寇邦寧

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

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基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路隧道設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

寇邦寧

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

文章針對(duì)鐵路隧道工程的特點(diǎn),闡述了鐵路隧道BIM+GIS應(yīng)用平臺(tái)的選擇。結(jié)合某隧道工程，從三維參數(shù)化模型建立、信息模型和GIS平臺(tái)真實(shí)場景展示等方面研究了鐵路隧道勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，并分析了BIM+GIS技術(shù)在隧道應(yīng)用中存在的問題，為推動(dòng)BIM應(yīng)用在鐵路隧道的設(shè)計(jì)提供參考。

BIM； GIS； 真實(shí)場景； 鐵路隧道

如果說“甩圖板”以高效、高精度的CAD代替了手工繪圖的傳統(tǒng)制圖方式是中國工程建設(shè)行業(yè)的一次信息化革命[1]，那么BIM(Building Information Modeling)的出現(xiàn)就是工程建設(shè)行業(yè)的第二次革命。BIM利用計(jì)算機(jī)三維軟件工具，創(chuàng)建包含工程項(xiàng)目中完整的數(shù)字模型，并在該模型中包含了詳細(xì)的工程信息。隨著鐵路建設(shè)的規(guī)模和形態(tài)愈加復(fù)雜，以AutoCAD為主的二維設(shè)計(jì)面臨著多專業(yè)配合不到位(協(xié)同設(shè)計(jì))，潛在的設(shè)計(jì)問題難以查出等問題，基于BIM+GIS平臺(tái)建立鐵路隧道數(shù)據(jù)三維模型,探索鐵路隧道對(duì)復(fù)雜空間對(duì)象的處理和應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)手段所難以實(shí)現(xiàn)的分析、評(píng)價(jià)問題。BIM以其可視化、協(xié)同化以及強(qiáng)大完善的工程信息越來越受到工程建設(shè)行業(yè)的青睞。

1 Revit+GIS平臺(tái)

1.1 Revit平臺(tái)

目前在工程領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)建BIM模型的工具主要有3個(gè)平臺(tái)，即Autodesk Revit系列、Dasault Catia的Digital Project以及Bentley系列。Catia系列主要針對(duì)汽車、航空航天、船舶制造等機(jī)械制造，且對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的要求較高，不易掌握[2]。Autodesk、Bentley平臺(tái)主要針對(duì)土木工程行業(yè)，在鐵路行業(yè)中都有應(yīng)用。

Revit是Autodesk公司三維產(chǎn)品中的一部分。Revit平臺(tái)環(huán)境中，工程師可以快速地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、創(chuàng)建三維BIM模型，并且可以將三維模型賦予工程信息，還可以在Revit中生成圖紙、表格、工程量清單。由于所有這些信息都源自于模型，所以當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)，Revit會(huì)更新相關(guān)信息。Revit功能強(qiáng)大，且易學(xué)易用，已經(jīng)被越來越多的企業(yè)和部門采用，成為使用最廣的三維參數(shù)化BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)。綜合考慮，選擇Revit作為BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)。

1.2 GIS平臺(tái)

GIS-Geographic Information System[3]，它是一種基于計(jì)算機(jī)的特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖和分析。

GIS與BIM融合，利用GIS技術(shù)對(duì)區(qū)域地理的真實(shí)場景展示，可以對(duì)線路的地質(zhì)、周圍建筑物以及自然環(huán)境等進(jìn)行評(píng)估分析，提高BIM模型信息的完整性。

2 基于BIM+GIS理念的隧道設(shè)計(jì)

2.1 Revit平臺(tái)

鐵路隧道區(qū)別于工民建[4]，線路分布很長，是條帶狀工程，跟地理信息、地形地貌密切相關(guān)。Revit建立的三維信息模型只是針對(duì)于模型對(duì)象本身，缺失對(duì)周圍地理環(huán)境及模型地理位置信息的描述，而GIS針對(duì)的是整個(gè)地理環(huán)境，可提供地理信息空間數(shù)據(jù)。BIM和GIS的整合和無縫對(duì)接將改變隧道傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法。

傳統(tǒng)的鐵路隧道設(shè)計(jì)從決策階段的預(yù)可行性研究和可行性研究，到設(shè)計(jì)階段的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)，要經(jīng)過踏勘、初測、定測、補(bǔ)充定測。而現(xiàn)場的踏勘勘測，受到氣候、地形、人文、社會(huì)環(huán)境等多重因素的影響，效率不高，且消耗大量的人力物力。BIM和GIS技術(shù)的融合，可實(shí)現(xiàn)完全室內(nèi)的高效作業(yè)，隧道線路走向的確定，隧道洞口、砟場的選址，隧道支護(hù)措施的設(shè)計(jì)，開挖方式的選擇，以及在項(xiàng)目實(shí)施階段，施工監(jiān)測的控制，運(yùn)營階段的運(yùn)營管理都可以在室內(nèi)作業(yè)完成，尤其大大減少勘測階段的外業(yè)的勘察工作，從而節(jié)約工作時(shí)間，大大提高工作效率。

