基于BIM技术的铁路隧道正向设计研究

张 轩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

国际BIM联盟对BIM的定义是：建筑信息模型化(Building Information Modeling)、建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三个不同但相互联系的功能[1]。在项目全生命周期中，BIM技术能够实现不同参与方、不同应用软件之间的信息结构化组织管理和信息交换共享，使合适的人在合适的时候得到准确信息，这是行业赋予BIM的使命[2]。

随着铁路建设行业的飞速发展，BIM技术必将成为铁路工程建设信息化的核心和发展方向[3]。尽管铁路设计领域使用BIM技术的时机较晚，但随着铁路BIM联盟陆续推出铁路行业BIM设计相关规范，以及主管部门的大力推动，BIM技术在铁路设计行业中的应用也越来越广泛[4]。目前，大多数铁路设计院对于BIM的应用还是先进行二维图纸设计，再进行翻模形成三维模型，最后进行分析、检查。不但没有缩短设计周期，反而增加了设计成本[5]。因此，铁路设计行业应基于BIM技术进行正向设计，提高设计效率。隧道作为铁路工程建设中的重点和难点，在很多项目中是控制工期的重点工程[6]，推行BIM正向设计对提高设计效率意义重大。

2 软件平台选取

目前，主流BIM设计平台有Autodesk、Bentley和Dassault[7]，三大平台各有其优势领域：Autodesk平台软件偏重于建筑设计领域，Bentley平台软件偏重于大型基础设施设计领域，Dassault平台偏重于航空、汽车制造领域。

铁路工程呈带状分布，长度可达几十公里到上千公里[8]，Bentley平台对于大体量模型及三维曲线支持较好，平台下各软件模型格式统一，专业间模型交互的效率较高，且协同设计管理能力较强。故本次研究选取Bentley平台进行铁路隧道正向设计研究。

本次隧道BIM正向设计研究主要使用的软件见表1。

表1 本次隧道BIM正向设计研究主要使用软件

3 隧道BIM正向设计研究

3.1 BIM正向设计流程管理

铁路设计通常会涉及到二十几个专业[10]，设计过程中伴随着方案调整、资料互提、节点控制等环节[11]。在进行BIM正向设计时，提前做好项目管理及工作流程管理，能够有效地提高设计效率，降低专业间的沟通成本。

(1)项目管理

项目管理依托于协同设计软件ProjectWise，通过对ProjectWise软件的二次开发，将各设计院自身的流程管理系统通过web端和ProjectWise软件相关联，结合ProjectWise自身的功能，在项目创建后进行专业配置、专业人员配置、权限分配、审签流程设置等(见图1)，最终实现审签流程、计表完成情况与各设计院内部的流程管理系统相挂接。通过ProjectWise进行资料互提、模型文件参考关系记录、多版本设计文件管理，将设计内容在服务器中实时共享[12]，合理分解、分配专业任务，实现专业间有序作业，互不冲突。

图1 ProjectWise中创建的项目

(2) 工作流程管理

通过建立专业IDM(Information Delivery Manual)进行工作流程管理。IDM全称是信息交付手册，对项目的工作流程、各专业间互提的内容和格式进行了规定和要求。各设计院可根据专业要求，梳理出适合各专业的IDM流程。在ProjectWise中，以IDM作为依据，实现对整个流程的稳定把控和管理。

3.2 隧道工点设计

(1) 专业设计策划

首先根据设计需要进行工点划分，形成适合信息化管理的合理单元[13]，根据项目设计阶段和《铁路工程信息模型交付标准》的规定，确定本次设计的模型精度等级[14]和专业设计原则。在协同平台上获取上序资料(如地质专业的地质模型，航遥专业的地形模型，线路专业的三维曲线模型等基础设计资料)。

(2)参数化断面模板设计

根据隧道专业设计原则，创建不同围岩等级下的隧道标准断面库[15]。在OpenRail中使用二次开发软件，通过设定隧道断面圆心位置、半径、拱部圆弧角度、喷混厚度、衬砌厚度等参数来生成断面。将断面导入OpenRail廊道模板库中(见图2)，通过设置元素模板并关联特征定义的方式，对断面模板中各个构件加以划分，为生成隧道洞身做准备(见图3)。参数化隧道断面设计可将不同时速标准的隧道设计参数作为数据信息进行储存，在其他项目中可直接进行调用，为实现信息化管理提供了基础。

图3 特征定义设置

(3)隧道洞身设计

隧道洞身设计的思路是在不同里程位置，根据地质围岩等级、地质模型和地形模型，选取适宜该里程段的隧道断面，通过读取围岩断面里程信息，自动生成隧道洞身模型。在传统二维设计中，对于特殊地质等情况，一般通过纵断面进行设计和特殊措施的处理。在BIM设计中，可以将隧道模型试放入线路中，从三维视角来观察地质情况对隧道的影响(见图4)，提高了设计的准确性。在发生变更或需要调整断面时，只需将断面模板进行修改，选取里程刷新模型，即可完成模型的修改。通过建立完整的建模体系，降低了建模的工作量，提升了模型标准化、规范化水平，从而提高了设计质量[16]。

