翟世鴻，姬付全，王瀟瀟，陳富強(qiáng)，楊　釗

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，武漢　430040；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，武漢　430012)

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鐵路礦山法隧道BIM建模標(biāo)準(zhǔn)研究

翟世鴻1，姬付全1，王瀟瀟2，陳富強(qiáng)1，楊釗1

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，武漢430040；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，武漢430012)

摘要：針對鐵路礦山法隧道BIM模型使用需求，研究施工圖設(shè)計模型的構(gòu)件命名規(guī)則與代碼規(guī)則，以及建模精度與信息粒度等模型創(chuàng)建要求，建立鐵路礦山法隧道施工圖設(shè)計模型，建模精度、構(gòu)件信息粒度包含施工工序和傳統(tǒng)的二維施工圖設(shè)計信息。研究成果符合現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合依托工程得到成功實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；礦山法隧道；BIM；構(gòu)件命名；構(gòu)件代碼；建模精度；信息粒度

1概述

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)表達(dá)了工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營等全生命周期過程中創(chuàng)建、傳遞的數(shù)字化nD信息模型。主要包括設(shè)計階段的3D模型、施工階段的進(jìn)度管理4D模型、進(jìn)度和造價管理5D模型、運(yùn)營階段的信息管理6D模型等[1]。BIM模型傳遞衍生過程中包含了大量的構(gòu)件，信息量巨大，若缺乏科學(xué)的模型構(gòu)件分類以及一致的代碼規(guī)則，將會極大地降低構(gòu)件識別、信息傳遞的準(zhǔn)確性和效率。因此，根據(jù)BIM模型使用需求，定義構(gòu)件分類、代碼的標(biāo)準(zhǔn)十分關(guān)鍵。

歐美、日本和新加坡等國家已制定了相關(guān)的國家BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，BIM技術(shù)普及率達(dá)60%～70%[2]。我國從2013年開始規(guī)劃BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，國標(biāo)《建筑工程設(shè)計信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑工程設(shè)計信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》正處于修訂階段。中國鐵路BIM聯(lián)盟已發(fā)布行業(yè)級的《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》和《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》[3，4]。因此，有必要對鐵路礦山法隧道BIM建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行項(xiàng)目級的應(yīng)用探索與研究，形成施工圖設(shè)計模型創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)，對指導(dǎo)BIM建模與應(yīng)用具有重要意義。

2相關(guān)術(shù)語

建筑信息模型(簡稱BIM模型，本文指隧道施工圖設(shè)計模型)：包含建筑全生命期或部分階段的幾何信息及非幾何信息的數(shù)字化模型。建筑信息模型以數(shù)據(jù)對象的形式組織和表現(xiàn)建筑及其組成部分，并具備數(shù)據(jù)共享、傳遞和協(xié)同的功能。

模型構(gòu)件：表示完全或部分實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的，構(gòu)成BIM模型的基本對象或組件。

模型精細(xì)度：表示BIM模型包含的信息的全面性、細(xì)致程度及準(zhǔn)確性的指標(biāo)。

建模精度：在不同的模型精細(xì)度下，BIM模型幾何信息的全面性、細(xì)致程度及準(zhǔn)確性指標(biāo)。幾何精度采用兩種方式來衡量，一是反映對象真實(shí)幾何外形、內(nèi)部構(gòu)造及空間定位的精確程度；二是采用簡化或符號化方式表達(dá)其設(shè)計含義的準(zhǔn)確性[5]。

信息粒度：在不同的模型精細(xì)度下，BIM模型所容納的幾何信息和非幾何信息的單元大小和健全程度。

幾何信息：表示BIM模型構(gòu)件的空間位置及自身形狀(如長、寬、高等)的一組參數(shù)，通常還包含構(gòu)件之間空間相互約束關(guān)系，如相連、平行、垂直等。

非幾何信息：表示BIM模型構(gòu)件除幾何信息以外的其他信息，如材料、成本、配筋率、施工班組及工程量等參數(shù)信息。

3礦山法隧道BIM模型構(gòu)件命名與代碼規(guī)則

3.1　構(gòu)件命名規(guī)則

為保證模型構(gòu)件的易認(rèn)知性，并符合隧道設(shè)計原則，礦山法隧道BIM模型構(gòu)件命名應(yīng)包含構(gòu)件類別、構(gòu)件類型(圍巖級別、襯砌類型)等信息。

不同圍巖級別、不同地質(zhì)條件下，隧道設(shè)計為不同的襯砌類型。隧道圍巖級別劃分為Ⅰ～Ⅵ六個等級[6]。在每一圍巖級別下，按巖石構(gòu)造、地下水等地質(zhì)條件劃分襯砌類型，以英文字母排序表達(dá)[7]。

