高速铁路隧道工程BIM正向设计研究与应用

李俊松，汪明，曹力

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

我国国土面积约3/4为山岭和重丘，国家规划的铁路干线常穿越崇山峻岭，桥梁和隧道工程既是解决艰险地区选线问题的重要技术手段，也是该类干线设计工作的重点和难点。在隧道工程中，传统二维设计虽然可有效解决常规隧道的设计表达，但存在表达方式平面单一、信息传递不畅、专业信息互通阻碍大、信息集成度不高等缺点，难以有效表达复杂隧道洞门结构、防灾救援通道立体交叉、多专业衔接界面等情况。

BIM技术在建筑行业的成功应用，给铁路隧道行业带来较大的启发。利用BIM技术的形象、多维、协同等优势，能有效解决隧道工程复杂设计问题。自2012年起，中国国家铁路集团有限公司工程管理中心就致力于铁路行业BIM技术的研究与应用，其牵头建立的铁路BIM联盟至今已颁布16部BIM相关标准与规范［1］；国家铁路局也于2021年3月发布了铁路工程建设标准TB/T 10183—2021《铁路工程信息模型统一标准》［2］。在铁路BIM联盟带领下，我国各大设计、施工单位从不同维度深入开展BIM技术的应用与研究，大力推进各类铁路BIM试点应用，例如：中铁第一勘察设计院集团有限公司基于Revit对铁路隧道BIM设计进行了研究，并将其与GIS技术相结合［3-4］；中铁二院工程集团有限责任公司相继在Dassault Systemes、Bentley等平台下开展铁路隧道BIM正向设计研究与应用［5］；中国铁路设计集团有限公司在3D Experience平台下对铁路全专业的BIM设计与协同进行了研究［6］。

结合铁路隧道BIM设计方面的研究与实践经验，以Bentley平台OpenRail Designer（简称ORD）为基础，系统开展高速铁路隧道工程的BIM正向设计研究，建立适用于设计阶段的标准体系与参数化族库，利用二次开发技术开发符合隧道设计流程的BIM正向设计系统，利用BIM技术实现高速铁路隧道的轮廓力学分析及参数化入库、参考图设计、工点方案设计及详细设计、工程量计算、二维出图及三维模型生成等功能，初步实现高速铁路隧道工程BIM正向设计。

1 整体规划

实现高速铁路隧道工程BIM正向设计，需要兼容设计单位的测绘、地质、线路等现有文件，符合传统设计习惯，还应在BIM成果交付方面满足铁路BIM联盟颁布的一系列BIM标准与规范，二维图纸也需基本满足《铁路工程制图标准》等行业标准及企业级技术文件要求。在多年研究及实践经验基础上，提出以BIM标准体系和参数化族库为基础，基于ORD开发隧道BIM正向设计系统的技术路线。隧道BIM正向设计系统采用流行的.NET程序框架构建软件体系，应用Log4NET、Nhibernate及NPOI作为系统辅助功能支撑，主要设计功能包含设计管理、通用设计、洞身设计、洞口设计、特殊设计、设计输出等6大模块，提供友好的设计交互界面，并可与其他专业进行有效的数据互通。隧道BIM正向设计系统架构示意见图1。

图1 隧道BIM正向设计系统架构示意图

2 标准体系制定

中华人民共和国住房和城乡建设部高度重视BIM技术应用推广工作，相继于2014年7月发布《住房城乡建设部关于推进建筑业发展和改革的若干意见》（建市〔2014〕92号）［7］，于2016年发布《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》（建质函〔2016〕183号）［8］。铁路BIM联盟组织编写并发布了T/CRBIM 001—2014《铁路工程实体结构分解指南》［9］、T/CRBIM 002—2014《铁路工程信息模型分类和编码标准》［10］、T/CRBIM 003—2015《铁路工程信息模型数据存储标准》［11］等16项标准和指南。中国中铁股份有限公司（简称中国中铁）在总结各单位BIM推进经验基础上，结合行业发展需要，研究编制了《中国中铁BIM应用实施指南》［12］等系列BIM应用的指导性文件，并在自身参与项目中进行了充分验证完善。2016—2020年，中国中铁依托城市轨道交通项目，开展BIM技术研究及应用，在城市轨道交通工程BIM标准体系的建立上取得重要突破，形成城市轨道交通工程施工BIM应用标准体系。2021年3月，国家铁路局最新发布《铁路工程信息模型统一标准》，并于2021年6月正式实施。上述系列标准、指导文件的出台，以及项目的验证完善，对于提高铁路行业BIM技术进步和应用水平、保障铁路建设标准化管理、实现工程建设信息化发展起到了重要的指引和参考作用。

