■ 王浩

BIM技術(shù)在高速鐵路隧道設(shè)計中的應(yīng)用

■ 王浩

BIM技術(shù)強(qiáng)調(diào)對工程全生命周期的管理，可以有效提高設(shè)計效率、控制施工質(zhì)量和工期，同時可節(jié)約成本、方便運(yùn)營維護(hù)。鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司隧道專業(yè)先后參加了京沈客專、陽大鐵路、濟(jì)青高鐵工程，在BIM技術(shù)應(yīng)用方面取得了一定的突破和進(jìn)展。以京沈客專李家梁隧道為例，闡述BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計中取得的成果及存在的問題。對鐵路工程設(shè)計階段較為關(guān)心的協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計、工程量計算等問題進(jìn)行探索性研究。

BIM；高速鐵路；隧道；協(xié)同設(shè)計；模板化；參數(shù)化；工程量

近年來，我國高速鐵路建設(shè)事業(yè)不斷推進(jìn)發(fā)展。隨著項目的不斷進(jìn)行和開展，采用新技術(shù)以提高工程建設(shè)的質(zhì)量、縮短過程建設(shè)周期、控制投資成本的需求日益增加，而BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的成功應(yīng)用給鐵路行業(yè)很好的啟發(fā)。與傳統(tǒng)鐵路設(shè)計相比，采用BIM技術(shù)進(jìn)行鐵路設(shè)計在信息共享、設(shè)計協(xié)同、進(jìn)度控制等方面具有一定優(yōu)勢。目前BIM設(shè)計在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定和設(shè)計軟件定制等方面仍處于起步階段。為了探索BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用之路，中國鐵路總公司選定幾個試驗段進(jìn)行BIM技術(shù)的嘗試。

1 前期調(diào)研與技術(shù)準(zhǔn)備

1.1 制定信息編碼

由于BIM技術(shù)強(qiáng)調(diào)對工程項目的全生命周期管理，因此要求模型信息在設(shè)計、施工、運(yùn)維階段能夠順利地傳遞。而且BIM技術(shù)強(qiáng)調(diào)設(shè)計過程中各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計，要求模型信息在同一階段不同的設(shè)計者之間順利地傳遞，因此制定統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)就成為BIM技術(shù)發(fā)展的重要步驟。

BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和實施標(biāo)準(zhǔn)包含以下要點(diǎn)［1］：

（1）是不同軟件之間可以自動進(jìn)行信息交換的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）是所有軟件都支持的中間文件，軟件之間的信息交換通過該中間文件來實現(xiàn)。

（3）該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有兩大特征：公開的標(biāo)準(zhǔn)（支持所有軟件）；結(jié)構(gòu)化的標(biāo)準(zhǔn)（支持自動交換）。

（4）該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)由數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)、信息語義標(biāo)準(zhǔn)3部分組成（見圖1）。數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)解決格式兼容的問題，信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)解決有序溝通的問題，信息語義標(biāo)準(zhǔn)解決語義統(tǒng)一的問題。

圖1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的組成

1.2 確定軟件平臺

由于BIM技術(shù)并非起源于鐵路行業(yè)，因此現(xiàn)在所能夠購買到的BIM設(shè)計類軟件全部都無法完全適應(yīng)鐵路行業(yè)的應(yīng)用。由于鐵路行業(yè)本身具有工程體量大、呈帶狀分布、設(shè)計結(jié)構(gòu)眾多、專業(yè)間上下序復(fù)雜等特點(diǎn)，對BIM軟件的要求較高［2］。首先需要軟件平臺具有較好的開放性，擁有較強(qiáng)的用戶定制以及自主開發(fā)能力，并且能夠允許不同專業(yè)間的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計；其次，由于鐵路工程體量較大，需要軟件平臺對于大數(shù)據(jù)的處理能力較強(qiáng)。

