铁路隧道工程系统分解结构(EBS)标准及应用研究

戴林发宝

(中铁第四勘察设计研究院集团有限公司,武汉 430063)

引言

国外建设工程领域分解结构体系主要有两大类，一类是以生产工艺或工种工程为主要原则进行分解和编码，如MasterFormat体系；另一类则以元素或构成部位为主要原则，如UNIFORMAT体系[1-3]。受前苏联影响，我国建设工程领域分解结构体系与MasterFormat体系类似，这种模式为静态计算和估算造价提供便利，但不利于全生命周期管理。我国铁路工程具有铁路线长、专业多、建设规模大、技术标准高、建设速度快等特点，而且工程复杂程度越来越高。然而，由于采用类似MasterFormat的体系，铁路工程各个阶段基本上处于相互独立、相互脱节的状态，无法满足可持续发展的需求，更无法实现铁路工程全生命周期管理。EBS(Engineering Breakdown Structure)体系是一种体现专业要素和功能要素的树状结构体系，能通过逐级分解，形成一定精细程度的工程子系统[4-5]。作为基础工作[6]，EBS为工程全寿命期各阶段、各专业、各种管理职能提供一个共同的平台[7]，以此整合规划、设计、施工、运营等环节从而形成一体化管理过程[8]。而且，EBS是二维费用结构矩阵的基础[9]，是铁路工程造价体系的前提，在工程造价管理中也发挥着重要作用。

为了适应未来铁路信息化发展的需求，中国铁路BIM联盟参考《铁路工程工程量清单计价指南》，结合铁路工程各专业施工质量验收标准，制定了EBS标准[10]。本文以铁路隧道工程为研究对象，首先从工点划分原则、实体结构分解、编码等方面介绍了铁路隧道EBS分解体系；然后研究了隧道EBS与工程量计算软件的结合方法，紧接着阐述了隧道EBS标准在隧道工程BIM模型中的应用，最后指出了隧道EBS标准当前存在的问题和下一步的工作方向。

1 铁路隧道EBS分解体系

1.1 工点划分方法

与传统隧道设计有很大的差别，隧道工点划分进一步细化，一个隧道至少包含3个工点，即进口、出口、洞身3个工点。工点的具体划分如下[10]：

(1)每座洞门为一个单独工点；

(2)每处连续段落的明洞应为一个工点；

(3)每处辅助坑道应为一个工点；

(4)正洞的暗洞部分按照工作面划分工点。

1.2 隧道EBS实体分解

工程结构分解可以采用线分类法、面分类法、线分与面分结合法。相比起其他的分类组织方法，线分法具有层次好、易查询、符合传统的设计思想等优点，因此工程建设行业在规划、设计、施工、运维各阶段的管理基本上按照线分法的分类原则[11-12]。隧道EBS实体分解也采用线分法。分解方法概述如下。

隧道专业节点下区分隧道和明洞，隧道和明洞均按新建和改建区分，新建隧道下，进一步按照隧道长度划分，EBS前5级的划分如图1所示。

图1 隧道结构分解(前5级)

第6级正洞按围岩等级区分，往下进一步分解为洞身开挖、支护、衬砌、拱顶压浆；洞身开挖由超前地质预报和开挖两部分组成，而超前地质预报又可按预报方法分解为地质素描、地震波反射法、地质雷达、超前水平钻探、加深炮孔、红外探测；衬砌可以分解为混凝土、钢筋、回填注浆、综合接地、沉降观测与评估。混凝土可以进一步分解为拱墙、底板、仰拱填充、踏步等。正洞分解如图2所示。

图2 正洞分解(部分)

1.3 隧道EBS编码

隧道EBS编码采用层次码，每一层用两位数字表示，上一层级必须包含下一层级，同一层级相互排斥。以隧道管棚为例，第1级编码为工点类型码，代表隧道专业；第2级为隧道类型码，用于区分隧道工程和明洞工程；第3级用于区分新建工程和改建工程；第4级和第5级用于区分概预算类型；第6级用于区分正洞和辅助坑道或其他工程；第7级用于区分支护措施所在的地质情况；第8级用于指定支护类型；第9级到具体的构件。隧道的EBS层次码的结构如图3所示。

图3 隧道EBS层次码结构图示例

2 EBS与工程量计算软件结合研究

既有的隧道工程量统计软件已经使用多年，已经形成了基于各类速度目标值的工程量数据库。数据库包含正线数据和辅助坑道数据。正线数据包括超前支护、初支、二衬、明洞、洞室、洞门、注浆、工法、防排水、变形缝、附属等；辅助坑道数据包括超前支护、初支、二衬、洞门、注浆、防排水、变形缝、附属等。通过支护措施数据，软件可以自动计算获得相应工点的工程量。软件的数据组成如图4所示。

图4 隧道工程量计算软件的数据组成

由此可知，数量计算软件数据库数据也是按线分法组织，这为EBS与数量计算软件的结合提供了基础。每一个EBS名称都对应一个唯一的EBS编码，因此通过在数据库的数据表中添加“EBS编码”字段，可以实现工点数量与EBS工程量的转换[13-14]。由于同一个构件，其编码可能随着地质条件、断面大小、隧道长度等的变化而变化，因此需将EBS编码分解为项目码和构件码两个部分，构件码是个固定编码，而项目码会根据项目属性生成，EBS编码生成如图5所示。