命名規(guī)則如圖1所示，構(gòu)件類別與構(gòu)件類型之間用連字符“-”連接。

圖1　礦山法隧道BIM模型構(gòu)件命名規(guī)則

限于篇幅，本文定義了Ⅴ級圍巖和a、 b襯砌類型的構(gòu)件命名示例，如表1所示。

在表1中，側(cè)溝溝槽、中心蓋板溝等構(gòu)件命名，均直接使用構(gòu)件類別。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受圍巖級別、襯砌類型的影響，構(gòu)件命名不需考慮圍巖級別、襯砌類型的因素。

3.2　構(gòu)件代碼規(guī)則

為表達(dá)構(gòu)件對象在BIM模型中的唯一性，構(gòu)件代碼應(yīng)包含單位工程名稱、構(gòu)件類別、構(gòu)件類型(圍巖級別、襯砌類型)、里程等信息。

表1　礦山法隧道BIM模型構(gòu)件命名示例

構(gòu)件代碼規(guī)則如圖2所示，單位工程名稱首字母與構(gòu)件類別首字母之間用連字符“-”連接，構(gòu)件類型與里程之間用連字符“-”連接。

圖2　礦山法隧道BIM模型構(gòu)件代碼規(guī)則

限于篇幅，本文定義了依托工程的BIM模型構(gòu)件代碼示例，如表2所示。

表2　礦山法隧道BIM模型構(gòu)件代碼示例

注：單位工程：清涼山隧道；里程：Dgk58+031

4礦山法隧道BIM模型精細(xì)度要求

4.1　模型精細(xì)度

目前，國外的模型精細(xì)度一般采用LOD等級，LOD被定義為100～500的5個等級，代表從工程的概念模型到竣工模型的整個過程[8]。而我國將BIM全生命期應(yīng)用的模型精細(xì)度劃分為七個等級[9]：方案設(shè)計模型、初步設(shè)計模型、施工圖設(shè)計模型、深化設(shè)計模型、施工過程模型、竣工驗(yàn)收模型和運(yùn)維管理模型。

其中，施工圖設(shè)計模型精細(xì)度與傳統(tǒng)二維施工圖設(shè)計階段所要求的設(shè)計深度相對應(yīng)[10，11]。模型構(gòu)件應(yīng)表現(xiàn)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)實(shí)體的詳細(xì)幾何特征及精確尺寸，應(yīng)表現(xiàn)必要的細(xì)部特征及內(nèi)部組成。并且應(yīng)包含在項(xiàng)目后續(xù)階段(如施工算量、材料統(tǒng)計、造價分析等應(yīng)用)需要使用的詳細(xì)信息，具體包括：構(gòu)件的規(guī)格類型參數(shù)、主要技術(shù)指標(biāo)、主要性能參數(shù)及技術(shù)要求等。

綜上，研究的BIM模型精細(xì)度應(yīng)使用施工圖設(shè)計模型等級。下面從模型建模精度和構(gòu)件信息粒度兩方面表達(dá)施工圖設(shè)計模型精細(xì)度要求。

4.2　模型建模精度與信息粒度

構(gòu)件單元表達(dá)構(gòu)件在模型中的建模精度，宜結(jié)合施工工序管理要求，考慮建模難度，采用榀、縱向長度等單位。模型的信息粒度應(yīng)符合模型精細(xì)度等級的規(guī)定，應(yīng)包含幾何信息和非幾何信息，其中幾何信息應(yīng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。

模型的信息粒度與建模精度可不完全一致，應(yīng)以模型信息作為優(yōu)先的有效信息。由于技術(shù)條件的限制和實(shí)際操作的需要，模型的信息不一定能夠全部以幾何方式可視化表達(dá)出來。例如鋼筋混凝土，可以省略鋼筋構(gòu)件，但其對應(yīng)的屬性信息可具備更加豐富的信息內(nèi)容，包括鋼筋的型號、配筋率、混凝土的體積、強(qiáng)度等級等。此類情況下，應(yīng)以模型所承載的信息作為優(yōu)先的有效信息。

礦山法隧道施工圖設(shè)計模型的建模精度與信息粒度統(tǒng)計見表3。

(1)超前小導(dǎo)管、中空錨桿、砂漿錨桿、鎖腳錨桿、管棚的構(gòu)件單元，宜按一榀的組件形式，相鄰兩榀呈梅花狀布置；幾何信息應(yīng)包括軸向長度La(m)、鋼管型號φ(mm)、外傾角θ(°)、榀間距Ld(mm)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(m)、鋼管質(zhì)量(kg)、鋼型號H、里程。超前小導(dǎo)管構(gòu)件單元見圖3。

圖3　超前小導(dǎo)管

隧道BIM模型構(gòu)件構(gòu)件單元幾何信息非幾何信息超前支護(hù)初期支護(hù)二次襯砌防水板超前小導(dǎo)管一榀管棚一榀噴射混凝土縱向長度L=0.5~3.5m中空錨桿一榀砂漿錨桿一榀鋼筋網(wǎng)一榀型鋼鋼架一榀格柵鋼架一榀仰拱縱向長度L=6~8m底板縱向長度L=6~8m拱墻縱向長度L=10~12m仰拱部防水板縱向長度L=6~8m拱墻部防水板縱向長度L=10~12m仰拱填充縱向長度L=6~8m中心蓋板溝側(cè)溝溝槽溝槽身縱向長度L=6~8m蓋板縱向長度L=6~8m溝槽身縱向長度L=6~8m蓋板縱向長度L=6~8m1.長度2.截面尺寸3.幾何特征1.類別2.類型3.代碼4.工程量(單位)5.里程6.材質(zhì)7.貼圖

