BIM技術(shù)在鐵路隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■ 李麗 馬婷婷 袁竹

BIM技術(shù)在鐵路隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■ 李麗 馬婷婷 袁竹

闡述BIM在鐵路領(lǐng)域中的應(yīng)用理念和BIM在鐵路設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)鐵路隧道專業(yè)，結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線石鼓山隧道輔助坑道工程，從斜井模型建立、模型審查和生成二維視圖等方面分析BIM在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，探索BIM三維模型的建立，實(shí)現(xiàn)隧道設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)二維向三維轉(zhuǎn)型；提出鐵路建設(shè)項(xiàng)目各參建方BIM技術(shù)應(yīng)用方案，分析運(yùn)用BIM技術(shù)開展鐵路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

鐵路隧道； BIM技術(shù)；模型建立；石鼓山隧道；寶蘭客專

隨著近十幾年來BIM技術(shù)快速發(fā)展及其在建筑行業(yè)的快速普及應(yīng)用，BIM項(xiàng)目在生產(chǎn)效率、縮短工期、控制質(zhì)量、降低風(fēng)險(xiǎn)、控制成本、避免浪費(fèi)、資產(chǎn)運(yùn)維等領(lǐng)域起到重要作用。BIM技術(shù)對(duì)行業(yè)影響顯而易見，為工程建設(shè)行業(yè)帶來了第二次革命。由于鐵路行業(yè)工程的復(fù)雜性，BIM技術(shù)目前在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用處于起步和探索階段。伴隨BIM技術(shù)列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，越來越多的地方政府推廣BIM應(yīng)用政策，以及建設(shè)方的業(yè)務(wù)需求，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)領(lǐng)域的探索、推廣、應(yīng)用將呈現(xiàn)不可阻擋之勢(shì)。

1 BIM在鐵路領(lǐng)域中的應(yīng)用理念

BIM在鐵路中的應(yīng)用，即在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中利用BIM技術(shù)生成一系列信息模型，模型不僅包含鐵路建設(shè)項(xiàng)目的物理和功能信息，還能作為共享的知識(shí)資源，使參建方在項(xiàng)目的不同階段，通過在信息模型中插入、提取、更新和修改信息作出相關(guān)決策，完成協(xié)同作業(yè)。BIM的應(yīng)用過程，實(shí)際上就是項(xiàng)目參建方之間信息資源互通，并完成溝通協(xié)作的過程。

鐵路項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)，不同項(xiàng)目的參建方其側(cè)重點(diǎn)不同。

（1）設(shè)計(jì)企業(yè)作為項(xiàng)目的先期參建方，主要是使用BIM技術(shù)開展鐵路設(shè)計(jì)。BIM技術(shù)可提供統(tǒng)一平臺(tái)供各專業(yè)進(jìn)行全方位集成設(shè)計(jì)，各專業(yè)可利用BIM軟件建立實(shí)體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、三維碰撞檢測(cè)、添加關(guān)聯(lián)信息等。設(shè)計(jì)完成后，可利用BIM模型快速作出概算，并核對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)是否滿足要求，控制投資總額。

（2）建設(shè)方可通過直觀的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行方案驗(yàn)證、三維模擬、功能審核，并對(duì)信息模型進(jìn)行批示；可利用BIM技術(shù)合理安排資金，審核進(jìn)度款；對(duì)變更設(shè)計(jì)可通過BIM模型快速調(diào)整工程造價(jià)，并且關(guān)聯(lián)相關(guān)構(gòu)件，核查工程量。

（3）施工單位主要運(yùn)用BIM技術(shù)指導(dǎo)施工和動(dòng)態(tài)管理。施工方可根據(jù)設(shè)計(jì)交付模型，理解、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、開展施工；結(jié)合BIM的4D、5D技術(shù)管理施工進(jìn)度、預(yù)測(cè)工期、分析造價(jià)，實(shí)現(xiàn)基于BIM的動(dòng)態(tài)管理，優(yōu)化施工管理系統(tǒng)。

（4）運(yùn)營(yíng)方運(yùn)用BIM技術(shù)，可調(diào)用BIM模型進(jìn)行運(yùn)營(yíng)模擬、疏散模擬、應(yīng)急預(yù)案、能耗分析等；可提取相關(guān)數(shù)據(jù)支持其運(yùn)營(yíng)、服務(wù)、維護(hù)和管理。

此外，伴隨BIM技術(shù)在鐵路項(xiàng)目中的應(yīng)用，參建方可在實(shí)際案例的基礎(chǔ)上分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，建立一系列BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，從而規(guī)范和推進(jìn)BIM技術(shù)的應(yīng)用。

