黔張常鐵路桑植隧道BIM技術應用研究

徐 博,趙秋林

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

BIM(Building Information Modeling)最早源于建筑工程，意為建筑工程信息模型。2013年，中國鐵路總公司(以下簡稱“鐵總”)將BIM技術引入鐵路工程建設領域。為推動BIM技術在鐵路工程中的應用，最先在寶蘭客專石鼓山隧道中開展BIM試點應用，為BIM技術在鐵路工程中應用的可行性做了探索性研究[1]。隨后鐵總又在2014年新開工的16個項目中開展了多個專業的BIM試點應用，旨在更加深入地研究BIM技術在鐵路工程設計階段的應用。近幾年，在中國鐵路BIM聯盟的推動下，開展了多個鐵路BIM標準的編制和發布工作，使得BIM技術在鐵路行業得到了穩步的推進[2-3]。

由于目前主流的BIM軟件平臺均沒有專門針對隧道工程的BIM輔助設計軟件，完全依靠手動建模存在效率低、精度低、模型成果不規范等問題，嚴重制約著BIM技術在鐵路工程中的應用效率[4-5]。為此，以黔張常鐵路桑植隧道為依托，基于歐特克BIM軟件平臺進行二次開發，對鐵路隧道工程BIM設計及成果應用展開深入研究。

黔張常鐵路西起重慶黔江區，途經湖北恩施自治州，湖南省張家界，最后到達湖南省常德市。沿線地質構造復雜，可溶巖分布廣泛。桑植隧道位于張家界市境內，隧道全長5 058.25 m，為雙線越嶺隧道，設計時速200 km。隧道出口設1座3 543 m長平導輔助施工，正洞與平導之間設6道橫通道連接(圖1)，為Ⅰ級高風險隧道。

圖1 桑植隧道平面布置

2 隧道BIM設計

2.1 整體設計思路

桑植隧道BIM技術應用研究主要采用Autodesk平臺系列軟件，包含Civil3D、Revit、TunnelBIM-R、Navisworks等BIM軟件。其中TunnelBIM-R為我院自主研發的針對隧道專業的BIM輔助設計軟件。隧道洞口場地引用線路專業提供的三維線路線條作為空間地位依據，在Civil3D中進行隧道洞口場地開挖及邊仰坡設計，隧道洞門結構、洞身及附屬設施結構采用Revit及TunnelBIM-R輔助設計。后期將BIM模型導入Navisworks及3DGIS系統中進行拓展應用[6]。

2.2 隧道洞口設計

隧道洞口設計主要包含隧道洞口場地設計、洞門排水措施及洞門結構設計。利用測繪專業提供的數字地面高程模型文件(DEM)生成隧道洞口地形曲面，參考線路三維線條和地質模型，以此為隧道洞口設計的依據。首先根據洞口地形特征選取適當的洞門結構形式。然后按照線路高程及地層特性確定隧道洞口場地開挖底面高程、坡腳輪廓線及邊仰坡坡率。由此構造出隧道洞口設計刷坡曲面，最后將刷坡曲面與原始地形曲面進行邊界運算，形成開挖后的隧道洞口場地模型。

洞頂截水溝利用Civil3D道路裝配工具進行設計，首先按照設計原則在離洞口開挖線5～10 m附近進行截水溝平面設計，軟件會根據截水溝平面生成地形剖面，然后由設計人員進行截水溝縱斷面設計，并為其指定水溝截面及刷坡規則，軟件會沿截水溝平縱數據自動生成截水溝模型。需要注意的是，由于Revit只能對Civil3D曲面進行參考而不能修改，因此在Revit中設計隧道洞門結構前應在Civil3D中先對隧道仰坡進行外輪廓投影開洞(圖2)。

圖2 桑植隧道洞口場地設計

2.3 隧道洞身模型設計

首先分析隧道工程與建筑工程在Revit中建模的主要差異性。第一，定位系統不同。隧道工程屬于基礎設施建設交通行業，為線性工程，設計時通常采用線路里程和高程實現空間定位。而建筑工程則通過軸網和相對高程進行定位[7]。第二，在Revit中，族是實現實例化單元的重要元素。建筑工程可利用Revit內置的系統族實現門、墻、梁、板、柱和機電等設備的參數化設計，并且構件之間存在默認的邏輯關系，例如門放置到墻上會自動開洞。而對于隧道工程則不能利用Revit系統族進行建模，一般采用公制常規模型族或體量族建模。由此造成隧道工程建模后在視圖管理、工程量統計和二維出圖等方面存在一定困難[8]。

