基于BIM的水下隧道智能仿真設(shè)計初探

吳為東 陳朋亮 王安娜

一、引言

隧道作為重要的交通通道，其設(shè)計相對復(fù)雜，位于地下的特性對項目的施工和通車運營的安全性提出了更高的要求。為了滿足這種要求，需要采用基于BIM的建管養(yǎng)一體化的理念，在隧道的設(shè)計過程中就要對施工階段的需求及通車運營后的隧道的性能和狀態(tài)有充分的評估和掌控。BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用目前也有許多相關(guān)研究，內(nèi)容涉及了協(xié)同設(shè)計、數(shù)據(jù)的共享和傳遞以及項目全生命周期應(yīng)用等。但在設(shè)計階段的應(yīng)用仍處于發(fā)展研究過程中，存在智能化程度低、BIM與仿真數(shù)據(jù)共享程度不高、缺乏項目全生命周期設(shè)計理念的問題。需要基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計技術(shù)，來提升目前隧道工程的BIM設(shè)計效率和質(zhì)量水平。

二、智能仿真設(shè)計需要解決的問題

面向目前隧道工程的BIM技術(shù)設(shè)計應(yīng)用，基于BIM技術(shù)的智能仿真設(shè)計需要研究三方面的問題。

一方面研究基于數(shù)據(jù)的智能化設(shè)計建模方法，解決隧道BIM設(shè)計效率較低的問題；另一方面在BIM模型與仿真數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，研究仿真內(nèi)容如何支撐設(shè)計；第三方面，基于“以終為始”的理念，在設(shè)計階段通過仿真模擬等手段，考慮后續(xù)施工和運維階段的需求，使設(shè)計能夠很好地支持全生命周期的需求。

針對這些問題，需要研究基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計技術(shù)所涵蓋的內(nèi)容和流程。

三、基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計內(nèi)容及流程

智能仿真設(shè)計技術(shù)是在基礎(chǔ)資料、規(guī)范要求及使用需求的限定下，通過知識庫或數(shù)據(jù)庫的支持，可以提供適合特定環(huán)境條件的基本方案和設(shè)計成果的技術(shù)。其研究內(nèi)容應(yīng)包括BIM隧道智能設(shè)計、協(xié)同設(shè)計平臺、仿真計算分析、全生命周期需求檢驗和BIM設(shè)計成果交付研究等方面開展。

在總結(jié)設(shè)計核心工作過程和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，初步設(shè)定智能仿真設(shè)計流程如下。

智能仿真設(shè)計技術(shù)流程和內(nèi)容

1.智能設(shè)計基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

設(shè)計工作就是在基礎(chǔ)資料、規(guī)范要求及使用需求的基礎(chǔ)上開展的信息整合工作。公路隧道BIM設(shè)計重要的基礎(chǔ)資料包括了三維地形數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)條件模型、水文條件、相關(guān)規(guī)范要求、業(yè)主使用需求等。其中，三維地形數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)條件模型、水文條件需要進(jìn)行測量和勘察確定，測量和勘察方法也是重要的研究任務(wù)。

2.公路BIM設(shè)計路線初步確定

在基礎(chǔ)資料基礎(chǔ)上，根據(jù)需求初步確定公路BIM設(shè)計的路線走向，進(jìn)行路線的平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計。這部分工作需要設(shè)計人員確定。

3.隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計

隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計是智能仿真設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，目的是解決目前基于BIM建模效率低下的問題。其實施思路如下：首先需要對常用的隧道BIM設(shè)計結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類，將每一類隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，形成參數(shù)化隧道結(jié)構(gòu)模板；將每一類隧道結(jié)構(gòu)模板與相適應(yīng)的地質(zhì)條件進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，形成隧道結(jié)構(gòu)斷面—地質(zhì)條件匹配知識庫；根據(jù)每段隧道區(qū)域的地質(zhì)模型，通過知識庫確定相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)化模板；最后根據(jù)路線數(shù)據(jù)和確定的參數(shù)化模板進(jìn)行公路BIM設(shè)計的三維結(jié)構(gòu)模型建模，完成隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計。

4.調(diào)整、細(xì)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

在隧道標(biāo)準(zhǔn)路段比較容易根據(jù)地質(zhì)條件和知識庫進(jìn)行的隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計較容易應(yīng)用在隧道標(biāo)準(zhǔn)路段，但在某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或特殊路段，需要進(jìn)行人工隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)整、細(xì)化，使之達(dá)到滿足設(shè)計要求的精度水平，完成隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5.仿真計算

