BIM技術在鐵路隧道設計優化中的研究與應用

董鳳翔，田明陽，曾昊，趙國強，李俊松

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

自BIM技術引入鐵路行業以來，經過前期研究與試點應用完成了智能鐵路技術標準體系的搭建［1-2］，中國鐵路已進入智能鐵路發展的第2階段［3］，鐵路隧道BIM設計也由理論與試點研究［4-5］向基于技術標準體系的數字化和精細化設計應用進行轉變［6］，初步具備了設計能力。但傳統設計存在設計數據易混淆、設計意圖表達不明確、專業協同不順暢等問題［7］，理論上采用BIM技術開展設計優化能夠有效改善上述情況。由于缺乏BIM技術在隧道設計優化方面的系統性研究，目前國內外BIM技術在隧道設計的應用還主要停留在模型建立和輔助設計階段，僅能開展簡單的碰撞檢查，無法利用BIM技術特點實現高效的設計優化。針對行業現狀，中鐵二院工程集團有限責任公司在前期CATIA平臺［8-9］和試點項目研究基礎上［10］，研發了基于BIM的鐵路隧道三維設計系統［11］，嘗試將BIM技術與隧道設計優化有機結合。以某區段隧道設計應用為例，探討說明利用BIM技術特點在傳統二維設計成果基礎上實現設計方案優化、設計問題糾正以及提升設計精度，由此形成一套完整的技術方案，探索BIM技術在隧道設計中的應用方向和潛在優勢。

1 技術路線

經過拉林鐵路、魯南高鐵等試點項目BIM技術應用探索，總結出一套基于BIM技術開展隧道設計優化的方法，將BIM技術與現有隧道設計流程相結合，利用BIM輔助隧道設計的各個環節，顯著提高設計質量，優化的內容可總結為設計方案優化、設計問題糾正以及設計精度提升3個方面，其總體技術路線見圖1。

圖1 隧道設計優化技術路線

在進行隧道方案比選時，結合線路、地質、測繪等資料，利用BIM技術開展三維設計方案會審，在三維場景下對進出口里程、洞門結構形式、輔助坑道方案等進行優化，更精準地確定設計方案；在隧道洞口、洞身等結構的詳細設計過程中，采取二維設計和BIM設計并行開展的模式，對于可以實施正向設計的部分直接采用BIM設計，對采用二維設計的部分通過同步建立高精度BIM模型輔助二維設計，對二維設計中出現的設計錯誤、設計缺失及設計表達不明確問題進行糾正，提高設計質量；在設計成果基本形成時，結合BIM模型對隧道設計細節、復雜結構工程數量以及其他專業接口位置等方面做進一步深化，提高交付成果精度。

2 優化設計方案

優化設計方案是指在方案設計階段利用BIM技術的參數性、專業性、協同性等特點快速地綜合各類數據信息，對設計初期一些關鍵設計信息或參數進行定性判斷，得出較為合理的設計方案，避免后期出現不必要的方案錯誤，從而提升設計質量。通過結合快速生成的BIM模型與地形、地質模型，形成多種方案比對，從而初步對隧道設計方案進行定性判斷，分析設計方案的合理性和正確性。現以進出口里程判定、洞門結構形式選擇及輔助坑道線位比選這幾方面內容為例說明。

2.1 進出口里程判定

隧道進出口里程判定需要結合線路、地質、隧道等多個專業進行綜合研判，傳統設計需要分別對地質橫斷面和隧道結構在不同線路里程進行處理，無法及時獲得隧道進出口里程設計必要的信息，造成設計流程上的延遲。在洞口范圍生成一段隧道襯砌，結合地質縱斷面，以暗洞襯砌結構線為參照初判明暗分界里程。遵循“早進洞，晚出洞”原則以及“零仰坡進洞”原則，在三維設計環境中快速、實時的多視角聯動查看不同洞口各結構里程位置，研究各里程斷面洞頂與地面線的位置關系，選擇判定最優的隧道進出口里程。此外，通過測定擬定隧道結構線與地面線間距，選擇較優的襯砌布設位置，盡量減少洞口開挖，選定隧道明暗分界里程（見圖2）。

圖2 選定里程的隧道剖切視圖

2.2 洞門結構形式選擇

隧道洞門結構跟進出口里程、地質、地形有緊密關聯，二維設計方式時常選擇典型洞門結構斷面結合地質橫斷面與其他資料進行判斷，然而資料分布在不同專業不同圖紙中，不能實現實時設計。基于BIM技術可以實現雙耳墻式洞門、柱式洞門、斜切式常用洞門等形式參數化設計，在此基礎上快速生成參數化模型并沿線路布置，形成不同洞門結構形式在含有三維地質、實景地形的三維場景中進行比選。在洞口范圍地質縱斷面界面，以明洞襯砌基底結構線為參照，初判洞門結構位置，分析洞門結構實施場地條件，初定洞門結構形式。協同路基、橋梁等接口專業，確定洞門結構形式、明洞襯砌范圍。示例隧道出口地形較緩，為與地形相協調，最終采用雙耳式洞門（見圖3）。