2 BIM在鐵路設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用BIM技術(shù)開展工程設(shè)計(jì)不僅是設(shè)計(jì)工具改變，也是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式、管理方式的改變，可提高生產(chǎn)效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮減設(shè)計(jì)周期，提高管理水平，是未來設(shè)計(jì)理念發(fā)展趨勢(shì)。

（1）鐵路工程項(xiàng)目是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及鐵路眾多專業(yè)，應(yīng)用BIM技術(shù)可使各專業(yè)在統(tǒng)一的平臺(tái)開展集成、交互式設(shè)計(jì)，改變?cè)性O(shè)計(jì)模式下松散、孤立、串行的工作流程，可使各專業(yè)進(jìn)行并行式溝通交流，更迅速、快捷、簡(jiǎn)便。各專業(yè)一體化設(shè)計(jì)流程見圖1。設(shè)計(jì)過程中可運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)；各專業(yè)之間采用BIM技術(shù)可對(duì)各專業(yè)集成設(shè)計(jì)進(jìn)行碰撞檢查，減少出錯(cuò)率；設(shè)計(jì)人員可利用三維模型進(jìn)行實(shí)體扣減計(jì)算，擺脫人為工程量計(jì)算的主觀因素影響，更客觀準(zhǔn)確；對(duì)變更設(shè)計(jì)，可將變更內(nèi)容關(guān)聯(lián)到模型，稍微調(diào)整模型，即可迅速反應(yīng)工程量變化，也可直接采用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，省去傳統(tǒng)可視化過程重新建立模型的時(shí)間和成本，降低出錯(cuò)率等。

（2）鐵路工程設(shè)計(jì)通常采用二維圖紙作為交付依據(jù)，但二維圖紙并不能完整表達(dá)和展現(xiàn)三維實(shí)體工程的全部，由于現(xiàn)場(chǎng)施工人員自身誤解和局限性，不能正確理解設(shè)計(jì)意圖，往往造成工程資源浪費(fèi)。應(yīng)用BIM技術(shù)生成的三維交付模型直觀體現(xiàn)工程項(xiàng)目，提高施工準(zhǔn)確性，降低資源浪費(fèi)。

（3）與建筑行業(yè)相比，鐵路建設(shè)領(lǐng)域涉及的單位及人員更多、更復(fù)雜。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖紙除了作為施工依據(jù)、指導(dǎo)施工外，不能為后期的施工管理、運(yùn)營(yíng)管理提供更多的信息支持。BIM技術(shù)生成的模型可作為交付依據(jù)和指導(dǎo)施工，同時(shí)還可通過共享智能模型和信息方式，促進(jìn)各方、各專業(yè)人員之間的協(xié)作，從而改變建設(shè)項(xiàng)目管理模式。

圖1 各專業(yè)一體化設(shè)計(jì)流程

3 BIM在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

當(dāng)前鐵路隧道設(shè)計(jì)主要采用CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模式，雖然較手工繪圖效率有很大提高，但CAD設(shè)計(jì)存在一定的局限性。一是適應(yīng)性差，若工程地質(zhì)發(fā)生變化，圖紙修改麻煩，甚至需要重新設(shè)計(jì)；二是協(xié)同設(shè)計(jì)性能低，設(shè)計(jì)流程時(shí)間周期長(zhǎng)，信息資源共享程度不高；三是精細(xì)化程度有待提高，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)工點(diǎn)設(shè)計(jì)，僅依靠二維圖紙不能充分表達(dá)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)；四是設(shè)計(jì)資源重用性差，除去參考圖的使用，工點(diǎn)設(shè)計(jì)的專業(yè)信息資源不能為后續(xù)及其他設(shè)計(jì)直接利用；五是工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)機(jī)械化程度低，需要人為計(jì)算。

采用BIM技術(shù)開展隧道設(shè)計(jì)可彌補(bǔ)二維設(shè)計(jì)缺陷，通過建立專業(yè)信息模型實(shí)現(xiàn)從二維圖紙到三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型，在項(xiàng)目建設(shè)的各階段均能分享、使用其信息，可方便快速動(dòng)態(tài)修改與互通，全方位集成設(shè)計(jì)，輕松實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量，生成二維圖紙輔助施工。

目前，國(guó)內(nèi)外建筑行業(yè)應(yīng)用成功案例眾多，建筑模型也十分豐富，并陸續(xù)發(fā)布了相應(yīng)的BIM標(biāo)準(zhǔn)，逐漸形成行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系。鐵路行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用BIM的案例極少，鐵路隧道專業(yè)BIM模型也十分稀少，建

