BIM技术在公路隧道设计中的应用

2020-03-01周东迎

西部交通科技 2020年4期

关键词：三维设计公路隧道BIM技术

周东迎

摘要：文章引用BIM技术针对隧道地质、交叉口、洞口等设计难题，指导并优化设计，提出了目前BIM技术在隧道工程中的问题及建议，为BIM技术在隧道工程中的应用提供参考和借鉴。

关键词：BIM技术;公路隧道;软件;三维设计

中国分类号：U452文献标识码：A

0 引言

广西地处西南边陲，经济发展落后，以前的公路修建多是以绕行山体或围绕山体修建盘山公路为主，公路工程填挖方严重。随着国家以及广西经济的发展，隧道修建日渐提上日程。隧道工程是公路工程建设中的重点和难点，需要配合各专业相互衔接、协同。传统的二维设计在信息传递方面存在天然劣势，专业之间的沟通协调、设计与施工到运维之间的技术交底及信息传递不畅，这对公路工程项目建设各阶段都造成了一定程度的影响。而具有可视化、协调性、可出图性等特点的BIM技术，能够有效解决这些问题。本文以广西区都巴高速公路发瑞隧道BIM设计为例，探讨BIM技术在公路隧道设计中的应用。

1 BIM概述

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，最开始是由美国查尔斯·伊斯曼教授[1]在46年前提出的，他认为传统的建筑图纸存在多余的信息，且在数据传递过程中有可能造成传递缺失，由此，他提出了建筑描述系统，这被认为是BIM的起源。截止到目前美国对BIM研究已经较为广泛深入[2]。

我国最早引入BIM理念的是建筑行业[3]，BIM技术在许多国内大型项目中已率先展开应用，如绍兴体育场、上海国际金融中心、昆明滇池国际会展中心、深圳美术馆新馆[4-6]等多个国家的重点项目中。基于BIM技术的可视化、可出图、协同设计、参数化设计等[7]特点，交通工程行业也逐渐开始引入BIM技术进行项目管理、设计、运维等。随着BIM技术的发展，它也开始渗透到设计人员的设计理念中，慢慢改变施工人员的施工模式、运维管理人员的管理方式，引领交通行业迈入现代化建设的浪潮。

2 BIM技术在国内隧道设计中的应用情况

虽然BIM技术在我国的应用已经很多，但大多集中在建筑行业，在隧道工程中的应用还不算多，但国内隧道同仁们逐渐开始对城市隧道及地铁、铁路隧道开展BIM应用。例如李坤[8]将BIM技术在地铁车站建模、计算及工程量统计中成功应用。朱伟南[9]在杨高路跨线隧道运用达索平台进行协同设计、建模管理、统计工程量等。李君君等[10]在石鼓山隧道中运用BIM技术进行隧道3D设计，从模型建立到附属信息、工程量统计、二维出图，在铁路隧道设计方面提出了一套三维解决方案。

BIM技术在国内隧道的应用大多集中在市政隧道、地铁、铁路隧道，在公路隧道设计中的应用还不多，这也跟BIM技术在公路工程中的应用较少有关。本文结合同行们的经验，针对公路隧道技术特点，运用BIM技术对发瑞隧道进行地质建模、洞门设计、隧道交叉口设计等研究。

3 软件平台

3.1 欧特克（Autodesk）公司平台软件

Autodesk平台以InfraWorks 360和AutoCAD Civi 3D土木工程设计软件为基础，能够建立一套面对公路工程，包含道路、桥梁、隧道等全要素全生命周期的信息模型，并兼有Autodesk Revit软件，在建筑行业的应用比较丰富。

3.2 达索（Dassault）公司平台软件

达索平台适用于复杂造型、大体量项目管理与设计，它具有曲面建模、参数化建模等功能，为各专业设计人员提供了丰富的设计及建模手段，能够实现复杂空间造型、模拟分析等多种设计功能，帮助设计人员提高设计效率和质量。借助ENOVIA协同设计技术，实现基于网络平台的并发式设计，提高设计和管理效率。

3.3 同豪土木公路BIM正向设计系统

上海同豪土木工程咨询有限公司针对公路工程项目特点，开发了BIM正向设计软件，包含路线、桥涵、隧道等九大子系统。系统充分考虑了建模需求和设计习惯，使设计师基于软件进行项目正向设计、建模和出图。

3.4 本特利（Bentley）平台

基于Bentley平台，在ProjectWise软件下集成Microstation、Prostructure、PowerCivil等軟件建立的模型，在ProjectWise平台下，使设计师们能够在一个统一的平台下管理各种软件，建立工程模型，包括道路、桥梁、边坡、隧道、路线交叉、景观绿化等，真正实现了项目团队协同设计。Bentley软件还可以生成imodel轻量模型，并通过Navigator软件，对模型进行审查，实现了各专业各参与方的BIM三维协同设计。

