高速公路隧道正向设计中BIM技术的应用

文／刘刚锋 中铁长江交通设计集团有限公司 重庆 401121

引言：

随着社会经济与科学技术发展速度不断加快，高速公路隧道工程建设规模进一步扩大，面临的施工环境更为复杂。因国家依然持续加强交通基础设施建设，高速公路隧道工程具备巨大发展潜力。BIM技术在我国经历了几十年发展，实际应用范围日渐扩大，通过将BIM技术应用在高速公路隧道工程建设过程中，能够进一步加强隧道施工期间的资源分配效果，通过构建起三维模型，集成优化高速公路隧道结构。

1、BIM技术概念

随着计算机及绘图技术日渐成熟，BIM理念更加清晰。2007年美国率先发布首部国家级BIM标准，并将BIM技术称之为工程信息模型物理及功能特征的数字化表达形式。

我国在对BIM技术的研究过程中，将BIM技术定义为在高速公路隧道工程及高速公路隧道设施全生命周期内为工程规划及实施全过程提供充足的信息化支持的信息技术，以使工程各类重大事宜决策更加科学合理。同时，BIM技术也可借助物理及功能特征的数字化表达方式，使工程几何尺寸、弹性模量、功能等均能够直观展现在设计及施工人员面前，促进工程建设全过程信息一体化发展。

2、BIM技术功能

2.1 协调功能

在高速公路隧道工程结构施工与施工方法的选择过程中，需要重点关注各施工流程之间的紧密性，需要软件自身具备较高的协调性功能。借助构建起的高速公路隧道信息三维模型，可以使各专业施工理念直观展现在三维立体模型中，使现代高速公路隧道工程各施工流程的协调性能够从根本上表现出来，使施工方案的可行性进一步提升。

2.2 可视化功能

同高速公路隧道工程传统三维绘图技术手段相比，BIM技术可以将高速公路隧道内部结构利用三维模型的方式展现，为高速公路隧道工程施工环节提供重要的可视化支持，确保工程在施工与施工期间的各环节均能够体现在模型之中，使施工人员准确掌握工程结构，及时发现施工方案存在的各类问题，制定出专项可行解决对策。

2.3 综合功能

通过将BIM技术高效应用在现代高速公路隧道工程项目施工管理工作中，也可以为相关工作人员直观展现出高速公路隧道工程结构空间关系特征，对实际施工方案进行不断优化，最大限度降低涉及变更问题发生概率。同时，由于BIM技术可以构建出能够切实反映出高速公路隧道工程实际情况的三维模型，可以使工程施工期间的综合资源得到优化配置，确保高速公路隧道工程能够实现高质高效完成建设目标。

3、BIM技术在高速公路隧道正向设计中的应用积极作用

借助BIM技术，在社会经济发展速度不断加快，高速公路隧道工程建设规模进一步扩大的情况下，可以使高速公路隧道施工管理设计及施工更为精细，使工程建设全过程的进度及成本得到根本上管控。

通过将BIM技术高效应用在现代高速公路隧道工程项目正向设计管理工作中，也可以为相关工作人员直观展现出高速公路隧道工程结构空间关系特征，对实际设计方案进行不断优化，最大限度降低涉及变更问题发生概率，使工程建设全过程的资源得到优化配置，实现延长高速公路隧道施工管理全寿命周期的目标。

就目前来看，国家及有关部门针对BIM技术在建设行业中的应用现状，颁布了统一的应用标准。但就高速公路隧道施工管理而言，BIM技术的实践经验较少，需在研究适用于现代高速公路隧道工程BIM应用的框架中投入充足的人力及物力，确保BIM技术能够在现代高速公路隧道工程管理时发挥出积极作用。

配合使用BIM模型，对各专业的BIM模型进行集成管控。从根本上提升各专业软件之间的互通性，确保软件能够实现灵活对接目标。

将BIM技术应用在工程进度管理过程中，确保BIM软件可以实时查阅工程实施全过程的资源投入、施工计划执行情况。分析导致工程进度缓慢的原因，对工程进行全方位管控，为具体工作及管理决策的制定提供重要理论依据。

