况

扎莫隧道属拉林线拉萨端DK82～DK94，隧道位于雅鲁藏布江以南的高山宽谷区。隧道起讫里程DK83+910～DK85+142，全长1 232 m，均为单线隧道，隧道最大埋深约122 m，线路纵坡为10.4‰/1 414 m、2‰/401 m的单面坡。选取该隧道作为辅助设计工具、阶段模型转换工具的应用工程与标准验证工程，具有一定借鉴与推广意义。

图9 创建隧道施工模型

3.2 应用实现

根据扎莫隧道地质条件及设计时速等信息，制作隧道断面模板，再通过线路数据库生成三维线路。在三维线路及地质资料的基础上，通过辅助设计工具分别生成隧道洞身、辅助洞室及洞口等结构模型，并利用IFC配置工具将模型与IFC信息挂接，如图10所示。

图10 扎莫隧道结构模型及其设计结构树

在深化设计方面，扎莫隧道采用隧道初期支护设计程序，如图11所示，将断面初期支护标准构件参考至模型中，根据所选线路，设置其纵向间距和纵向长度，一次性完成整个线路的单一支护的建模工作。最后生成深化模型，包括导向墙、超前小导管、格栅钢架、型钢钢架等，如图12所示。

扎莫隧道转换施工模型输入切分精细颗粒度、施工模型表达式以及横断面模板等内容，生成转换施工模型，同时继承设计阶段IFC/IFD属性，如图13所示。

3.3 验证结果

对扎莫隧道进行BIM应用，验证《分解指南》，具体问题包括：

图11 隧道初期支护设计工具

图12 扎莫隧道深化模型构件

图13 扎莫隧道模型转换输入内容及生成模型

钢支撑中，型钢钢架的原材料为工字钢钢材，而格栅钢架为钢筋焊接而成，二者单价不一；支护中新增锁脚锚管，在台阶法开挖时，用于稳定上台阶部位的钢支撑，且一般为锚管；用于连接型钢钢架的螺栓为单独的配件，在算量时单独计价，需新增支护的子节点。

验证《分类编码标准》，结果如表1所示。

验证《存储标准》，结果包括：

仰拱填充属于衬砌结构的一部分，应作为其子节点。钢架中无类型(Type)的属性定义，应新增，其值为枚举值，包括型钢钢架、三肢格栅钢架和四肢格栅钢架。在初期支护中新增导向墙（IFC：GuideWall），其作用是固定管棚的方向，为混凝土结构。在初期支护中新增堵头墙（IFC：PlugWall），其作用是稳定洞门，为混凝土结构。在初期支护中新增背墙（IFC：BackupWall），为混凝土结构。在初期支护中新增门框墙(IFC：FrameWall)，为混凝土结构。

表1 《分类编码标准》验证结果

验证《交付标准》，结果包括：

（1）沟槽中应新增“水沟盖板”的定义；

（2）新增编号9 附属洞室；

（3）新增子节点9.1 大避车洞、9.2 避车综合洞室、9.3 电缆余长腔；

（4）洞门结构中新增子节点4.9 加固桩、4.10 混凝土换填。

4 结束语

本文以拉林铁路扎莫隧道为项目依托，研究了以正向设计思路为指导的铁路隧道BIM在设计、施工阶段的应用，并在辅助设计软件开发、标准验证、阶段模型转换等方面取得了大量成果：（1）基于Bentley PowerCivil进行二次开发，结合地质模型、线路数据的隧道三维辅助设计工具，使得隧道模型能够快速建立，并可自动附加IFC/IFD信息，加快了隧道三维设计的进程。（2）梳理了设计阶段和施工阶段隧道专业信息结构树，开发模型信息转换工具，实现了阶段模型的自动转换，为铁路工程建设全生命周期的BIM应用提供有力的技术支撑。（3）通过拉林铁路扎莫隧道工程，验证了铁路BIM联盟发布的《铁路工程信息模型分类和编码标准》等4项标准，并提出了大量建议。

结合本次试点应用成果，将更加深入地开展铁路隧道BIM正向设计的相关研究工作：（1）本文研究了基于BIM技术实现隧道辅助设计，最终成果交付仍为传统二维图纸交付，下阶段拟将BIM技术融入隧道设计的整个流程中，实现基于BIM技术的隧道全过程正向设计。（2）研究隧道模型的进一步轻量化技术，为川藏铁路BIM精细化制作提供技术支撑。（3）在本文基础上，开展与施工及运维阶段的联合应用，研究全生命期的铁路隧道BIM技术应用，进一步发挥BIM技术的优点及价值。