2 建立實體模型

2.1 隧道骨架線

建模采用骨架建模思路，即在項目開始階段首先確定工程骨架線，然后以骨架線為基礎(chǔ)搭建實體模型。由于鐵路工程的帶狀特征，選取線路左線作為骨架線較為合理。

線路左線根據(jù)各專業(yè)間缺口里程，劃分一級骨架線，各專業(yè)再將一級骨架線根據(jù)內(nèi)部需要劃分為二級或三級骨架線用來定位實體模型。隧道專業(yè)骨架線結(jié)構(gòu)樹見圖2。

圖2 隧道專業(yè)骨架線結(jié)構(gòu)樹

2.2 參數(shù)化工程模板

為了減少重復(fù)建模的工作量，需要將已經(jīng)建立好的模型制作為工程模板，即通過建立帶有邏輯關(guān)系的模板將一類模型歸納，并通過不同的實例化輸入條件和參數(shù)適應(yīng)不同的邊界條件。雖然建立模板的過程會消耗部分時間，但是在日后模板的重復(fù)使用過程中可以節(jié)約許多工作量。

由于隧道工程中不同的圍巖條件會對應(yīng)不同的設(shè)計參數(shù)，如初支、二襯厚度、鋼筋直徑等。相同的支護(hù)形式，不同的設(shè)計參數(shù)顯然應(yīng)該被包含在同一模板當(dāng)中以減少模板建立的工作量。因此參數(shù)化就成為工程模板建立過程的重要步驟，而在同一模板當(dāng)中控制不同設(shè)計參數(shù)的方法就是參數(shù)化設(shè)計。

圖3 隧道鋼筋模型及設(shè)計參數(shù)

如圖3所示，鋼筋設(shè)計中常用的設(shè)計參數(shù)都已經(jīng)在結(jié)構(gòu)樹上羅列，可供設(shè)計者直接選取修改。

參數(shù)化設(shè)計中的參數(shù)可以分為兩類：一類為本構(gòu)件設(shè)計者直接設(shè)計的參數(shù)，如圖3中內(nèi)外側(cè)保護(hù)層厚度以及各類型鋼筋的直徑及間距［3］；第二類為非本構(gòu)件直接設(shè)計參數(shù)，如圖3中的二襯厚度和仰供厚度，屬于其他構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)，需要在本構(gòu)件當(dāng)中引用。此類參數(shù)設(shè)計者無需修改將會自動參照等于指向構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)，如二襯厚度會直接與二襯構(gòu)件當(dāng)中設(shè)計者設(shè)定的厚度參數(shù)相等。隧道專業(yè)目前所有模板遵循數(shù)據(jù)同源準(zhǔn)則，即不同模板內(nèi)的同一參數(shù)來源相同且只需要輸入一次，在提高效率的基礎(chǔ)上也保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，不會造成二襯構(gòu)件中的二襯厚度與鋼筋構(gòu)建中的二襯厚度不相等的情況。

3 專業(yè)間協(xié)同設(shè)計與專業(yè)內(nèi)協(xié)同設(shè)計

3.1 專業(yè)間協(xié)同設(shè)計

鐵路工程設(shè)計是一個涉及多專業(yè)的復(fù)雜設(shè)計過程，在設(shè)計中各個專業(yè)之間需要進(jìn)行頻繁的資料交流和共享，因此一個合理的專業(yè)間設(shè)計協(xié)同流程就顯得尤為重要［4］。

目前鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司采用的方式是：將需要進(jìn)行交流的資料發(fā)布在專業(yè)間節(jié)點(diǎn)以實現(xiàn)資料的共享。通過發(fā)布的命令可以有效地將專業(yè)內(nèi)的修改以及與其他專業(yè)的溝通很好地分割開來，不會出現(xiàn)專業(yè)內(nèi)很小的修改都會影響到整個鐵路工程的所有專業(yè)，只有在修改完成后更新發(fā)布，才會對其他專業(yè)產(chǎn)生影響。專業(yè)間節(jié)點(diǎn)見圖4。

圖4 專業(yè)間節(jié)點(diǎn)