配合使用BIM技术，基于BIM模型对安全方案及质量控制方案进行交底。重点标注工程质量及安全管控重点环节。交底过程中还需要明确工程各参与方工作职责，消除存在于工程管理期间的主观判断以及信息不对等问题。

将BIM技术应用在工程商务管理过程中。最大限度发挥出BIM协同管理平台中的合约规划、合同登记、合同单据审批等功能。辅助监理工作完成项目实施期间报量单、变更单、签证单的在线报批与审批，从根本上提升EPC工程项目整体管控水平。

4、高速公路隧道正向设计

4.1 正向设计概念

在早期BIM技术应用过程中，BIM软件主要应用在翻模层次，属于逆向设计手段，BIM模型通常作为附加设计成果。随着正向设计工作日渐推广，高速公路隧道工程正向设计应用范围逐步扩大。

具体而言，正向设计需要利用BIM模型完成设计任务流程，在三维环境下进行隧道项目参数化设计、方案优化设计、施工图设计。通过与设计模型有机结合在一起，实现同步优化目标。正向设计是一种创新设计手段，能够从根本上提升设计工作的质量和效率。

4.2 设计建模软件

在隧道正向设计过程中，需要首先选择适宜的隧道设计建模软件，要求设计软件应当满足高速公路隧道建设实际要求。以Revit软件为例，该软件具备强大的参数化设计功能，能够支持二次开发插件，融合可视化编程软件，进一步提高异型结构建模及数据管理水平。同时，该软件平台还能够与BIM技术实现高效互换，具有开放性语义获取性特征，用户操作界面良好，实际应用效率更高。

4.3 参数化建模技术

选择适宜的参数化建模技术，构建起参数化模型。参数化技术现被应用于成熟的商业CAD系统软件中，可以将领域知识嵌入到模型，从根本上提升模型的可重用性。

参数化CAD系统是一种基于参数化草图与几何结构操作的双重方法，在具体使用过程中可以使用参数及几何约束定义绘制2D草图，借助几何构造操作创建或修改复杂的3D几何体。参数化模型十分灵活，能够更好适应不断变化的约束条件。

参数化CAD系统是一种基于过程的技术，能够保留模型所需的结构步骤。同时，参数化模型定义了结构步骤之间的各项依赖关系，在用户这单个操作进行修改的情况下，系统能够对整个几何模型做出更改。

4.4 正向化设计具体建模流程

在利用Revit软件进行公路隧道设计工作中，需要严格遵照实际流程开展建模工作。

（1）定义模型细节层。高速公路隧道工程设计的专业性强，内部包含内容多，存在大量的约束及限制条件，需要设计人员开展集中并持续的操作。具体而言，隧道工作需要着重考虑不同尺度，如从车道路线的公里尺度到横断面细节设计的厘米尺度等。现有隧道工程依然以平面设计为主，平面图纸需要展示出多个尺度及不同细节层次，经常会出现漏洞问题。而通过配合使用参数化建模技术构建起多尺度隧道模型，能够将每个尺度由专门细节层次展示，保障不同尺度模型的全面性和一致性。

（2）选择适宜的多尺度隧道模型建设方法。配合使用Revit设计软件，开发出具体的几何操作形式，创建复杂的隧道3D模型以及各模型之间的依赖关系，完成多尺度隧道模型创建工作；

（3）构建三维地质模型。地质信息表达及分享主要由地质平面图与地质剖面图展示，但难以直观展现出全部地质信息。配合使用BIM三维可视化技术手段，进行更加全面的地质信息处理，为高速公路隧道正向设计工作提供重要的理论依据。 Revit软件中提供了创建地形的工具，但实际功能较为薄弱，难以被有效应用在三维地质模型创建中，需要配合使用其他软件创建地质三维模型。如图1所示是某高速公路隧道地址三维模型。