在中国国家铁路集团有限公司、铁路BIM联盟、中国中铁等系列纲领、标准文件的指导下，结合多条城市轨道交通BIM应用实践经验，借鉴轨道交通行业现状及管理模式，对铁路隧道BIM标准体系进行了规划，从“纲要→导则→标准→手册”4个层次建立隧道BIM正向设计标准体系。该标准体系将在铁路隧道应用规范研究成果的基础上，从整体架构、编码标准、应用流程、应用标准等方面进行规范和定义，最终形成较全面的隧道BIM正向设计标准体系。其中，纲要包含基本规定、总体指导思想、标准制定原则及范围；导则提出总体技术思路，规划出正向设计标准流程，并对正向设计各类成果进行界定；正向设计标准包含设计各阶段详细流程、数据编码及存储标准、建模标准、信息附加及交付标准；正向设计手册则对规划设计、初步设计、技术设计、施工图设计和深化设计各阶段的操作步骤进行了详细说明，指导设计人员开展标准化设计工作。目前，隧道BIM正向设计标准体系已形成初步成果并在某复杂艰险山区铁路、西昆线、渝昆线及成渝中线等多条铁路干线中实践应用。

3 参数化族库建立

建立标准化、参数化的族库，能避免重复建模，极大地减少工作量，并提高建模的规范性、标准性和快捷性。在建立族库的过程中，应充分考虑高速铁路隧道设计需求、工程施工工法、后期施工交付，以及建模过程中所需的附加信息，便于后期的工程量计算、建模出图及设计交付等。按照铁路BIM联盟相关标准要求，从隧道结构构成的维度对族库类型进行划分，主要包括洞门、洞身、接口及特殊结构4个类型（见表1）。目前，已结合ORD软件二次开发技术，建立了满足实际建模应用需求、覆盖大多数隧道形式的隧道参数化族库，并在各干线及试点隧道BIM正向设计中实践应用。

表1 参数化族库

3.1 洞门

研究洞门参考图及工点图纸，提取参数化建模所需关键几何参数，在ORD的二次开发过程中，通过洞门生成算法调用关键几何参数，实现参数化洞门建模和洞门模型在实际线路中的快速实例化。目前，已建立并应用完善的洞门族库，包括帽檐斜切式洞门（见图2）、双耳墙式明洞门、桩柱式洞门等。

图2 帽檐斜切式洞门

3.2 洞身

洞身参数化族库包括暗洞、明洞、附属硐室及辅助坑道族。其中，暗洞轮廓按照常用类型分为单心圆、三心圆和五心圆等，每种轮廓族的关键参数包括衬砌、侧沟、仰拱填充、中心水沟（见图3）。明洞、附属硐室和辅助坑道族库建立方式与暗洞类似。

图3 暗洞洞身轮廓族

3.3 接口

隧道在线路上会与桥梁、路基等专业在排水、电缆槽等方面顺接，接口族库便于在设计过程中解决该类顺接结构的自动生成问题，达到隧道进出口与相邻桥梁、路基等专业模型顺畅过度的目的。根据实际工程特点，目前，已建立桥梁和路基专业接口族库，各专业分别包括洞口防排水及电缆槽2种类型。其中，洞口防排水包括截水天沟、侧沟过渡段等结构，电缆槽包括槽体及电缆槽盖板过渡段结构。

3.4 特殊构件

隧道工程既有通用结构形式，也有特殊结构形式，因此需结合各隧道工点设计情况，逐步建立并丰富特殊构件族库。目前，特殊构件族库主要包括弃碴场、防灾救援设施、通风排水设施、特殊挡墙、特殊支护结构等。结合ORD的二次开发技术，利用算法逐个实现各类特殊结构的参数化及实例化，其参数根据结构特点设置，如弃碴场主要包括挡墙、台阶、边坡及防排水等。