盡管如此，但Revit“族”的特性卻非常適合復用性較高的隧道構件單元管理。經系統性需求分析，結合Revit對隧道設計的不足進行二次開發，能夠較好地實現隧道工程在Revit中的BIM輔助設計。

2.3.1 線路數據輸入

首先，通過在TunnelBIM-R中構建線路數學模型，引入線路平縱斷面要素，實現對線路任意里程的空間坐標計算。當用戶在TunnelBIM-R的線路信息維護模塊中輸入線路平面和縱斷面要素后，程序計算能夠計算逐樁坐標并擬合出三維空間線條[9]，作為隧道工程空間定位參照，如圖3所示。

圖3 線路數據輸入

2.3.2 定義隧道斷面及支護措施

在TunnelBIM-R中對常用的單心圓、三心圓與五心圓隧道內輪廓及初期支護，二次襯砌等支護措施構造參數化數學模型。設計人員通過調整斷面幾何參數和支護措施設計參數能夠實現單/雙線，有砟/無砟道床等不同的隧道斷面類型[10][圖4(a)]。此外，按照中國鐵路BIM聯盟發布的《鐵路工程信息模型存儲標準1.0》(IFC)中對隧道結構空間單元通用屬性集要求，在TunnelBIM-R中按斷面對其屬性信息進行添加與維護[11-12]。在生成BIM模型時，該屬性信息則會按照約定的映射關系分配到相應構件中[圖4(b)] 。設計完成的隧道襯砌斷面按照項目入庫保存以備調用[13]。

圖4 設定隧道斷面參數并生成參考模型

2.3.3 隧道正洞模型設計

定義好隧道襯砌斷面庫后，在隧道縱斷面設計模塊中導入圍巖地質信息數據，根據圍巖等級設計隧道洞身斷面序列及輔助措施[14]，TunnelBIM-R能夠從斷面庫中調用相應的襯砌，按設計序列完成隧道模型拼裝(圖5)。輔助坑道設計過程與正洞類似，不再贅述。

圖5 設置隧道縱斷面并生成基本模型

2.3.4 隧道洞室及輔助坑道設置

通過TunnelBIM-R將自定義的專用設備洞室族載入軟件系統，按照“四電”專業需求設定洞室布置里程和左右側別。通過“加載時剪切的空心”原理，程序在放置隧道洞室時，會自動在交叉口處創建空心體，當洞室與正洞交叉時，會自動觸發剪切機制，實現交叉口處的互通剪切(圖6)。

圖6 隧道洞室布置

2.4 工程數量計算

本項目隧道工程BIM按照參考模型+基本模型的方式組織實施。在施工圖階段，參考模型精度應達到LOD350，能夠表達滿足施工的設計意圖；基本模型精度則以滿足施工應用和運維階段的信息載體為主[15]。在本項目中，參考模型的另一個重要作用就是計算每延米隧道工程數量。程序根據一個斷面內所包含的構件及設計參數，計算出每延米工程數量并將其存儲在一個數據庫中(圖7)。當需要計算整個隧道工程數量時，程序調取隧道引用斷面類型、長度與對應的每延米工程數量數據進行匯總運算，最終將計算結果按照特定格式輸出到Excel表格。

圖7 工程數量計算

2.5 模型管理

在一個隧道工點項目中，相同的襯砌斷面可能會被多次實例化，并放置于不同的空間位置。考慮到隧道工程在施工期間會頻繁變更的特點，需要對項目中的隧道BIM構件進行統一管理，以便于變更設計時能夠快速定位變更段落模型。本項目采用IFD編碼+里程信息的方式來識別項目中的每個構件單元[16]。定位信息作為屬性被添加到每個構件單元中，程序遍歷項目中所有構件的定位信息，通過解析IFD編碼構建結構層級關系，最終，按照里程段落形成一個樹狀結構目錄(圖8)，通過點擊目錄節點能夠實現快速定位相應里程的構件。