图1 某高速公路隧道地质三维模型

5、BIM技术在公路隧道正向设计中存在的问题

5.1 专业技术沟通不顺畅

公路隧道正向设计具备独立的知识体系及软件平台支持，各专业之间接口较多，在设计过程中还应当着重关注信息的公开与共享，确保设计期间的各类信息及数据能够实现集成与自动化传递目标。但就目前来看，由于BIM技术在具体应用期间缺乏各专业部门之间的有效沟通平台，导致技术人员在理解设计意图时需要花费大量时间，设计工作效率从根本上难以保障。

5.2 公路隧道正向设计意图表示不清

在公路隧道工程地质环境勘察与设计工作开展期间，需要着重收集公路隧道工程相关数据，并与地方政府部门进行协商，最终由施工单位严格执行施工方案，确保工程建设效果与实际设计目标相符。在设计部门与施工部门交接过程中，用于展示施工细节的图纸依旧以二维图纸为主，某些附着项目设计只包括文本描述，导致施工方难以更好理解设计意图，使后续施工工作存在较多问题。

5.3 公路隧道设计成果缺乏维护

在公路隧道工程建设完毕后，需要在全寿命使用周期中开展维修及维护工作。隧道维修期间也需要依赖设计图纸找寻关键维修部位、故障问题发生原因。但由于现有隧道工程设计工作没有深入到隧道维护环节，导致设计成果没有得到有效维护，严重影响到工程实际运行效果。

6、BIM技术在高速公路隧道正向设计中的应用流程

6.1 BIM平台选择

高速公路隧道工程实施期间涉及许多专业，各专业之间的联系频繁，需要开展协同设计工作。结合现有公路隧道工程设计BIM系统研究成果，可借助GIS技术、互联网技术等构建起一套全流程、全专业、智能化的公路隧道工程设计体系，为BIM技术在工程设计中的应用提供重要平台与数据支持，确保制定出的设计方案更加全面。

要求选择出的BIM平台软件需要具备全面性、参数联动性、三维可视化、一键出图等功能，能够有效兼容各种平台，实现模型互导目标，使设计方案更为全面。

6.2 BIM基础数据准备

在建立BIM三维模型过程中，需要首先建立起三维数字地面模型，配合使用机载激光雷达测量技术、无人机倾斜摄影技术，对公路沿线进行航拍，获取高分辨率影像数据，从而形成更为全面的三维地形模型、三维数字模型。

6.3 BIM模型建立

借助BIM技术构建数字化高速公路隧道信息模型，可以使后续设计工作能够围绕该模型的细节及参数数值展开。通过使用可视化辅助图形编辑软件建立起高速公路隧道工程三维模型，然后利用测绘及地质调查等基础信息，建立参数化数据库，对高速公路隧道尺度、规格等参数进行标注。结合现有施工图纸及资料搭建BIM平台下的信息化数据模型，细致分析工程建设期间各环节实施要点，确保建立起的模型能够切实满足工程建设特征，避免在工程建设过程中因信息交流不通畅引发施工质量及效率问题。

基于BIM模型，整合项目类信息，创建材料清单，以快速总结各部件材料使用情况，为制造商提供材料生产依据，并为工程造价管控人员提供精准工程量，为实现高速公路隧道正向设计统一化、标准化生产目标提供充足理论依据。

6.4 BIM数据库建立

在高速公路隧道正向设计过程中，需要依靠众多信息资源支持，此些数据全面且复杂，仅依靠传统人工管控方式无法从根本上提高数据利用率，因此还需要借助BIM软件，对各类信息数据进行全面收集，增强工程建设全过程管控水平。利用BIM技术还能够自动计算出装配式高速公路隧道工程量，预算工程实际建设成本，增强工程建设综合经济效益。通过搭建起模量库管理平台，使工程建设全过程信息数据能够得到最大限度资源共享，增强工程整体数字化管控水平。