图5 EBS编码生成

通过以上方式，软件生成的工程量将附带EBS编码信息，接下来仅需将工程量转换成EBS工程量清单。为了便于数据与软件的交互，首先将EBS标准表转化为数据交换公共语言XML，XML表达EBS标准如图6所示。再通过EBS编码的相互映射，生成最终的EBS工程量清单。

图6 XML结构化表达EBS标准

3 EBS与BIM结合研究

3.1 EBS与BIM关系

与IFD、IFC一样，EBS也是BIM重要的数据标准，但是三者相互关联又互有区别。IFC和EBS描述工程实体方式不一样，前者描述工程是什么，侧重于结果；后者描述工程怎么做，侧重于过程[3]。IFD和EBS采用两种分类体系对工程实体进行分解，IFD采用面分法，EBS采用线分法，一个工程实体对应一个EBS编码，却需要多个IFD编码组合才能表达，这也导致了当前IFD编码很难真正应用于BIM模型，即便应用了组合码，也会让后续的铁路工程参与方很难解析。

隧道EBS标准发布的目的之一就是为隧道BIM模型提供基础数据支持，因此，EBS标准在BIM模型中的应用研究至关重要，关系到EBS标准的发展方向。本文主要从工点划分、实体分解和EBS编码三个方面，研究EBS标准在BIM设计中的应用[15-16]。

3.2 按EBS划分隧道BIM模型工点

对于不带辅助坑道的隧道，一般来说划分为进口、出口、明洞段工点、各个作业面工点；对于带辅助坑道的隧道，除了上述工点之外，每个辅助坑道为一个单独的工点，辅助坑道施工正洞部分，每个作业面为一个单独的工点。常规的隧道BIM模型工点划分如图7所示。

图7 常规的隧道BIM模型工点划分

3.3 按EBS分解隧道BIM模型构件

EBS标准为隧道工程从业者提供了工程实体分解的标准。比如在EBS标准中，衬砌可以分解为混凝土、钢筋、回填注浆、综合接地、沉降观测和评估；混凝土可以进一步分解为拱墙、底板、仰拱、仰拱填充、踏步。按照EBS标准确定构件层级结构并建立衬砌混凝土模型，二衬BIM模型EBS分解如图8所示。

3.4 隧道BIM模型构件应用EBS编码

按EBS分解体系建立BIM模型之后，通过隧道BIM设计软件开发，以属性附加的方式将EBS编码添加到模型中。BIM模型的一大优势就是所有的参数都可以随时提取，工程量可以自动计算[17-18]。本文通过脚本的方式，实现EXCEL数据与模型数据关联，自动生成EBS工程量清单。

4 结论与展望

4.1 结论

(1)在深入解析隧道EBS标准的基础上，提出了基于EBS标准的隧道工程量计算软件的实现方法。

(2)提出了工点划分原则、实体分解结构、EBS编码系统等标准在BIM模型中的应用方法，并通过编写脚本实现了BIM模型自动生成EBS工程量清单。

(3)当前的隧道EBS标准还存在一些问题，结合杭黄天目山隧道试点项目，总结如下。

①EBS标准参考的规范已经废止或更新。国家铁路局已发布《铁路工程工程量清单规范》，并将于2020年6月1日起实施，《施工质量验收标准》也于2019年全面更新。

②覆盖范围不够全面。当前的隧道EBS标准仅包括钻爆法山岭隧道，未包含TBM法、盾构法等其他工法隧道，覆盖范围还需进一步扩充完善。

③精细度不足。当前的铁路隧道EBS基本上可以分解到分项工程这个层级，可用于宏观的工程量和费用管控，但在与BIM结合的过程中发现，大量的隧道BIM零部件细节模型找不到相应的EBS编码。建议进一步扩展完善以满足BIM设计需求。

4.2 展望

长期以来，我国的铁路工程设计、施工、管理均采用按专业线分法的模式，短期内很难改变，因此从这点上来看，EBS标准有其天然的优势，再加上EBS标准与计价关系密切，因此，相比其他数据标准，EBS标准更有实用价值。

铁路隧道EBS标准的发布为隧道建筑信息模型的建立提供了基础数据支持。然而，当前隧道EBS标准并没有广泛运用于隧道工程设计、施工和运维，相关的研究也较少。因此，对于隧道EBS标准，结合当前存在的问题，下一步应开展的工作包括以下3方面。

(1)参考最新的《铁路工程工程量清单计价指南》和《铁路工程施工质量验收标准》等规范修正现行标准；补充各种工法隧道工程实体；扩展隧道工程零部件和编码定义，完善隧道EBS标准。

(2)在EBS分解的基础上，进一步确定WBS、项目分解结构、工程量清单分解结构、工程投资分解结构等。

(3)加大力度推广应用隧道EBS标准，充分发挥其在隧道领域的作用，在使用过程中不断反馈、修正标准。

随着BIM技术的不断成熟，EBS与BIM的结合将更加紧密。以BIM模型为载体，EBS为组织和编码标准，互联网为纽带，在设计、施工、运维等各参建方中共享BIM模型，搭建全寿命周期管理平台，实现铁路隧道工程的全寿命周期管理。