基于Bentley平臺的鐵路隧道BIM技術應用研究

張 軒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 基本概況

1.1 BIM概述

國際BIM聯(lián)盟(Building SMART International)對BIM的定義是：建筑信息模型化(Building Information Modeling)、建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三個不同但相互聯(lián)系的功能[1]。能夠解決項目不同階段、不同參與方、不同應用軟件之間的信息結構化組織管理和信息交換共享，使得合適的人在合適的時候能及時得到合適的準確信息，這是行業(yè)賦予BIM的使命[2]。

相比于BIM技術應用逐漸成熟的建筑業(yè)，鐵路行業(yè)的BIM技術應用還處于探索、發(fā)展階段，而鐵路工程相比于民建工程，體量更大、工藝更為復雜、專業(yè)更多，對BIM技術的需求也更加迫切[3-5]。隨著鐵路BIM聯(lián)盟陸續(xù)推出《鐵路工程信息模型交付標準》、《鐵路工程信息模型表達標準》、《基于信息模型的鐵路工程施工圖設計文件編制辦法》等標準與辦法，BIM技術在鐵路工程應用中的標準與規(guī)范也日臻完善，鐵路工程信息模型在建設、傳遞和使用的過程中更加有據可依。今后的工程設計將逐步過渡到使用信息模型替代傳統(tǒng)二維圖紙，BIM技術在將來鐵路工程中必將占據舉足輕重的地位[6-8]。

1.2 軟件平臺

隨著BIM技術的大力發(fā)展，對于不同的專業(yè)領域有不同的BIM軟件平臺進行支持如Autodesk、Bentley、Dassault，應根據項目自身的特點、多專業(yè)協(xié)同的便捷性、模型后期應用的效果選取合適的軟件。本文中配合京張高鐵BIM設計使用的軟件平臺是Bentley。Bentley平臺下有針對建模的軟件Microstation、針對線路地質專業(yè)的PowerCivil、針對建筑專業(yè)的AECOsim Building Designer、協(xié)同管理平臺ProjectWise等，為不同專業(yè)提供了對應的專業(yè)軟件。相較于其他BIM軟件平臺，Bentley有以下優(yōu)點。

(1)鐵路工程呈帶狀分布長度可達幾十千米到上千千米[9]，模型規(guī)模遠大于民建模型，Bentley模型儲存于硬盤中，使用Bentley對硬件的要求更低，修改使用模型時效率更高。

(2)Bentley對于鐵路線位三維曲線、隧道帶狀模型支持能力強。

(3)Bentley平臺下軟件生成文件格式統(tǒng)一為DGN，并且由ProjectWise協(xié)同管理平臺，使各專業(yè)協(xié)同設計、二維三維設計交互的效率大大提高。

綜合以上幾點考慮，Bentley在鐵路工程設計上具有明顯的優(yōu)勢，符合鐵路工程設計的特點[10]。因此在京張高鐵項目中，使用Bentley平臺進行BIM設計工作。

2 工程設計應用實例

2.1 工程概況

新建北京至張家口鐵路位于北京西北、河北省北部，起自北京北站，西訖張家口南站，是舉辦2022年冬奧會、促進京津冀一體化的重要交通設施，也是為打造“智能鐵路、精品工程”在鐵路行業(yè)內首次開展全線、全專業(yè)、全生命周期BIM設計應用的線路。全線共10座隧道，其中八達嶺隧道為全線最長隧道，全長12.01 km，八達嶺長城站作為大型的高鐵地下站，結合隧道設置，構成國內單拱跨度最大的暗挖隧道。作為“智能京張”的一步，應用BIM技術的意義重大。

2.2 三維建模

首先綜合考慮設計、施工、運維等需要，對鐵路工程各專業(yè)實體工程進行劃分，形成適合信息化管理的合理單元[11]。京張高鐵全線根據專業(yè)劃分為55個單元，其中隧道專業(yè)包含10個單元。根據《鐵路工程信息模型交付標準》中的要求，鐵路工程信息模型應由模型單元組成，最小模型單元應由模型精度等級衡量。模型精度等級劃分見表1。