在完成隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，將得到的BIM模型進(jìn)行相關(guān)的仿真模擬，可以通過數(shù)據(jù)接口或開發(fā)BIM+仿真一體化平臺實現(xiàn)，達(dá)到BIM模型數(shù)據(jù)共享的目的。仿真計算內(nèi)容至少應(yīng)包括隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真計算、接縫等部位的防滲性能等水力學(xué)仿真計算、交通通行能力的交通仿真計算、隧道總體的安全事故等突發(fā)事件等仿真模擬。在完成相關(guān)的仿真計算之后，根據(jù)規(guī)范及其他要求，判斷設(shè)計是否滿足，如果滿足相關(guān)要求，則進(jìn)行下一流程；如果不滿足，則返回調(diào)整路線設(shè)計或隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計，再進(jìn)行仿真計算流程。

6.全生命周期需求檢驗

在仿真計算結(jié)果滿足相關(guān)要求之后，設(shè)計應(yīng)從項目全生命周期的角度檢驗設(shè)計的合理性。需要從施工過程需求、運行管理需求對設(shè)計進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)檢驗。施工過程需求檢驗可以包括施工過程的模擬驗證、工法的可行性模擬驗證、施工機(jī)械的沖突檢驗等。運行管理階段的需求檢驗可以包括運行監(jiān)控需求檢驗、設(shè)備檢修需求滿足、設(shè)備預(yù)留及預(yù)埋、結(jié)構(gòu)構(gòu)件定位編碼支持等檢驗。如檢驗結(jié)果滿足要求，則進(jìn)行下一流程，如不滿足，則返回調(diào)整路線設(shè)計或隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計，再進(jìn)行仿真計算流程。

（1）隧道施工過程的虛擬仿真技術(shù)

研究在BIM模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過隧道信息模型分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，將施工過程的施工工作分解（WBS）與隧道數(shù)字模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)合施工組織設(shè)計中的時序數(shù)據(jù)，仿真模擬施工過程和施工工藝。在隧道施工過程的虛擬仿真過程中，檢驗和發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題，在設(shè)計階段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（2）隧道性能仿真技術(shù)

采用融合隧道設(shè)計BIM模型數(shù)據(jù)，AR、VR可視化技術(shù)，以及微觀基于時間間隔和駕駛行為的交通仿真技術(shù)為手段，研究隧道性能仿真技術(shù)，仿真內(nèi)容包括可視化驗證隧道線形設(shè)計、照明、通風(fēng)能力、各類車輛通行能力及行車舒適性等是否滿足要求和預(yù)期。

融合隧道設(shè)計BIM模型數(shù)據(jù)與流體力學(xué)模擬和微觀交通仿真技術(shù)，研究隧道突發(fā)事件情況下的隧道火災(zāi)排煙、交通事故應(yīng)急救援等仿真模擬技術(shù)，實現(xiàn)隧道管養(yǎng)階段突發(fā)事件影響后果的模擬與評估，驗證隧道響應(yīng)性能。根據(jù)仿真評定結(jié)果，驗證并及時調(diào)整設(shè)計，將建管養(yǎng)一體化理念融入設(shè)計。

7.數(shù)字化交付

在隧道設(shè)計完成仿真計算驗證和全生命周期需求檢驗之后，可以確定最終的隧道BIM設(shè)計。之后可以進(jìn)行設(shè)計成果的數(shù)字化交付。數(shù)字化交付方式可以從四個方面進(jìn)行研究。

（1）BIM設(shè)計成果出圖。研究將公路BIM設(shè)計三維BIM模型通過剖視圖的方式或透視圖的方式進(jìn)行設(shè)計表達(dá)。

（2）通用三維模型文件。研究將三維BIM設(shè)計成果輸出為動態(tài)三維圖形展示格式，如PDF或Bentley imodel格式進(jìn)行成果交付。

（3）專用格式可視化交付。將BIM設(shè)計成果通過某些專用格式進(jìn)行交付，優(yōu)勢是可以實現(xiàn)靈活的可視化展示和數(shù)據(jù)查詢。

（4）通過云平臺在線交付。通過開發(fā)在線云平臺，可以支持BIM模型數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)和其他相關(guān)工程數(shù)據(jù)及流程數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)將最終或階段性BIM設(shè)計成果發(fā)布到云平臺，方便快捷地交付給相關(guān)方進(jìn)行瀏覽、查詢及反饋功能。

四、結(jié)語

以公路隧道為例，從設(shè)計技術(shù)的需求出發(fā)，對隧道智能仿真設(shè)計進(jìn)行了初步的探索和思考，構(gòu)建了基于BIM的智能仿真設(shè)計技術(shù)總體實施流程，對今后實現(xiàn)智能設(shè)計和基于“以終為始”的設(shè)計理念的落實提供了基礎(chǔ)。但是在技術(shù)實施過程中還存在BIM數(shù)據(jù)融合共享和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)欠缺的問題需要解決，任重而道遠(yuǎn)。