着重建立起标准库，为工程后续施工提供重要的参考依据。具体而言，BIM技术模型需要以建设标准库为基准，标准库内部主要包括明洞衬砌、套拱、超前支护、紧急停车带、经验库的模块。对于不同标准模块应设置相应的构件尺寸，灵活调用文件库内材料，对构建材料进行参数化处理，形成隧道每延米模型。通过建设标准库，可以为四大模型提供更加丰富的标准模块，从根本上提升隧道正向设计水平。

在BIM模型应用过程中，需要首先在模型内部导入纬地格式项目文件，建立隧道项目文件库。结合项目文件中的各隧道内容，调用标准库内的模块，并在模块中赋予隧道明洞、洞身衬砌，横通道等参数数值，从而更好完成BIM建模工作。在BIM建模结束后，设计人员可参照具体情况对隧道明洞、衬砌结构、横通道参数进行及时调整，使设计方案能够处于不断优化的状态。

6.5 具体应用方向

将BIM技术应用在高速公路隧道洞口设计环节，以图2所示的某隧道洞口为例，可以通过选择洞口桩号、暗孔桩号、明洞类型，借助软件自动求解隧道模型、三维地面模型开发情况，自动生成开挖边仰坡，然后设计出洞门墙断面参数、洞口边坡参数、边坡防护参数、回填信息以及节水沟参数，高效完成洞口设计工作。

图2 某隧道洞口设计示例

在隧道洞身设计过程中，主要包括隧道平面、纵断面、横通道等设计工作。在使用BIM技术时，可以导入地址信息及三维地图模型，对周边围岩条件，隧道埋深、隧道静距离等信息进行全面分析，从而选择更加适宜的衬砌结构。在布置横通道完成后，优化隧道洞深设计方案。

利用BIM技术构建起三维隧道实景模型图，确保隧道内较为复杂的空间关系，能够在三维模型上直观展现出来。要求在模型构建时应当着重关注隧道埋深、地质条件穿越情况、线间距大小、洞口偏压情况，借助直观对比分析，制定出切实可行的四道施工方案。

如高速公路隧道工程为特长隧道，也需要使用BIM技术首先构建起隧道三维实景模型，道路地质地形信息，直观判别围岩结构、深浅埋信息，做好横通道的布置工作。由于特长隧道往往需要设置斜井来满足隧道通风要求，提升工程实际施工效率，还可利用BIM技术对比不同斜井位置的设置优势，选择最佳斜井位置，充分发挥出斜井布置工作的积极作用。

7、BIM技术在高速公路隧道正向设计中的应用要点

为从根本上提升BIM技术在高速公路隧道正向设计中的应用可行性，需要借助BIM技术构建三维可视化模型，着重分析工程施工现场复杂地形环境，确保设计出的方案能够与实际施工要求相符。

利用BIM技术对公路隧道工程正向设计工作进行协同处理。充分发挥出BIM技术的协同优势，借助局域网或广域网实现各设计工作协同目标。其中，网络文学从设计需要在服务器上构建模型文件，其他专业工作人员借助网络服务器调用及引用模型软件。在局域网协作设计工作开展时间，不同专业设计人员掌握的设计文件及资料不同，可以在构建三维模型后利用数据共享平台与其他设计人员共享设计资料，使设计部门能够更加全面地了解到高速公路隧道工程设计建设要求。开放的同时做好权限的掌控，有其他设计部门想更改或共享设计文件时，必须得到设计文件所有者的批准，使专业设计文件的准确性及唯一性能够得到根本上保障。

使用BIM技术设计三维隧道模型，应当选择适宜的垂直与平面线，利用标准截面放样及融合方法创建三维隧道模型。这种设计方法能够更为准确地表达出高速公路隧道设计理念，从根本上提升设计质量效率。

结语：

总而言之，通过将BIM技术应用在高速公路隧道正向设计过程中，可以从根本上提高高速公路隧道设计水平，降低高速公路隧道建设后期的变更问题出现概率，控制高速公路隧道建设成本。为从根本上发挥出BIM技术在高速公路隧道正向设计中的积极作用，还需要结合高速公路隧道工程具体建设要求，构建起一支高素质设计团队，合理利用BIM技术平台，增强具体设计方案的全面性与可行性。