圖8 隧道BIM結構樹

2.6 BIM交付

作為設計企業，BIM模型由設計階段向施工階段轉化，需要考慮以下幾個問題。第一，參數化族庫是設計知識的積累和體現，為保護自主知識產權，如何在BIM交付時確保設計信息向下遞而具有約束模型幾何形狀的驅動參數不被傳遞。第二，設計模型向下傳遞時，確保模型的幾何精度不受損失[17]。第三，BIM模型在施工階段要能夠被方便地進行信息維護與應用。在之前項目中，嘗試以.NWC格式作為BIM的交付格式，雖然能夠確保模型驅動參數不被傳遞與修改，起到保護設計單位知識產權的作用，但在模型格式轉換時，Revit原生的.RVT模型文件會被輕量化，隧道實體構件會被網格化，模型幾何精度有所損失。同時，現有的商業化BIM管理應用平臺大多支持最好的是Revit原生文件格式，以.NWC格式交付的BIM難以在后續建設管理階段進行靈活維護和應用[18]。相比之下，.RVT格式仍然是比較合理的交付格式。

針對以往BIM交付中存在的諸多問題，本項目在TunnelBIM-R研發時，在程序內部中直接構建了道路與隧道幾何數學模型，即將參數化設計過程集成在了交互界面中，設計人員通過交互界面進行參數化隧道BIM設計，軟件生成的構件模型只包含需要傳遞的必要設計參數及附屬信息，不含幾何驅動參數，最終采用.RVT格式進行無損交付，在施工階段應用效果良好。

3 隧道BIM應用

3.1 隧道洞口淹沒分析

隧道BIM創建完成后可用于分析和檢驗設計方案是否合理。將BIM模型通過數據轉換導入3DGIS環境[19]，可以對隧道洞口周邊匯水情況進行分析，模擬最大匯水情況下隧道洞口范圍積水工況，以此幫助設計人員檢查隧道洞口結構是否處于淹沒線以下，隧道縱向坡度是否滿足排水需求(圖9)。

圖9 隧道洞口淹沒工況分析

3.2 指導性施組設計

為了將隧道土建工期控制在總體要求的合理工期范圍內，在隧道設計時需要對隧道土建工期進行測算，當土建工期超出控制工期后，需要增設輔助坑道或調整施工組織方案。以往二維設計時需要進行抽象的進度計算和圖形比劃才能完成指導性施組設計。對于復雜的輔助坑道設置方案，依靠二維測算方法往往難以直觀準確地表達隧道施工組織方案。利用BIM模型則可實現基于最小構件單元的施工組織設計。對于長大復雜工況的隧道，可以根據不同地質區段的施工難易程度設置相應的施工時長。在Navisworks中，利用構件內的定位信息(IFD編碼+起終點里程)可快速實現不同里程段落構件單元與時間線的關聯。將數據導入Timeliner，通過 4D動態施工模擬實現相對準確的施工組織設計(圖10)。

圖10 4D指導性施組模擬

3.3 可視化交底

在二維設計時，隧道施工方法需要按照施工工序，采用多張不同時間段的施工步續圖進行表達。在設計過程中，設計者只能通過二維視角去判斷工法是否合理可行，而無法判斷在三維空間下工法是否具有可行性。現場施工人員在實際施工時也只能通過平面維度去理解施工步序和要點。由于隧道洞內施工原本就空間受限，如果在施工過程中才發現施工方案無法實施，勢必會影響施工進度和現場安全[20]。將BIM模型與時間和空間數據進行綁定，可以輔助設計人員進行施工工法仿真模擬，及時發現施工方案中的不足，防患于未然(圖11)。

圖11 隧道施工工法可視化交底

4 結語

依托黔張常鐵路桑植隧道BIM試點項目，基于歐特克平臺研究了在設計階段隧道工程BIM技術的實施與應用技術路線。認為結合中國鐵路BIM聯盟發布的相關BIM技術標準，對原生BIM軟件進行二次開發能夠提高BIM建模效率與精度，實現高效、智能化隧道BIM設計，其BIM成果能夠為后序階段BIM更深層次的應用提供良好的信息應用基礎，使現階段BIM成果價值最大化。研究成果對于類似鐵路工程BIM技術應用具有可借鑒和指導的意義。然而，基于BIM技術的三維設計要完全取代現有二維設計手段，仍然需要一個長期的實踐與迭代過程，需要鐵路工程各參建方共同參與研究，進行更加深入的二次開發才能促使整個鐵路工程建設行業BIM技術健康可持續發展。