基于CATIA的BIM技术在隧道设计中的应用

秦海洋，汤永净,2，陈智远

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.同济大学浙江学院 土木工程系，浙江 嘉兴 314051；3.上海市黄浦区教育局校产管理站，上海 200025)

0 引 言

BIM(building information modeling)起源于美国。1975年，美国佐治亚理工学院C.EASTMAN[1]首次提出BPM(building product models)和PIM(product information models)思想，这成为BIM理论的原型；2002年，J.LAISERIN[2]完善了BIM理论并进行了系统化定义；2003年，美国总务管理局制定的“3D-4D-BIM”方案成为世界上首例由政府主导的BIM技术研究方案[3]；2007年，美国国家建筑科学研究所制定了世界上首例BIM技术标准《National BIM Standard》[4]；2009年，威斯康星州率先要求大规模公共建设项目应当引入BIM技术[5]。与此同时，其他国家也逐步展开了BIM技术的研究[6]：日本于2003年开始探索BIM技术，在2006年尝试将BIM技术应用于本国特殊工程的建设中[7-8]；英国于2003年开展了BIM技术的研究，并在2009年颁布了本国首部BIM标准《AEC(UK)BIM Standard》[9-10]。

与建筑BIM相比，由于隧道工程具有地质复杂、未知风险高及线性分布的特点，隧道BIM技术的发展相对缓慢。在英国的Crossrail地铁项目中[11-12]，Bentley公司为地铁项目的顺利进行提供了云技术服务，项目的公共数据环境(CDE)被正式迁移到了云端，云技术为后期混合云计算处理和数字模型的数据更新提供了技术支持，同时也提高了项目交付效率和成本效率。

隧道BIM技术在中国的应用主要依赖于建筑行业的REVIT 3D、BENTLEY、ARCHI CAD软件以及机械航空领域的CATIA软件，各类软件具有不同的特征，适用范围也有所差异。如：REVIT 3D几乎面向所有行业，较高的普适性造成较低的专业性，难以在隧道行业推广；BENTLEY 费用较高难以推广，形成数据交换的障碍；ARCHI CAD软件与BENTLEY 软件相似，具有较高的行业专业性，因此较难普及；CATIA源于机械航空领域，其精准建模特征适用于道路的平纵曲线设计，侧重于曲线建模，因而更适用于隧道工程。研究表明[13-16]，CATIA可以与GIS、GE、Midas NX等进行数据交换，便于模型后期的功能应用，形成“骨架 + 躯体”的隧道建模理念。我国的新鼓山[17]和石鼓山[18]建设中分别应用了基于CATIA和REVIT平台的BIM技术。

笔者基于现有成果，结合隧道工程线状分布的结构特点，提出了基于CATIA 的BIM 技术(CATIA + BIM技术)“骨架 + 躯体”的建模方法，结合福州金鸡山隧道实际工程，完成了隧道BIM模型在设计阶段的创建以及在施工阶段和运维阶段部分功能应用。结果表明，CATIA+BIM技术的“骨架 + 躯体”建模理念与隧道工程“线状分布”的结构特征相适应，该技术适用于隧道工程的建模和精细化设计。

1 隧道CATIA+BIM技术

1.1 建模理念

CATIA+BIM技术，即先完成基准模型(骨架)和各构件模型(躯体)的创建，再进行构件模型(躯体)的装配，非常适合线状分布的隧道工程的建模设计，以路线为“骨架”，以各构件模型为“躯体”(图1)，实现协同设计的核心思想。

图1 “骨架 + 躯体”——CATIA+BIM技术的隧道建模理念

1.2 建模框架

CATIA+BIM技术的隧道模型创建的全过程均为开放状态，各部门可随时通过中央云平台进行BIM模型的更新，实现了BIM模型的协同设计。建模过程分5步进行，如图2。

图2 CATIA+BIM技术的隧道建模

Step 1山体模型。用地形软件GIS或GE提取目标区域的坐标信息和高程数据，完成数据转换后导入CATIA的DSE(digitized shape editor)模块作为山体模型的拟合点；用CATIA的Mesh功能完成山体模型的拟合；通过三维地质软件Gs Design将山体模型与地勘数据相结合，生成三维地质模型。

