BIM技術在高速公路隧道正向設計中的應用

黎宣伯，鄧祥明

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 河池 547200)

0 引言

目前公路隧道工程的設計基本是借助CAD 軟件來實現的，最終成果是以二維圖紙的形式來傳遞，難以將設計成果進行可視化展示，由此會出現各階段之間、各專業之間設計信息不對稱，設計意圖表達不明確等問題[1]。BIM技術可以有效地彌補傳統設計的不足，進行三維數字化建模，形成高精度實景模型，使設計成果更加直觀，更加合理。雖然BIM技術有了高速的發展并被廣泛應用于設計領域，但是傳統的BIM技術在高速公路隧道設計的應用大多數停留在三維模擬演示及宣傳層面，并不能實現正向設計，針對該情況，本文依托南丹至天峨下老高速公路項目，探索BIM技術在高速公路隧道正向設計的應用。

1 項目概況

南丹至天峨下老高速公路項目采用山嶺重丘區高速公路標準，所在區域地質、地形條件復雜，穿越高山峽谷，地形、地質數據采集困難。本項目全長104.9 km，橋隧比為74%，其中設置隧道30座，隧道比高達46%，包含廣西在建長度第一的公路隧道——燕來隧道，廣西第一座隧道匝道互通——下老互通。

2 應用過程

2.1 技術路線

BIM技術的正向設計應用分為兩個階段，第一階段是基礎數據的準備，第二階段是三維建模設計，技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2.2 BIM平臺的選擇

高速公路項目涉及多個專業，專業間聯系頻繁，各專業領域需要協同設計。《公路工程設計BIM系統》基于GIS、BIM和互聯網等技術，能提供一整套全流程、全專業的數字化、信息化、智能化的公路工程設計與管理的集成式解決方案，并為BIM在施工和運維中的應用及價值挖掘提供了平臺和數據支撐。該軟件針對公路工程設計全周期，具有專業全面性、參數化聯動、三維可視化、一鍵出圖、經驗庫思想、平臺兼容性強等特點，系統支持多種平臺數據、模型的互導，增強各平臺的交流，使設計更全面。故本項目選擇《公路工程設計BIM系統-隧道子系統》作為技術支持。

2.3 BIM基礎數據的準備

BIM三維建模前提是建立三維數字地面模型。利用機載激光雷達測量技術及無人機傾斜攝影技術，通過無人機對高速公路沿線進行航拍，獲取高分辨率影像數據，并通過ContextCapture進行空三加密運算，生成高精度的三維地形模型和三維數字模型。本項目采用目前公路行業中精度最高的測繪地形方式——激光雷達進行地形數據采集，保證項目的精度和設計質量。三維數字地面模型如圖2所示。

圖2 三維數字地面模型圖

2.4 隧道BIM模型的建立

隧道BIM建模過程主要如下：建立零件庫，設定材料參數；然后建立標準庫，設定隧道結構尺寸；調用零件庫賦予各結構相應的材料；最后建立隧道項目模型，調用標準庫的模塊，賦予隧道相應的標準模塊，完成隧道BIM建模。

2.4.1 建立零件庫

零件庫是隧道BIM建模的前提，軟件零件庫包含隧道各結構所用的材料，如混凝土、水泥砂漿、鋼筋、鋼管、錨桿、鋼筋網、防排水材料、鋼架材料、回填材料等。建立零件庫，并賦予這些材料具體的參數，方便后續標準庫調用。

2.4.2 建立標準庫

隧道BIM模型的核心是建立標準庫。標準庫包含明洞襯砌、套拱、超前支護、襯砌類型、緊急停車帶、橫通道、防排水、路面、經驗庫等標準模塊。對各標準模塊設定構件尺寸，調用零件庫中的材料，進行構件材料參數化，形成隧道每延米模型。標準庫的建立，為隧道模型的建立提供了豐富的標準模塊。隧道每延米模型如圖3所示。

圖3 隧道每延米模型圖

2.4.3 建立模型

利用《公路工程設計BIM系統-隧道子系統》，導入緯地格式的項目文件，建立隧道項目文件。針對項目文件中的每個隧道，調用標準庫中的模塊，賦予各隧道明洞、洞身襯砌、橫通道等參數，從而完成隧道BIM建模。建模完成后，設計人員可根據實際情況，進一步修改隧道明洞、洞身襯砌、橫通道等模塊參數，進行設計優化。