目前該模式仍然具有一定的局限性。雖然各專業(yè)都將所需共享的資料發(fā)布，但是并未區(qū)分究竟提給哪個專業(yè)，各專業(yè)只是將自己需要發(fā)布的內(nèi)容用平鋪形式發(fā)布在專業(yè)間節(jié)點(diǎn)本專業(yè)的小節(jié)點(diǎn)下。其他專業(yè)在需要使用的時候就在相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)下尋找。各專業(yè)更新自己的發(fā)布對其他專業(yè)并沒有實時通知，需要大量的口頭交流。另外，專業(yè)內(nèi)部的修改會引起整個工程或其他專業(yè)怎樣的變化，會不會導(dǎo)致下序?qū)I(yè)的模型無法更新等問題，由于經(jīng)驗不足尚未完全得到解決。

3.2 專業(yè)內(nèi)協(xié)同設(shè)計

鐵路工程專業(yè)內(nèi)部設(shè)計并不是由同一人完成，因此需要設(shè)計流程滿足多人同時設(shè)計的要求。

專業(yè)內(nèi)協(xié)同通過用戶角色確定，由負(fù)責(zé)人將任務(wù)分配給各設(shè)計者，各設(shè)計者可以任意打開瀏覽所有節(jié)點(diǎn)，但只能對自己負(fù)責(zé)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改和保存。

由于目前尚未建立一個可以包含所有專業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，因此隧道專業(yè)獨(dú)自編制了一個可以包含隧道設(shè)計所需要絕大多數(shù)參數(shù)的Excel表格。所有的設(shè)計參數(shù)按要求的格式在表格中選擇或填寫，各模板或模型所需數(shù)據(jù)全部來自該設(shè)計表格，有效地做到了數(shù)據(jù)同源。

但是采用Excel表格模式具有較大的缺陷，首先，Excel與數(shù)據(jù)庫相比，在處理大數(shù)據(jù)方面差距較大。當(dāng)數(shù)據(jù)量龐大時Excel難以進(jìn)行高效管理，只能依靠設(shè)計者的經(jīng)驗進(jìn)行管理。其次，Excel表格在設(shè)計時更加容易出錯，如設(shè)計者在使用過程中誤修改或刪除某些不應(yīng)該由設(shè)計者修改的單元格，將造成數(shù)據(jù)鏈接的錯誤。

4 BIM技術(shù)對設(shè)計工作的作用

從設(shè)計角度來看，BIM技術(shù)對于設(shè)計工作的提高主要表現(xiàn)在兩個方面，一是提高設(shè)計效率，二是提升設(shè)計質(zhì)量。

目前，BIM設(shè)計的效率相比傳統(tǒng)二維設(shè)計還有較大差距，但是可以預(yù)見通過模板庫的不斷完善，設(shè)計流程的不斷優(yōu)化，BIM設(shè)計的設(shè)計效率也會逐步提高。從提升設(shè)計質(zhì)量來講，目前對于專業(yè)最大的進(jìn)步在于，隧道洞門處邊仰坡刷坡與地形的相互關(guān)系同傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比，更加準(zhǔn)確。對于隧道洞門位置的選取以及洞門排水系統(tǒng)的設(shè)計有較大的借鑒意義。

圖5 京沈客專李家梁隧道洞口防截水天溝原設(shè)計

如圖5所示，由于在傳統(tǒng)二維設(shè)計中，洞口邊仰坡刷坡邊界是由設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗估計得出，往往與實際相差較大，特別是在坡率較陡的位置。圖中所示刷坡為采用BIM設(shè)計的刷坡情況，截水天溝為二維設(shè)計中的天溝位置，很明顯可以看出在紅色虛線部位兩者發(fā)生了干涉碰撞。

BIM設(shè)計方法在洞門位置選擇方面也可以提供比二維設(shè)計更加方便準(zhǔn)確的設(shè)計思路。如圖6所示，圖（a）為陽大鐵路南嶺隧道進(jìn)口洞門二維設(shè)計原始位置，圖（b）、圖（c）分別為洞門位置向外移5 m、10 m兩種情況。通過將洞門刷坡做成模板的方式可以一次性快速將某一位置的刷坡顯示出來。之后通過參數(shù)的調(diào)整使刷坡沿線路前后移動，并顯示對應(yīng)的刷坡情況?？梢郧逦乜吹讲煌纯谖恢盟鶎?yīng)的刷坡情況，有效指導(dǎo)洞門位置的選擇。