表1 模型精度基本等級[6]

京張高鐵隧道主要采用的是LOD3.0精度建立模型，其中部分重要工點采用的是LOD3.5精度模型。如圖1所示，以隧道暗洞為例LOD3.0和LOD3.5在模型精度上的區(qū)別。

圖1 LOD3.0和LOD3.5包含模型單元

模型建立過程具體如下。

(1)導入線路資料，通過PowerCivil在平面上設定基準點、長度、半徑等參數，在縱斷面上設定高程、長度、坡度等參數，建立正線與斜井三維曲線線位。如圖2所示，以斜井為例建立三維曲線線位。

圖2 斜井線位三維曲線模型

(2)根據鐵路隧道時速、限界、凈空等要求確定隧道斷面參數，由于京張高鐵BIM設計晚于二維設計開展，因此斷面參數使用京張高鐵二維設計中參考圖的數據。依據地質圍巖等級劃分和LOD等級的模型單元要求，建立不同圍巖等級的超前支護、初期支護、二次襯砌、管溝、仰拱填充等單元構件。盾構隧道部分構件如圖3所示。

(3)根據地質情況在線路的三維曲線模型上敷設不同圍巖等級的隧道單元構件，沿線路方向拉伸形成整條隧道模型。圖4為拉伸后的一段隧道模型。

2.3 信息附加

BIM中的I(Information)可以說是BIM的靈魂，脫離了信息的三維模型不能稱之為BIM模型[12-13]。模型的信息包含幾何信息和非幾何信息，幾何信息如長度、面積、體積等可通過模型直觀地表達出來，非幾何信息如混凝土強度等級、環(huán)境等級、IFD編碼等無法通過模型直觀表達，需要將這些附加信息賦在模型上。

根據《鐵路工程信息模型交付標準》中的要求，對于隧道模型的幾何信息和非幾何信息有明確的要求，表2為以超前支護為例的隧道模型基本信息。

圖3 清華園盾構隧道部分構件模型

圖4 八達嶺隧道LOD3.5模型

表2 隧道模型超前支護基本信息[6]

其中IFD編碼為針對構件不同空間位置、專業(yè)需求進行的編碼，構件以被賦予的這一串編碼作為自己的“身份標識”。其目的是為了使程序能夠通過檢索IFD編碼，找到目標構件，使整套模型更易于使用、管理[14-15]。信息附加過程具體如下。

(1)BIM軟件具有開放的數據接口，可通過使用二次開發(fā)工具為模型附加非幾何信息[16]。如圖5所示。

(2)將整體隧道模型按照不同襯砌斷面分為更適合信息化管理的合理單元，以里程范圍作為區(qū)分。使用二次開發(fā)軟件將同一里程范圍內的所有構件編為一組，形成以整體模型→不同斷面里程模型→內部構件為架構的模型樹系統(tǒng)，在管理、使用模型時可以迅速找到目標區(qū)段的目標構件，也可選取部分里程段或構件單獨顯示，如圖6所示。

圖5 附加非幾何信息界面

圖6 模型樹區(qū)段選擇界面

2.4 模型整合

在完成建模與信息附加之后，建立一個新的模型文件，將隧道范圍內的各專業(yè)模型全部參考到新模型文件中進行整合，形成可以隨時根據各專業(yè)文件更新的全專業(yè)全內容的隧道BIM模型，負責最后總裝的專業(yè)同時在這一步驟對模型進行初步的檢查。圖7為祁家莊隧道總裝文件及參考界面。

圖7 總裝文件及參考界面

3 BIM應用研究

3.1 碰撞檢測

BIM三維可視化的優(yōu)勢使碰撞檢測作為BIM最基本的應用為人們所熟知。通過碰撞檢測，可以減少設計過程中的錯誤和引起變更的可能性，可以優(yōu)化諸如中心管溝、側溝等本專業(yè)模型的布置，或是對各專業(yè)間模型布置的勘誤。從設計階段到施工階段全面減少了錯誤的發(fā)生，反向檢驗設計成果，優(yōu)化了工程設計，提高了施工質量。如圖8所示，八達嶺車站三連拱段落水溝與襯砌結構發(fā)生沖突。