2.5 應用實例

2.5.1 洞口設計

進行洞口設計時，只需選擇合理的洞口樁號、暗洞樁號及明洞類型，軟件自動求解隧道模型與三維地面模型開挖情況，自動生成開挖邊仰坡，然后設計洞門墻斷面參數、洞口邊坡參數、邊坡防護參數、回填信息、截水溝參數等，完成洞口設計。隧道洞口設計如下頁圖4所示。

圖4 隧道洞口設計示例圖

2.5.2 洞身設計

隧道洞身設計主要包含隧道平面、縱斷面、橫通道等方面的設計。使用BIM技術進行設計，一建導入地質信息和三維地面模型，可以實時查看圍巖條件、隧道埋深、隧道凈距等信息，選擇合理的襯砌類型，布置橫通道，完成洞身設計。隧道洞身設計過程如圖5所示。

圖5 隧道洞身設計截圖

2.5.3 方案優化

使用BIM技術建立三維隧道實景模型，使復雜的空間關系變成直觀的三維模型。設計時可實時展示隧道埋深、穿越地質條件、線間距大小、洞口偏壓情況、洞口匯水情況等。通過直觀對比，選擇合理的隧道方案。利用BIM技術，對廣西第一座隧道匝道互通——下老互通進行方案優化，三維實景模型如圖6所示。

圖6 下老互通三維實景模型圖

2.5.4 特長隧道的應用

特長隧道是制約項目工期的重要工程，準確、合理的設計是項目順利推進的保障。利用BIM技術，對燕來隧道三維實景建模，導入地質地形信息，準確直觀判斷圍巖級別、深淺埋等信息，快速設置襯砌類型，布置橫通道。常規的二維CAD設計一座特長隧道需3 d，而利用BIM軟件設計，僅需1 d即可完成，且設計更合理、準確，大大提高設計效率。另外，燕來隧道需要設置斜井來滿足隧道通風需求和縮短工期，斜井位置盡量避開居民區、學校等構造物，同時兼顧方便布設場地、方便設置施工便道、長度最短等要求，利用三維實景模型實時對比不同斜井位置，最終選擇最優的斜井位置。燕來隧道精細化模型如圖7所示。

圖7 燕來隧道精細化模型圖

3 應用成果

3.1 建立標準庫

通過工程實踐，建立了設計時速為100 km/h的雙向四車道隧道標準模型，并形成設計標準庫，包含正常明洞、偏壓式明洞、半明半暗明洞等類型，今后同等設計標準的項目可直接調用該標準庫，快速建模設計。

3.2 實現工程量自動計算

隧道BIM建模過程中，軟件自動統計工程量，工程量與模型聯動，當模型參數發生改變時，工程數量表實時更新。軟件生成某隧道洞口工程數量如表1所示。

表1 洞口工程數量表

3.3 實現二維出圖

完成隧道建模設計后，軟件可一鍵生成隧道洞口設計圖、隧道平面設計圖、隧道縱斷面設計圖、橫通道設計圖等二維圖紙，圖紙經少量修改后達到設計精度要求，實現正向設計。

3.4 實現模型交付

隧道三維實體BIM模型包含隧道洞口設計、洞身設計、工程量等全方位設計信息，可以實現模型交付。成果數據支持多平臺協調共享，高質量的模型能作為載體將工程數據和信息進行全生命周期的傳遞，方便建設單位、施工單位、監理單位等查看模型，促進項目管理體系的完善。

4 結語

實踐表明，BIM技術可以實現高速公路隧道正向設計。本文通過BIM技術在下老高速公路中隧道正向設計的應用情況，得出以下結論：

(1)基于BIM技術進行三維數字化建模，使隧道與山體之間錯綜復雜的空間關系可視化，設計方案的展示更加直觀，避免傳統二維設計各專業之間溝通不暢造成工作量增加的問題，減少返工。

(2)高速公路隧道實現真正意義上的正向設計，實現二維圖紙出圖，能大大提高設計效率，解放生產力。

(3)應用BIM技術和GIS技術進行方案研究和論證，提高了隧道方案的全面性和針對性，提升了設計精細度。

(4)應用BIM技術進行隧道工程量的自動計算，能有效減少人為因素引起的誤差，使設計更加客觀，更加符合實際。