圖6 陽大鐵路南嶺隧道進(jìn)口洞門位置比選

5 存在的問題

雖然在京沈客專李家梁隧道中應(yīng)用BIM技術(shù)，較好地依靠骨架建模及模板化提高了設(shè)計效率，并擁有了一套較為可行的協(xié)同設(shè)計流程。但是由于鐵路行業(yè)BIM應(yīng)用時間較短，目前仍存在許多不足之處。

（1）模板庫的建立尚不完善。鐵路行業(yè)的模板庫從京沈客專試驗段開始建立，而模板庫的建立是一個從無到有、從多到少的漫長過程。不同運(yùn)行時速、不同支護(hù)方式的相互交叉會造成模板庫中待建模板的工作量非常巨大。解決這一問題的方式除了依靠時間積累外，還需要提高模板的適用性，使一個模板可以適應(yīng)更多條件，從而大幅減少模板建立的工作量。

除了模板類型嚴(yán)重不足外，已經(jīng)建立的模板在參數(shù)化程度上也存在不斷完善的空間。目前為設(shè)計者開放的設(shè)計參數(shù)僅僅是最基本的設(shè)計參數(shù)，僅能夠滿足一般的設(shè)計狀況，一旦出現(xiàn)特殊狀況需要特殊設(shè)計時，現(xiàn)有模板就會因為自身局限性無法使用，只能夠通過手動修改模型的方式來完成，大大降低了設(shè)計效率。

圖7 工程量計算輸出表格

（2）工程量的自動計算仍無法達(dá)到工程要求。工程量的計算是設(shè)計過程的重要環(huán)節(jié)，及時計算出工程量是有效控制工程成本的有效方式，也是設(shè)計變更的重要依據(jù)。京沈客專試驗段探索了工程量的自動計算方法，但是由于編碼尚不完善，僅對部分構(gòu)件進(jìn)行了試驗。結(jié)果輸出的工程量雖然較為準(zhǔn)確，但是輸出格式不符合工程要求，為平鋪式羅列（見圖7）。系統(tǒng)自動將所有構(gòu)件依次羅列在表格第一列，無論是否需要計算其工程量，并且各構(gòu)件間沒有從屬及邏輯關(guān)系，與實際應(yīng)用的工程量表格（見圖8）有較大差距。兩者之間如何結(jié)合仍然是需要解決的問題。

圖8 實際應(yīng)用的工程量表格

6 結(jié)束語

以京沈客專李家梁隧道為案例，闡述目前BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用取得的成果以及存在的問題。對鐵路工程設(shè)計階段較為關(guān)心的協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計、工程量計算等問題進(jìn)行探討并提出未來研究方向。在短期內(nèi)，BIM技術(shù)急需解決的問題應(yīng)該是提高工作效率及工作質(zhì)量，只有讓使用BIM技術(shù)的人員意識到BIM技術(shù)帶給自己的提高和便利，才會使更多的人主動學(xué)習(xí)并使用BIM技術(shù)，才能夠?qū)IM技術(shù)深入推廣開來。

［1］ 何關(guān)培. 實現(xiàn)BIM價值的三大支柱——IFC/IDM/IFD［J］.土木建筑工程信息技術(shù)， 2011（3）：108-116.

［2］ 石耀勇，蘭婷. 淺析BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用［J］.鐵路工程造價管理，2014（5）：65-67.

［3］ 李麗，馬婷婷，袁竹. BIM技術(shù)在鐵路隧道設(shè)計中的應(yīng)用［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（5）：45-48.

［4］ 劉延宏. EBS在鐵路工程建設(shè)管理中的應(yīng)用探討［J］.中國鐵路，2015（7）：62-65.

王浩：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，助理工程師，天津，300251

責(zé)任編輯 盧敏

U452；TP319

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1672-061X（2016）03-0075-05