4 BIM正向设计系统

基于ORD开发了符合设计流程和习惯的隧道BIM正向设计系统，该系统以在线数据库为基础，实现了隧道专业内的设计协同及外部数据互通。在设计过程中，保留了部分二维设计思路，同时开拓性地将三维设计理念应用至洞身、洞口、施组、工程算量等方面，从而实现较传统二维设计更准确、详尽、直观的BIM正向设计。整个系统主要包括设计管理、通用设计、洞身设计、洞口设计、特殊设计和设计输出等6个模块。

4.1 设计管理

系统管理员可为设计人员分配初始设计账号及权限，设计人员登录后，自动分配线路及工点权限，进而精确分配相应的系统功能权限，并可通过后台管理系统管理用户行为、记录重要节点，将数字化、信息化应用到设计阶段，从而实现设计过程的可视化管控。此外，该模块还可实现线路级别的设计信息录入、导入和初始信息的设置。

4.2 通用设计

集成隧道正线、辅助坑道、附属洞室等参数化轮廓设计功能，实现纵断面设计的基础参数配置和型钢钢架、格栅钢架全流程设计，为后续开展洞身、洞口等工点设计奠定基础。

（1）参数化轮廓设计。结合数值分析及断面拟合成果，提取关键性参数，借助于隧道轮廓工具快速入库标准化隧道断面，在断面录入过程中，可查看参数示意图也可实时预览模型，入库前程序将对轮廓进行自相交、规范性检查，辅助对设计成果进行核验。

（2）通用参数配置。开发衬砌通用参数的录入工具，包括线间距、轨道板高度（分有砟、无砟）、道床排水、踏步等参数，便于后续正洞模型生成时调用；允许在轮廓界面自定义有砟、无砟形式，定义过渡段衬砌的轨道板高度，大大提升了程序的灵活性、通用性；实现施组速度的标准值、折减值的前期配置；规定了电分相、绝缘关节等区间构成，实现标准锚段参数的配置，便于后期顺利开展纵断面设计。

（3）钢架设计。开发从节点板定义、参数化轮廓生成、模型初始化、节点布置的全流程型钢/格栅钢架设计工具，支持可视化的交互方式，极大提升用户体验，设计完成后设计信息存入数据库，为参考图出图打下基础。

4.3 洞身设计

（1）隧道衬砌分段设计。隧道衬砌分段是洞身设计的关键环节，继承传统二维图设计的思路，利用ORD的二次开发技术，通过人机交互式操作，实现基于围岩分段的纵断面快速分段、插入、移动、合并、修改，以及段落工法和支护的自动更新等纵断面基础设计功能（见图4）；通过调用预先设置的下锚段参数，自动计算对应锚段，完成锚段半自动化设计；自动调取预先配置的线间距参数，结合衬砌断面参数化轮廓，快速实现衬砌断面加宽设计；根据地质专业提供的不良地质、涌水等基础信息，实现一键纵断面特殊信息设计。该模块还具备线间距、不良地质、数据线等表格的一键输出功能，实现不同比例尺、表格行的快速调整出图。

图4 隧道纵断面设计

（2）附属硐室设计。在完成隧道分段设计后，即可开展附属洞室布置，通过设置间距、洞室类型等参数，批量布置附属洞室，程序可通过算法自动避让施工缝、衬砌交界面、其他硐室结构，自动计算出最优硐室布置方案。设计完成后，可一键完成硐室平面图绘制及硐室表生成。

4.4 洞口设计

受限于地质专业提资，传统二维设计中洞口里程断面基本由相邻具备勘察数据的断面推测得到，而洞口BIM设计优化了该类断面的生成，并将三维设计理念应用至截水天沟、挡墙、边仰坡等设计，较大地提升洞口设计的准确性和合理性，充分发挥数据共享的价值。

（1）里程确定。支持查看任意里程的横断面切图，并支持里程动态调整，辅助设计人员快速、准确地确定洞口、明暗分界等关键里程，实现从近似设计到精细化设计的转变。

（2）截水天沟设计。设计人员可依据经验手动绘制平面样条曲线生成截水天沟，也可根据提取的边仰坡边界线快速生成，设计过程中实时显示积水坑的数量及位置，并从截面库中选择天沟截面快速调整天沟形式，使截水天沟设计更加科学、合理。