图4 三维模型下隧道地质情况

(4) 辅助措施及特殊构件设计

连续结构(如隧道洞身)可通过断面沿线路生成，锚杆、台阶、超前小导管、管棚等非连续性构件无法直接通过廊道功能生成，需要对软件进行二次开发，即对这些构件进行参数化设计。以锚杆为例，通过输入锚杆的构件参数及布置参数(见图5)，以单元的形式批量生成隧道锚杆构件并存入单元库中，在后续工作或其他项目中可随时调用。

图5 锚杆参数化设计界面

(5)隧道洞门设计

以端墙式洞门为例，提取隧道洞门处正洞断面，输入洞门厚度、洞门里程等参数，根据地质模型调整台阶级数、宽度等参数，可生成简易洞门模型。在简易洞门模型上，还需要手动补充地基处理、特殊构件等尚未形成参数化的结构；截水天沟需沿地形模型敷设于地表，通过断面生成结构。二维设计中桥隧连接处、路隧连接处的截水天沟设计仅作示意，而BIM技术的协同设计可直接将路基、桥梁专业的截水沟相连，使设计更为精确。

隧道洞门过渡段结构使用OpenRail的廊道功能进行创建。可直接选取过渡段的起终点，设置两种断面形式并自动生成过渡模型。边仰坡设计可使用廊道模板中的点控制功能，将放坡的边界自动与地质模型拟合。二维设计通过断面来确定放坡边界高程，再将高程点相连；BIM技术增加了设计的准确性，使洞门设计能更好地与地质模型、地形模型相结合。

(6)属性附加

根据《铁路工程信息交换模板编制指南(终稿)》中属性集交换模板的要求[17]，梳理出本专业所需要附加的属性信息，通过OpenRail软件中的ItemType功能将属性信息存入(见图6)，设置元素模板关联ItemType，修改构件所属的元素模板，就可以为构件附加不同的属性。配置好的元素模板可保存在专业配置的工作空间中(作为统一标准，在不同的项目中都可使用)，相较于二次开发的赋属性工具， OpenRail软件的ItemType可直接在界面操作，有效降低了修改和学习的成本，提高了设计效率。

图6 ItemType属性存储

(7)工程量统计

使用OpenRail进行工程量统计主要分为以下三类：

①对于廊道功能创建的构件(如洞身衬砌结构、仰拱填充等)，可以通过廊道自带的工程量统计功能进行统计。

②对于直接建立的构件，可通过二次开发软件提取构件体积、长度等参数，进行工程量统计。

③对于不需要建模的构件，可通过ItemType将每延米单量作为一项信息附加在相关构件上。以防水材料为例，将防水材料单量作为一条属性信息附加在衬砌结构上，在统计时通过提取单量和里程长度来计算工程量。

3.3 问题与建议

(1)铁路行业交付设计成果还是以二维图纸为主，若想实现使用BIM技术进行正向设计，需要软件能满足二维出图要求。目前，Bentley软件通过二次开发，解决了部分图框、标注的问题，但由于软件自身的原因，还存在如剖切模型的剖面无法提取标注等问题。还需要各设计院进行二次开发，或与软件公司进行合作，以实现二维出图功能。

(2)提升铁路设计的信息化水平是大势所趋[18]，隧道BIM正向设计中使用的参数化设计仅仅是数字化设计的一小部分。在BIM三维协同设计中，不应拘泥于传统的二维约束和算法，应结合专业间接口(如地质、地形模型)，以三维设计的思路进行参数化设计，提升参数化设计水平。

(3)使用BIM技术进行隧道正向设计，交付方式由原本的二维图纸交付转变为工程数字化交付，数字化成果文件为后期智能化应用需求提供了数据基础，但同时增加了文件审核的工作量和难度。因此，应同步考虑与审核步骤相关的二次开发工作，优化BIM成果的文件审核流程，通过软件实现对模型属性、碰撞、分组等基础信息的遍历及纠错，提高审核效率，降低审核工作量。

4 展望

新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，伴随着人工智能、大数据、云计算、物联网、BIM、北斗卫星导航等新技术的应用，智能高铁已成为全球铁路的前沿发展方向[19]。BIM技术作为智能建造的重要组成部分[20]，在智能高铁的发展中起到举足轻重的作用。使用BIM技术进行隧道正向设计是隧道工程信息化、智能化的基础，随着技术水平的发展和设计软件的优化，BIM正向设计的优势会被不断放大，并为隧道工程设计带来巨大变革。