圖3 選定洞門形式的模型視圖

2.3 輔助坑道線路比選

二維設計中輔助坑道線路分別由平、縱斷面構成，并需要結合地質平面判斷方案優劣，難以直觀地對線路方案進行選擇。利用三維BIM設計系統中的輔助坑道線路設計工具，編輯平縱斷面設計信息，快速生成三維輔助坑道線位，放置洞門結構簡易模型，結合地形、地質等，實現輔助坑道線位快速比選。例如，結合地形模型發現方案2線路方案埋深過大，且線路出口位置地形較陡，而方案1線路出口地形較緩，綜合判斷應選擇線路方案1更優（見圖4）。若結合地形模型無法區分方案優劣，還可以導入實景模型以快速判斷輔助坑道線路出口位置是否涉及溪流、房屋、耕地等影響因素。

圖4 輔助坑道線路生成與比選

3 糾正設計問題

設計問題是指由于數據統計造成的標注錯誤與計算錯誤、設計過程中的繪制缺失與二維圖面的局限性造成的設計表達不清等問題。這類問題往往隱藏在海量的圖面信息中不易查找，卻影響設計質量，利用BIM技術的數據集成、可視性等特點可以避免此類問題，提升設計質量，以下通過BIM技術對設計錯誤、設計缺失及設計表達不清這3類問題舉例說明。

3.1 設計錯誤

由于傳統二維設計數據分散無法集中審查保證數據統一，常導致文字注釋錯誤、數據計算錯誤、設計繪圖錯誤等情況出現，例如附屬洞室與橫通道碰撞沖突、不同圖面構件標高不同、里程冠號標注錯誤等情況。基于BIM技術的洞口設計采用三維交互設計模式，洞身設計則采用“二維設計—數據庫集成—三維設計”的同步設計模式［11］，兩者均可以保證數據統一，所用數據都出自同一數據源，在一定程度上避免上述設計錯誤，從而糾正設計問題。以里程冠號填寫錯誤為例，由于數據來源不同：縱斷面圖中的里程來源于線路數據，襯砌表中的里程是Excel數據處理后導出的結果呈現，兩者冠號因此出現偏差，類似的問題很多，若逐一核查必然會耗費大量時間。基于BIM設計優化，讀取襯砌分段數據庫或導入外部數據，通過關聯綁定的斷鏈表信息，自動判斷里程正確性即可避免冠號拼寫問題（見圖5）。

圖5 里程拼寫檢查

3.2 設計缺失

設計缺失問題是指設計圖缺少部分關鍵標注、圖標及圖面元素，這類問題隱藏在二維圖面中不易發現，例如換填只有正面圖缺少縱斷面表示、洞口黏土隔水層未標明坡度、加固樁缺少中心里程、開關洞襯砌未標明側向等情況。BIM設計過程中，BIM模型需要全套設計參數才能建立，因此在三維模型建立的過程中能夠有效地找到圖紙設計缺失的問題。以開關洞襯砌未標明側向標注為例，通過隧道洞身批量建模工具可以查詢到隔離開關襯砌缺少側向測試導致無法正確布置相應襯砌類型，修改補充設計參數后才能建立三維模型，完成洞身模型的布置（見圖6），從而糾正設計缺失的問題。

圖6 隔離開關襯砌在三維模型中的表達

3.3 設計表達不明確

設計表達不明確是指傳統二維設計受二維表達局限性，造成設計表達模糊、矛盾，用圖人員無法明白設計意圖，例如洞口排水溝走向不明確、隧道襯砌參考圖中心水溝的位置與工點設計表達矛盾、洞口回填斷面不合理、洞口耳墻排水溝與截水天溝無法順接。基于BIM技術，結合平立剖二維視圖形成三維模型，借助三維設計的多角度可視性、模型全面性解決二維表達中存在的不直觀、不全面情況，以此發現設計問題提升精度。以耳墻排水溝與截水天溝順接為例，二維設計中顯示耳墻排水溝與截水天溝能夠自然順接，而三維模型中結合地形模型建立截水天溝經及耳墻排水溝，發現兩者高差達5 m無法直接順接（見圖7），從而核查出設計問題。

圖7 洞口耳墻排水溝與截水天溝高差過大

4 提升設計精度

提升設計精度是指基于BIM模型提升設計圖紙的表達精度、提升工程數量的準確度、提升工程交界處和接口位置的設計精度等。通過集成地形、地質、既有構筑物等三維模型構建設計環境，利用三維設計手段形成BIM模型，基于該模型來細化圖紙線條與尺寸，提取三維構件的體積或表面積，多專業協同處理接口位置或工程交界處的銜接問題，實現借助BIM技術來提升隧道工程設計品質和工作效率的目標。

4.1 邊仰坡開挖設計

鐵路隧道洞口地形勘測數據量很大，二維表達方式存在數據量有限、彼此割裂等缺點。邊仰坡開挖設計過程時，地形數據調用不便捷、整體利用率低等問題成為制約進度、影響設計質量的重要原因。基于BIM技術，將勘測數據集成為三維地表模型，在設計過程中按需快速提取使用，結合地質模型研判擋護措施與開挖坡度后，對原地表模型進行開挖形成開挖后地表模型，充分利用外業勘測數據以提升設計深度和精度。例如：綜合洞口地形、主體結構開挖邊仰坡，優化邊仰坡設計，可得到精確的坡口線（見圖8）。