模處于起步探索階段。在此結(jié)合寶蘭客專石鼓山隧道輔助坑道基于CATIA軟件平臺(tái)建立的專業(yè)信息模型進(jìn)行分析。

3.1 工程概況

石鼓山隧道位于寶雞市渭濱區(qū)渭河南岸石鼓鎮(zhèn)楊家山的黃土殘塬區(qū)，起訖里程DK639+430—DK643+760，全長(zhǎng)4 330 m，為雙線隧道，最大埋深133 m。結(jié)合隧道所處地形、地質(zhì)條件，考慮施工工期、施工條件及運(yùn)營(yíng)期間救援疏散要求，采用2座無軌運(yùn)輸斜井輔助施工。其中1#斜井與線路交于DK640+500處，平角105°0'0"，綜合坡度9.5%，長(zhǎng)度355.79 m，采用無軌運(yùn)輸方式，按單車道+錯(cuò)車道設(shè)計(jì)。斜井內(nèi)輪廓根據(jù)挖裝設(shè)備及管路布置要求，采用無軌運(yùn)輸斷面，單車道凈空5.0 m寬×6.0 m高，設(shè)錯(cuò)車道一處，錯(cuò)車道凈空7.3 m寬×6.5 m高。3.2 斜井模型建立

（1）擬建模型組織架構(gòu)。在隧道專業(yè)層次下，按結(jié)構(gòu)組成對(duì)模型進(jìn)行分解。斜井襯砌由初期支護(hù)、模筑襯砌、洞口結(jié)構(gòu)組成，對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)一步細(xì)分直至底層。例如，初期支護(hù)可分為初噴、鋼筋網(wǎng)、鋼架、復(fù)噴等。

（2）根據(jù)真坐標(biāo)系線位信息，結(jié)合地形地質(zhì)確定輔助坑道位置。

（3）建立輔助坑道骨架信息。根據(jù)斜井線位，利用參數(shù)設(shè)置后續(xù)建模所需的關(guān)聯(lián)信息。例如，里程、洞口位置、坑底高程點(diǎn)、第一環(huán)鋼筋位置、模型引導(dǎo)線等。輔助坑道骨架信息視圖見圖2。

（4）參數(shù)化建模。通過參數(shù)（幾何尺寸及幾何約束）確定隧道斜井內(nèi)輪廓及斷面尺寸，并生成二維視圖。斜井襯砌二維視圖見圖3，洞門輪廓二維視圖見圖4。

（5）段落實(shí)體模型生成。利用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)施工進(jìn)尺長(zhǎng)度，采用掃掠、拉伸、添加等命令生成每循環(huán)實(shí)體模型，再利用知識(shí)工程模塊，通過知識(shí)工程陣列生成段落實(shí)體模型。斜井襯砌段落實(shí)體模型視圖見圖5，洞門輪廓段落實(shí)體模型視圖見圖6。

圖2 輔助坑道骨架信息

圖3 斜井襯砌二維視圖

圖4 洞門輪廓二維視圖

圖5 斜井襯砌段落實(shí)體模型視圖

圖6 洞門輪廓段落實(shí)體模型視圖

（6）文檔實(shí)例化。為方便后續(xù)相同段落直接應(yīng)用，生成標(biāo)準(zhǔn)模板后，利用知識(shí)工程模板中的文檔實(shí)例化功能，通過修改和輸入?yún)?shù)迅速生成同類型襯砌模型。

（7）裝配整體模型視圖（見圖7）。

3.3 模型審查

建立模型后，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行審查，包含專業(yè)審查及碰撞檢測(cè)，以保證模型質(zhì)量。

3.4 生成二維視圖

根據(jù)三維模型，利用CATIA關(guān)聯(lián)功能直接生成二維視圖，根據(jù)需求深度細(xì)化二維視圖。

4 結(jié)束語

針對(duì)鐵路隧道專業(yè)，結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線石鼓山隧道輔助坑道工程，探索BIM三維模型的建立，實(shí)現(xiàn)隧道設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)二維向三維轉(zhuǎn)型，提出鐵路建設(shè)項(xiàng)目各參建方BIM技術(shù)應(yīng)用方案，分析運(yùn)用BIM技術(shù)開展鐵路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。BIM模型可實(shí)現(xiàn)各專業(yè)全面協(xié)同設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，控制設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮減設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)資源的重用性，還可為其他參建方提供信息資源，使專業(yè)人員之間信息高效互通。BIM技術(shù)的應(yīng)用是行業(yè)信息化實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)鐵路行業(yè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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圖7 整體裝配模型視圖

李 麗：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

馬婷婷：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

袁 竹：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯苑曉蒙

U45

A

1672-061X（2014）05-0045-04

中國(guó)鐵路總公司科研開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2013G015-B）。