本文采用Bentley软件平台作为基础平台，对发瑞隧道进行BIM建模及应用。

4 发瑞隧道BIM应用分析

4.1 项目概况及难点

发瑞隧道是都安至巴马高速公路最长的一座隧道，长度为5 329.5 m，位于河池市大化瑶族自治县江南乡发瑞村北西侧约600 m，采用分离式隧道。隧道建成后将是广西最长隧道，其隧道设计包含诸多难点：（1）隧道属特长隧道;（2）地质条件复杂，岩溶、裂隙发育，对隧道结构安全危害极大;（3）隧道交叉口多且复杂，围岩应力大，设计和施工难度大。针对项目特点和难点，充分利用BIM技术优势建立模型，优化设计。

4.2 模型建立

（1）建立地质模型。导入钻孔底层数据，针对隧道地形陡峭、钻孔数量少的问题，建立虚拟钻孔，提取出每个地层在钻孔中的位置关系点，分别构建对应岩体及地面层，如图1所示。

[JZ][XCLL38.TIF][TS（][HT9.H][JZ]图1 发瑞隧道地质模型图[TS）][KH-*1]

（2）基于Bentley PowerCivil软件，建立路线文件，并在CivilStation designer软件中批量生成隧道横断面模板，同时基于路线文件，生成廊道，引用隧道横断面模板（如图2所示），批量生成隧道模型。对于横断面模板可做成参数化模板库，便于后期模型修改及更新。基于不同围岩的横断面模板，对隧道采用各级围岩衬砌支护形式，可视化展示隧道结构。

（3）传统的二维设计对交叉口钢筋、型钢的表达不够直观，工程量计算不够精确，通过三维构建交叉钢筋、型钢等模型，设计交叉口并精确统计工程量，从而实现不同衬砌类型、交叉口、横通道等精准衔接，解决了隧道二维设计时结构构件难以表达的难题。如图3所示。

（4）建立隧道洞口模型。由于本隧道复杂的地质、地貌条件，在研究开挖边仰坡的稳定性以及洞口山体对排水的需求后，建立隧道洞口三维地质模型（如图4所示），可以直观地观察隧道洞口边仰坡高度、坡度，按照“早进晚出”的原则确认隧道口所在位置，选择合适的洞门型式。这比传统的二维设计更加精准，并能减少重复设计工作。

4.3 总结

发瑞隧道目前主要在设计阶段采用了BIM技术，建立了隧道整体结构模型及复杂节点的详细设计模型，方便设计交底及施工。

（1）目前，针对公路及隧道工程应用BIM技术所要交付内容还没有形成统一的标准[11]，项目的不同参与方无法形成统一的架构体系，这严重阻碍了BIM技术的发展，也无法发挥BIM全生命周期的优势。建议下一步建立国内统一的应用标准体系。

（2）目前的BIM应用还远未达到全员使用的程度[12]，BIM技术作为一个工具，只有在项目前期、设计、施工、运维都使用BIM技术的情况下才能发挥它的最大价值。而国内交通工程BIM应用采用多种软件平台，例如Autodesk平台、Bentley平台、CATIA平台等，设计、施工等项目参与方采用的软件平台多有不同，各种软件平台之间的信息交互无法保证信息的完整。建议下一步针对交通工程及隧道应用技术特点，统一软件平台，加大人员使用力度。

（3）隧道结构与地质情况息息相关，隧道设计及施工也是根据地质情况时有变化，而目前主要是在设计阶段主导BIM技术应用，项目业主、设计、施工之间的衔接不畅，阻碍了隧道工程BIM技术的发展。下一步建议改变现有的管理模式，采用以项目业主为主导，设计、施工为辅助的BIM技术管理新模式，充分利用BIM技术的各项优势。

6 结语

通过在实际项目中运用BIM进行隧道三维设计，摆脱了二维设计交叉口等表述不清的难题，图纸更加精细准确，减少设计变更，对设计进行优化，进一步提高了设计质量，实现了重要的经济和技术效益。

BIM技术的发展过程中虽然存在诸多问题，但是随着BIM应用软件的不断开发，以及设计人员的不断努力，逐步引导建立BIM应用标准，BIM技术在公路隧道甚至交通工程中的应用将不断得以完善，将不断地促进BIM技术在整个交通及建筑行业的发展。

参考文献：

[1]李建成.BIM研究的先驱——查尔斯·伊斯曼教授[J].土木建筑工程信息技术，2014，6（4）：114-117.

[2]何关培.BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]苏小超，蔡浩，郭东军，等.BIM技术在城市地下空间开发中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2014，15（3）：219-223.

[4]李华峰，崔建华，甘明，等.BIM技术在绍兴体育场开合结构设计中的应用[J].建筑结构，2013，43（17）：144-148.

[5]张建平，刘强，张弥，等.建设方主导的上海国际金融中心项目BIM应用研究[J].施工技术，2015，44（6）：29-34.

[6]蔡嘉明，钟文武，安有生.节点法项目管理在超大型工程中的BIM应用[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2016，41（1）：110-118.

[7]盧琬玫.BIM技术及其在建筑设计中的应用研究[D].天津：天津大学，2013.

[8]李坤.BIM技术在地铁车站结构设计中的应用研究[J].铁道工程学报，2015，197（2）：103-108.