圖8 水溝與襯砌結構沖突

3.2 正向設計

以隧道襯砌結構為例，通過建立襯砌內結構的約束關系，使隧道斷面成為具有邏輯性、關聯(lián)性的系統(tǒng)，根據測量資料、地質條件等因素確定參數，通過調整參數使隧道結構能根據自身的邏輯性和關聯(lián)性自動調整為所需斷面，使隧道模型成為參數化模型。加強二次開發(fā)，通過軟件錄入隧道初支等結構邏輯關系、布置原則等設計依據，實現(xiàn)根據不同參數自動生成對應模型，提高設計效率。

3.3 協(xié)同合作

基于ProjectWise平臺進行了針對鐵路項目的優(yōu)化，規(guī)范了各專業(yè)文件提交的名稱、格式，根據鐵路項目情況創(chuàng)建項目，進行工區(qū)劃分并配置各工區(qū)專業(yè)，通過實際使用，建立了符合鐵路項目特點的ProjectWise平臺使用規(guī)則，為各專業(yè)高效協(xié)同合作創(chuàng)造了條件。在線路專業(yè)確定好線位并生成三維曲線之后，其他各專業(yè)以此為基礎在ProjectWise平臺上開展各專業(yè)的設計，各個專業(yè)可以共享模型，從而避免了重復建模[17]。實時更新的各專業(yè)進度，使各專業(yè)間接口變得更加方便容易，如隧道專業(yè)可以直接參考部分已完成地質設計文件進行隧道設計，設備專業(yè)可以直接在已建立好的輔助洞室模型上進行設計。加強二次開發(fā)，使隧道在設計時能直接參考地質設計文件的圍巖參數實現(xiàn)動態(tài)調整斷面，可以大幅優(yōu)化設計流程。

3.4 存在問題及解決對策

(1)目前基于Bentley平臺的BIM技術，在隧道專業(yè)的應用模式主要以作為二維設計圖紙的輔助參考模型為主，并未達到直接使用三維模型進行設計施工的地步，所以現(xiàn)在大多數設計單位的研究方向是如何使用BIM模型直接成圖進而簡化設計流程。以隧道縱斷面為例，Bentley平臺的軟件通過線或面剖切、投影手段建立縱斷面圖[18]，但當平面線位為曲線時，無法通過自帶剖切工具沿曲線形成隧道縱斷面[19]。即使成功將模型沿隧道中線剖切，也無法選定一個視角將曲線隧道拉直形成縱斷面。目前只能通過二次開發(fā)解決這一問題，同時在成圖過程中還需要根據二維圖紙的成圖模式和規(guī)則進行調整，效率上并不一定優(yōu)于二維出圖。從長遠來看，加強對BIM模型表達信息的要求、制定相應的規(guī)范，再配合模型樹等輔助工具的使用，BIM模型是能夠替代二維圖紙應用到施工和運維上的，從而省略了使用BIM模型生成二維圖紙的步驟。

(2)工程量的計算也是BIM模型應用中重要一環(huán)，但現(xiàn)在使用BIM軟件在計算隧道專業(yè)工程量還面臨許多問題。首先，目前通過Bentley平臺下的軟件能直接提取出的隧道工程量極其有限，并且其中還有部分軟件不自帶算量工具，需要加大二次開發(fā)的投入，使用二次開發(fā)軟件協(xié)助出量。其次，在不同的設計階段建立的模型精度不同，如圖1所示，初步設計階段采用LOD3.0精度，防排水構件是不需要建立的，但是在算量的時候需要包含防排水構件的數量。針對這種情況，需要根據襯砌長度等參數結合單量計算出所需數量，對二次開發(fā)有了更高的要求。最后，在京張高鐵隧道建模過程中，使用的部分二次開發(fā)軟件并不能滿足工程量準確度的要求，以二次襯砌鋼筋為例，拱腳處的鋼筋在不同的斷面下會出現(xiàn)間距不均勻布置的情況，而使用軟件布筋一般為等間距或固定數量兩種布置方法布置鋼筋，無法直接實現(xiàn)設計意圖，通過這種方法計算的工程量與實際有所偏差。通過與專業(yè)從事Bentley平臺軟件二次開發(fā)公司溝通了解到，目前Bentley軟件二次開發(fā)還很少涉及鐵路隧道領域，也未按照鐵路工程的特點進行，他們也希望多了解鐵路行業(yè)的需求，開發(fā)出能適用于鐵路行業(yè)的軟件。在今后的二次開發(fā)過程中，設計單位應多與Bentley公司和二次開發(fā)公司交流溝通，開發(fā)出具有鐵路行業(yè)特點、符合需求的一套成熟系統(tǒng)及相關配套軟件。