Step 2路线“骨架”。将二维路线(主视图和俯视图)导入CATIA的GSD(generative shape design)模块，利用Mixing功能生成三维空间曲线。可以根据需要在三维曲线的不同位置进行标记，以满足后期模型组装的需要。

Step 3构件“躯体”，包括轮廓绘制和模型创建。轮廓绘制既可以在CATIA的Drawing模块中进行，也可以通过外部接口直接导入模型完成；在GSD和Component模块中分别进行模型曲面和实体的创建。

Step 4参数驱动。设置内置参数并与模型尺寸关联，修改参数便可以驱动模型完成实时更新。

Step 5属性附加。数字化属性是传统物理模型与建筑信息模型的本质区别。除了添加刚度、弹性模量、透明度等基本属性外，还可以添加造价、燃烧系数等功能属性。由于各阶段模型均属于开放状态，因此可以根据需求随时补充需要的属性信息。

2 工程应用

2.1 工程背景

金鸡山隧道位于福州市，东西走向，起点湖东东路K0+000，终点三八路K1+650，自西向东分别经过湖东东路、晋安河、金鸡山和三八路，全长1 650 m。隧道中部埋深较大、两端埋深较浅，成鱼腹状布置。隧道左右线相距6～25 m，通过6个横向通道相连，其中1个是车行横道，5个是人行通道。

2.2 CATIA+BIM技术隧道模型创建

2.2.1 山体模型

金鸡山隧道CATIA+BIM技术的建模方案如图3。为了简化模型，达到过程分析的目的，笔者仅生成山体表面，不涉及地质模型部分。金鸡山山体模型的创建步骤如下：

图3 CATIA+BIM技术在金鸡山隧道建模中的应用

1)坐标提取。在Google Earth地图中选定目标区域，进行参数设置后提取坐标和高程数据。

2)山体拟合。将数据导入CATIA的DSE模块，生成数据点的包络面作为山体表面。

2.2.2 路线“骨架”

将二维路线导入CATIA的GSD模块，利用Mixing功能生成隧道的三维路线。由于不涉及地质模型，因此，按照相同厚度创建隧道衬砌模型。

2.2.3 构件“躯体”

以路线为基准，创建隧道的构件模型，包括锚杆模型、仰供模型、钢拱架模型等。笔者分别以锚杆、洞口和横向通道模型的创建为例，阐述金鸡山隧道“躯体”模型的创建过程。

1)基于“UDF + Loop”的锚杆模型创建。“UDF+Loop”循环中的参数包括步距s和围岩强度e。通过s将e和自定义特征UDF关联在一起，e的改变会使得s发生变化。然而，由于简化了三维地质模型，可忽略参数e，因此，参考实际的围岩强度进行路线分段。在初始路线上绘制草图并生成锚杆实体，将草图、模型、步距及内部关联定义为UDF，并在KC(knowledge consultant)模块中通过Loop功能进行锚杆模型的循环布置。

2)基于“Sketch + Tracer”的洞口模型创建。金鸡山隧道的洞口U型槽属于高次复杂曲面，CATIA提供的Sketch+Tracer模块可以完成高次曲面的设计。首先将平面图导入Sketch + Tracer模块，通过Mixing功能生成三维轮廓路线，基于Bridging功能完成三维曲面的填充，并通过Entity功能生成洞口模型。

3)基于目录库系统的横向通道模型创建。对于横向通道，在目录库系统中修改目标模型的设计表，就可以关联BIM模型的尺寸参数，完成相应的变动，进而调用目标模型。横向通道目录库的创建分3步进行：初始模型的创建，设计表的创建，关联目标模型后生成目录库文件。