（3）挡墙设计。预设高度位于4～10 m的截面参数，并支持局部参数修改，通过选择墙顶定位点，即可快速完成挡墙设计工作。在设计完成后，设计人员可双击模型，修改挡墙参数实现设计成果的快速修改。

（4）边仰坡设计。通过可视化工具进行边仰坡截面设计，并将截面参数存入后台数据库，可供其他设计人员参考；截面设计完成后，通过选择地形、边仰坡起止点快速生成边仰坡模型，还可借助于边仰坡顺接工具，快速生成完整的边仰坡模型。设计完成后，结合三维地形模型可生成开挖体、快速测量开挖方量。

4.5 特殊设计

长大隧道、重难点隧道还包括施组、碴场、通风、防灾救援等特殊设计，目前基本实现了施组、碴场的快速设计，后续将持续研发通风、防灾救援等其他特殊设计功能。

（1）施组设计。读取预先配置的施组速度、折减数据，程序会自动结合工点围岩、衬砌分段等因素给出推荐的工点施组方案，用户通过编辑施组功能开展深入的施组设计。该模块具备交汇面快速求解（见图5）、施组线自动绘制、平导施组绘制、辅助坑道快速增设、施组图一键绘制等功能，可辅助设计人员快速、准确地完成施组设计。

图5 施工交汇面求解

（2）碴场设计。用户可结合自身经验绘制初始碴场平面线，设计碴场堆放范围（封闭线框），根据地形条件设计碴场挡墙形式、高度、厚度等，结合三维地形、碴场支档结构等生成三维模型，并快速计算碴场方量，供设计人员校核碴场设计的合理性，最终一键生成碴场剖面图和工程量。

4.6 设计输出

设计输出模块主要规划了二维出图功能、工程量输出功能、三维模型生成功能，以满足后续对参建各方的设计交付。

（1）二维出图。通过选择图纸尺寸及图纸审查级别自动生成参数化的设计图框，程序根据登录信息自动填写图框中相关内容；实现纵断面的标准化出图，可在洞身纵断面设计成果的基础上动态调整出图内容，满足出图要求。

（2）工程算量。通过导入计算EXCEL，关联数据库隧道信息，完成区段、工区隧道算量，计算成果保存至数据库，可输出为EXCEL和CAD、ORD图表。后续拟将工程量计算方法、公式封装为方法，便于算量程序灵活调用，彻底脱离外部文件（如EXCEL）的限制。

（3）三维建模。在隧道洞身、洞口设计完成后，可利用洞身批量生成工具快速建立正洞、附属硐室、辅助坑道等模型。隧道BIM正向设计软件从数据库自动读取纵断面设计成果，自动计算起止里程的长度，核对段落长度等信息，辅助设计人员快速建立洞身模型，并自动完成交叉构件之间的布尔运算（如附属硐室与正洞之间的剪切计算）。实现一键式生成标准衬砌段落的精细模型，包括超前支护、初期支护（钢架、喷射混凝土、钢筋网）、二次衬砌（模筑混凝土、钢筋）等，其精度可达到LOD400（见图6）。

图6 标准衬砌段落精细模型

5 结束语

通过近两年在成渝中线、西昆线以及某复杂艰险山区铁路中的应用与完善，隧道BIM正向设计标准、模板库、设计辅助系统逐步趋于稳定和成熟。大量隧道BIM正向设计工作的开展，显示了隧道BIM正向设计具有传统二维设计难以企及的优势。现阶段，虽然我国高速铁路隧道工程仍以二维设计为主，但随着BIM正向设计技术研究逐步深入，BIM技术必将逐步取代二维设计。其后续发展主要包含以下3个方面：

（1）标准体系逐步完善。将建立高速铁路各专业系统、科学的标准体系，实现规范化专业建模、模式化专业接口、明确性各方交付物，为铁路全专业BIM正向设计铺平道路。

（2）标准族库逐步丰富。随着试点项目应用的深入，标准族库将逐步丰富，与标准的结合度也越来越高，从而形成规范、实用的族库，再结合族库管理系统的开发与应用，使高速铁路隧道BIM设计变得更加便捷、准确。

（3）BIM正向设计系统迭代更新。BIM正向设计系统的研发周期较长，需要较多的试点应用对其加以验证，每项功能都需要在实践中迭代更新，从而保证对内设计成果的准确性和对外交付数据的完备性。