(3)設計過程中，隨著設計階段的不斷深入，需求的精度也不斷提高，需要在上階段模型基礎上進行修改、補充，以滿足新階段的精度要求。但以二次襯砌為例，在低精度的要求下二次襯砌只需要建立一個模型就能進行表達，在高精度的要求下，則要分為拱墻、仰拱兩部分。這就導致了上一階段的模型資料無法繼承使用，只能重新建模來滿足新設計階段的需要，增加了工作量。現(xiàn)在的模型交付標準對于精度的要求也隨著在BIM項目中的應用得以驗證，也會根據各個設計單位的意見進行調整，最后形成更加合理、實用的標準。設計單位在設計的過程中，也應結合具體情況進行分析，可在上一階段以稍高于標準的要求完成模型的建立，為下階段打下基礎。

(4)BIM的特點之一就是貫通項目的設計、施工、運維全階段。但設計、施工、運維這三階段的主體分別是設計院、施工單位、運營單位，他們在各自階段對BIM模型的應用需求和側重點各不相同。設計院側重于使用BIM技術生成帶有信息的三維可視化模型，施工單位側重于模擬施工工法、策劃實施方案，運營單位側重于實現(xiàn)對工程的智能化管理。這就導致在一階段完成后模型提交給下一階段需要再進行修改與補充，另一方面現(xiàn)在對于BIM平臺的使用沒有明確要求和規(guī)定，不同的設計單位、施工單位、運營單位可能都有各自擅長的軟件平臺，使用上一階段的模型可能比重新構建模型還要繁瑣。綜上所述，在項目初期應確定統(tǒng)一的BIM平臺，并且三方單位應加強溝通，在每階段建模的時候都能留下接口，形成多階段、多專業(yè)一體化大型BIM平臺，提高全生命周期BIM技術應用效率。

3.5 未來展望

隨著計算機、互聯(lián)網大數據、測繪、GIS、遙感、虛擬現(xiàn)實等先進技術不斷發(fā)展，與BIM技術結合使用的鐵路數字化選線、虛擬現(xiàn)實實景生成等相關研究也取得了一定成果[20]，BIM技術在鐵路行業(yè)中的重要性日益提高。在鐵路主管部門的大力推動和支持下，以打造京張高鐵“智能鐵路”為契機，BIM技術的使用勢必要覆蓋全部鐵路路網。BIM技術也會逐漸成為鐵路設計的必備技術，越早掌握BIM技術便能越早適應即將到來的鐵路設計技術革命。

4 結語

通過在京張高鐵全線、全專業(yè)、全生命周期BIM技術應用，依托Bentley平臺進行全線隧道的BIM設計，對鐵路BIM聯(lián)盟提出的各項標準進行驗證并反饋問題與建議。結合此次BIM設計過程，研究了BIM技術在鐵路隧道設計中碰撞檢測、正向設計、協(xié)同合作等應用和在使用BIM技術出圖、計算工程量、全生命周期使用等方面遇到的問題及解決方向。本次BIM應用研究為之后解決BIM技術替代傳統(tǒng)二維設計而進行的二次開發(fā)提供了研發(fā)方向，為完善鐵路隧道相關BIM標準提供了實際案例，為建立更符合鐵路行業(yè)的多專業(yè)協(xié)同合作平臺提供了依據，為鐵路BIM設計積累了寶貴經驗，為以后鐵路隧道設計中BIM技術應用與推廣打下良好的基礎。