2.3 CATIA+BIM技术隧道模型应用

金鸡山隧道CATIA+BIM技术模型在工程各阶段的应用如图4。

图4 CATIA+BIM技术在金鸡山隧道工程中的应用

2.3.1 设计阶段的应用——设计优化

模型创建完成后，可以附加不同属性进行不同功能分析，例如：附加燃烧参数进行火灾模拟和疏导方案分析，添加价格信息进行造价计算，添加物理信息进行结构分析等。笔者以锚杆碰撞检查、洞门工程量计算、衬砌变形的有限元分析为例，对金鸡山隧道BIM模型的功能应用进行研究。

1)锚杆碰撞检查。CATIA可以高亮显示碰撞部分，并提供每一例碰撞检查结果。对锚杆模型进行碰撞检查过程如图5，结果发现部分锚杆存在碰撞现象。

图5 锚杆碰撞检查

2)洞门混凝土工程量计算。将C25混凝土密度属性附加至洞门模型，在CATIA的Drawing模块中选择洞口U型槽模型进行工程量清单统计(图6)，统计结果中包含编号、数量、描述、体积及重量等信息。

图6 混凝土工程量计算

3)衬砌变形的有限元分析。在CATIA中选取目标段隧道模型，通过CATIA-Midas接口导入Midas生成实体模型，完成拱顶下沉的计算与分析，如图7。

2.3.2 施工阶段的应用——指导施工

施工阶段对模型细度和类型的要求与设计阶段不同，因此，需要对设计阶段的模型进行进一步的处理才可以在施工阶段使用。金鸡山隧道的模型加工主要包括模型拆分、资源分配、进度安排等。

1)模型拆分和资源分配。由于施工阶段的隧道模型需要与人、材、机关联起来进行资源配置，因此要考虑施工方法、团队和装备等因素，对设计阶段的信息模型进行拆分，以适应施工阶段不同分析软件的需求。

2)进度安排。将达索平台的DELMIA与隧道模型结合起来以甘特图而不是文字描述的方式展示施工安排，从而极大地促进了隧道施工过程的资源配置和协同合作。

2.3.3 运维阶段的应用——运维管理

在金鸡山隧道运维管理中，基于达索系列的3DVIA的火灾模拟功能对隧道通风和疏导方案进行分析。结果显示，金鸡山隧道的结构设计满足防火要求。

3 分 析

工程应用表明：CATIA的曲线建模功能可以促进隧道建设的精细化设计；CATIA软件的“骨架 + 躯体”建模特征与隧道工程线状分布的结构特点相适应；达索大平台整合能力方便了设计部门、施工部门与运维部门间的协同交流，促进了隧道设计的信息化、数字化发展。

3.1 设计阶段

基于达索平台建模软件，结合地质软件和功能软件，可以完成隧道三维可视化模型的创建，并且CATIA的快速建模功能可以实现隧道的高效化建模，进一步实现设计阶段的碰撞检查、工程量计算、结构分析等功能，并完成隧道结构的设计优化。

3.2 施工阶段

BIM模型可以进行施工模拟、碰撞检查，避免了传统二维设计中难以发现的错误。通过施工模拟可以进行不同方案的比选，并以甘特图的形式生成进度计划，在此基础上，实现人、材、机资源的分配，既降低了工程造价，又提高了隧道施工的效率和精度。

3.3 运维阶段

由于尚处于探索阶段，金鸡山隧道BIM模型仅完成了可行性分析。其中，数字化的运维管理系统可以实时进行隧道工程的能耗分析、安全评估和资源配置，在优化隧道功能的同时提高隧道运行寿命。例如，运维管理系统可以实时检测并分析隧道交通量，在此基础上进行通风系统的调节，确保能耗与需求相适应。

4 结 论

1)CATIA软件“骨架 + 躯体”的建模理念与隧道的线状工程特征相吻合，因而可以用于隧道BIM领域。

2)CATIA+BIM技术可用于隧道工程的建模以及精细化设计，并完成施工和运维阶段的部分功能应用。

3)在隧道设计阶段，CATIA+BIM技术可快速创建隧道模型，实现碰撞检查、工程量计算、结构分析和二维出图等功能；在隧道施工阶段，可以完成施工进度安排、三维施工动态模拟以及资源的合理配置等任务；在运维阶段，可以实现火灾模拟，从而制定相应的应急措施。