(2)鋼筋網(wǎng)的構(gòu)件單元，宜按1榀的組件形式；幾何信息應(yīng)包括環(huán)向長度Lc(m)、鋼筋型號φ(mm)、網(wǎng)格間距Ls(mm)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(kg)、鋼型號H、里程。鋼筋網(wǎng)構(gòu)件單元見圖4。

圖4　鋼筋網(wǎng)

(3)型鋼鋼架、格柵鋼架的構(gòu)件單元，宜按一榀的組件形式，且包含節(jié)點(diǎn)連接板、節(jié)點(diǎn)螺栓等細(xì)部構(gòu)件；幾何信息應(yīng)包括環(huán)向長度Lc(m)、榀間距Ld(mm)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(kg)、型鋼型號、鋼型號H、里程。型鋼鋼架構(gòu)件單元見圖5。

圖5　型鋼鋼架

(4)噴射混凝土的構(gòu)件單元，宜按循環(huán)開挖縱向長度，不同圍巖級別差別較大，一般為0.5～3.5 m；幾何信息應(yīng)包括縱向長度L(m)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強(qiáng)度等級C、里程。噴射混凝土構(gòu)件單元見圖6。

圖6　噴射混凝土

(5)仰拱構(gòu)件單元，宜按模筑縱向長度，一般為6～8 m；幾何信息應(yīng)包括縱向長度L(m)、厚度δ(cm)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強(qiáng)度等級C、鋼筋型號φ(mm)、鋼型號H、配筋率ρ(kg/m3)、里程。仰拱構(gòu)件單元見圖7。

圖7　仰拱

(6)仰拱填充、底板的構(gòu)件單元，宜按模筑縱向長度，一般為6～8 m；幾何信息應(yīng)包括縱向長度L(m)、厚度δ(cm)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強(qiáng)度等級C、里程。仰拱填充構(gòu)件單元見圖8。

圖8　仰拱填充

(7)拱墻構(gòu)件單元，宜按模筑縱向長度，一般為10～12 m；幾何信息應(yīng)包括縱向長度L(m)、厚度δ(cm)；非幾何信息應(yīng)包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強(qiáng)度等級C、鋼筋型號φ(mm)、鋼型號H、配筋率ρ(kg/m3)、里程。拱墻構(gòu)件單元見圖9。組合模型構(gòu)件單元如圖10所示。

圖9　拱墻

圖10　組合模型

5結(jié)語

當(dāng)前國內(nèi)BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)仍處于研究階段，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。根據(jù)依托工程的BIM模型使用需求，對鐵路礦山法隧道BIM建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行項(xiàng)目級的應(yīng)用探索與研究，形成施工圖設(shè)計模型創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)。

鐵路礦山法隧道BIM模型構(gòu)件命名規(guī)則：構(gòu)件類別-構(gòu)件類型(圍巖級別、襯砌類型)；構(gòu)件代碼規(guī)則：單位工程名稱-構(gòu)件類別-構(gòu)件類型(圍巖級別、襯砌類型)-里程。通過定義兩位的構(gòu)件命名規(guī)則和三位的構(gòu)件代碼規(guī)則，取得了很好的BIM模型使用效果。

建立了鐵路礦山法隧道施工圖設(shè)計模型，其建模精度、構(gòu)件信息粒度滿足施工工序和傳統(tǒng)的二維施工圖設(shè)計信息要求，具有很好的工程管理實(shí)用性。

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Research on Standards for Building Information Model of Mining Railway Tunnel

ZHAI Shi-hong1， JI Fu-quan1， WANG Xiao-xiao2， CHEN Fu-qiang1， YANG Zhao1

(1.Technical Center of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430040， China;

2.No.5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430012， China)

Abstract：In view of the requirements for Building Information Model (BIM) of mining railway tunnel， this paper studies the naming and coding rules of components， the accuracy of modeling， and the granularity of information to establish the model of construction drawing design. The model contains the process of construction and the information of the traditional two-dimensional construction drawing design. The research results conform to the design specifications for railway tunnel and are proved practical in engineering.

Key words：Railway tunnel; Mining tunnel; BIM; Name of component; Code of component; Accuracy of modeling; Granularity of information

作者簡介：翟世鴻(1969—)，男，教授級高級工程師，1991年畢業(yè)于重慶交通學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail：844366838@qq.com。

收稿日期：2015-05-18； 修回日期：2015-06-18

中圖分類號：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.023

文章編號：1004-2954(2016)01-0107-04