圖8 BIM輔助優化邊仰坡開挖設計

4.2 復雜部位工程量

鐵路隧道明挖段采用二維設計方式時，開挖、回填、坡面防護等工程量一般采用典型斷面面積粗算，在地形變化或結構變化較復雜的地段，工程量越大，數據偏差越大。較為異形的圬工體，方量計算基本為粗算，單個工點看似數量不大，全線累計數量不可忽視。基于BIM設計成果，能快速準確提取諸如開挖方量、回填方量、防護面積、異形結構體積等數據，進一步提升隧道工程數量的準確度。基于洞口工程設計BIM模型，提取異形圬工方量見圖9。

圖9 基于BIM模型提取圬工方量

4.3 工程交界處設計

鐵路隧道工程交界處可能出現的接口問題主要有電纜槽錯位、排水不暢、邊坡不順等，其主觀原因是專業間協調不夠，客觀原因是二維設計模式的方法和手段受限。基于BIM設計成果，直接在可視化環境中查看相鄰工程的電纜槽、排水、邊坡等銜接情況，發現問題反饋設計人員進行修改，提高隧道工程交界處接口設計質量。例如，基于隧道洞口工程和相鄰橋梁工程BIM模型，順接隧道明洞邊坡和橋臺開挖邊坡，順接電纜槽，順暢該區域排水系統（見圖10）。

圖10 BIM輔助工程交界處設計

5 案例應用

西部某高速鐵路重慶段13座隧道設計過程中，總體組制定了《基于BIM技術的設計優化及審核指南》，要求利用BIM模型對設計成果進行檢查、優化及審核，并最終向建設單位提交“圖模一致”的BIM模型。

5.1 設計優化概況

在業主下達本項目BIM設計優化及交付工作要求后，首先對13座隧道的設計優化工作進行了總體布局，其中3座隧道由于已經完成隧道方案審定，主要開展糾正設計問題及提升設計精度2方面優化，另外10座隧道則選取了1座隧道試點開展BIM正向設計，其余9座隧道按照正常的優化流程及內容開展工作。在完成全部13座隧道BIM設計優化后，總計發現問題80處，經與相關設計人員確認后，最終對設計過程中設計高程、工程數量、設計方案及施工圖圖面4個方面共54處問題實現了優化，顯著提高了最終交付藍圖的質量。經估算，本次設計優化工作預計減少后期變更13次，可節省投資超過1 000萬元。

5.2 重點問題舉例

在利用BIM開展設計優化工作中，發現了一系列利用傳統設計校核流程難以發現的問題，此類問題主要是由于各圖紙之間缺乏關聯性且二維斷面無法準確表達隧道各個節點位置的真實情況，主要集中在復雜交叉節點設計、洞口設計、與其他專業接口設計等位置。

（1）挖方體檢算。隧道3號斜井洞口采用樁柱式洞門，同時該處地勢陡峭，隧道洞口填挖方量均較大。由于洞口結構特殊、邊仰坡形式復雜，傳統二維設計無法準確計算該處工程數量，該隧道負責人提出希望利用BIM模型對該洞口工程數量進行校核。針對挖方量，BIM設計人員利用二維設計圖紙建立施工圖精度BIM模型并結合測繪專業提供的高精度地形模型準確提取出了該洞口挖方體，測量出該挖方體為2.2萬方（見圖11），而采用二維斷面法計算挖方量為3.1萬方，誤差高達40%。此外，通過BIM模型計算的回填量、圬工量均與二維設計計算結果有較大誤差，后續交付的圖紙均按照BIM設計得出的工程數量進行了修改。

圖11 隧道挖方體提取

（2）與路基接口優化。隧道進口接站場路基，通過合模發現站場聯絡線位置截水天溝與隧道洞口回填及永久邊坡發生碰撞。經過與路基專業及站場專業溝通，優化了該處排水結構，將聯絡線路基天溝提前接入隧道截水天溝同時增大截水天溝斷面面積，最后由隧道截水天溝順接了正線路邊溝（見圖12）。

圖12 接口處設計優化

6 結論

基于BIM技術的鐵路隧道設計優化，可及時發現設計問題并通過BIM模型實時、快速地實現成果優化，結合西部某高速鐵路重慶段設計優化成果，得出以下幾點結論：

（1）基于BIM技術的隧道設計優化在隧道方案比選、詳細設計、圖紙審查等隧道設計的各個階段均可行且有效。

（2）在隧道復雜結構設計、工程數量計算與其他專業接口設計等方面，利用BIM技術開展設計優化，可顯著提升設計質量、提高設計精度、減少后期變更。

（3）基于BIM的設計優化將諸多施工階段才能發現的問題前置解決，雖然需要在設計階段投入額外的人力開展BIM工作，但對整個項目而言，帶來的收益遠大于人力投入。