利用GIS遙感影像技術(shù)，建立地理環(huán)境坐標(biāo)模型，并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，搭建真實(shí)的三維周邊地理環(huán)境大場景，根據(jù)線路所在地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)上的意義，并結(jié)合線路、地質(zhì)等相關(guān)專業(yè)的配合，提出線路的走向和可能的比較方案。利用GIS概念模型設(shè)計(jì)[5]，快速地建立隧道三維模型，由于初期階段對(duì)隧道的實(shí)際設(shè)計(jì)輪廓外觀并不關(guān)心，更多地注重隧道線路走向和坡度的設(shè)計(jì)，因此模型僅僅是對(duì)隧道的定性描述，不包含參數(shù)等信息附加。

經(jīng)過初步的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)，以及對(duì)特長隧道、控制線路方案隧道和技術(shù)復(fù)雜隧道的綜合評(píng)價(jià)，確定隧道線路方案，然后利用Revit對(duì)已確定隧道工點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)模型設(shè)計(jì)，包括洞門的選擇、襯砌類型及參數(shù)的優(yōu)化、開挖方法及機(jī)具的選擇等。

2.2 BIM模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

鐵路隧道根據(jù)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有各速度目標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)參考圖，各工點(diǎn)根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及氣候特征等條件進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)就是將各速度目標(biāo)值隧道斷面形式設(shè)置幾何參數(shù)，通過修改幾何參數(shù)控制隧道斷面的輪廓(圖1)。

圖1 隧道參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.3 BIM模型單元?jiǎng)澐衷O(shè)計(jì)

鐵路隧道IFC單元?jiǎng)澐质紫纫紤]鐵路隧道設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)思維習(xí)慣，按最小施工單元進(jìn)行分解，且要層次清晰、易用、具有可拓展性，這樣才能滿足IFC編碼發(fā)揮信息化工程量的清算。參照IFC標(biāo)準(zhǔn)，信息模型按照新奧法設(shè)計(jì)與施工劃分隧道組成單元(圖2)。

圖2 隧道單元?jiǎng)澐?/p>

2.4 BIM模型信息附加

BIM其核心就是模型+信息，只有將模型賦予了信息，BIM才能顯現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)。信息包括幾何信息和非幾何信息[7](圖3～圖5)。

(a)鋼架模型

(b)信息附加

(a)鋼筋網(wǎng)模型

(b)信息附加

(a)初襯拱部模型

(b)信息附加

3 Revit+GIS工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某隧道起訖里程為DK207+517.55～DK214+300，全長6 782.45 m，隧道最大埋深102 m，是一座單洞雙線隧道。隧道縱坡為25 ‰的單面上坡；隧道除洞身2 140.643 m和出口段610.663 m位于直線上外，其余分別位于R-8000、R-7000曲線上。隧道涉及的地層主要為第四系全新統(tǒng)溜坍堆積層、沖積黏質(zhì)黃土、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土。隧道采用復(fù)合式襯砌，根據(jù)工期要求，設(shè)置一座無軌運(yùn)輸斜井輔助施工。

3.2 Revit三維建模

(1)參數(shù)化建模。根據(jù)地質(zhì)條件，進(jìn)行圍巖等級(jí)劃分，確定線路相應(yīng)圍巖等級(jí)的襯砌類型，通過參數(shù)控制，生成隧道襯砌斷面。利用線路信息，采用放樣融合、剪切等命令生成帶有線路信息的三維實(shí)體模型(圖6)。

圖6 三維實(shí)體模型

(2)建立輔助坑道、附屬洞室與主洞的空間骨架結(jié)構(gòu)。根據(jù)斜井、附屬洞室與主洞的空間位置關(guān)系(相交點(diǎn)里程、坑底標(biāo)高等)，利用revit布爾運(yùn)算模塊進(jìn)行剪切運(yùn)算，建立輔助坑道與附屬洞室的信息模型。

(3)隧道拼裝。根據(jù)真實(shí)的大地坐標(biāo)和線位信息，進(jìn)行隧道整體拼裝(圖7)。

圖7 隧道整體拼裝模型

3.3 GIS技術(shù)應(yīng)用

將Revit建好的三維信息模型融合GIS 技術(shù)對(duì)3D視覺化效果和地理分析功能的集成可以實(shí)現(xiàn)鐵路隧道模型在真實(shí)大場景中的展示，從而可以清晰地分辨隧道與周邊構(gòu)筑物的三維關(guān)系。基于BIM+GIS的鐵路隧道三維信息平臺(tái)，隧道工程模型在真實(shí)場景的地理定位見圖8～圖10。

圖8 隧道出口在真實(shí)場景中的展示

圖9 隧道進(jìn)口在真實(shí)場景中的展示

4 結(jié)束語

BIM與GIS技術(shù)的結(jié)合，無疑將給鐵路隧道的勘察設(shè)計(jì)

圖10 斜井在真實(shí)場景中的展示

帶來新的理念和方法，基于BIM+GIS平臺(tái)建立隧道數(shù)據(jù)三維模型，解決了傳統(tǒng)手段所難以實(shí)現(xiàn)的分析、評(píng)價(jià)問題，利用GIS平臺(tái)提供的空間地理信息，BIM信息模型可以實(shí)現(xiàn)在真實(shí)大場景中的地理定位和地理環(huán)境分析，而BIM模型自身包含了工程結(jié)構(gòu)的幾何和非幾何信息，可以實(shí)現(xiàn)勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營全過程的管理。當(dāng)然目前還存在一些問題，如建模手動(dòng)拼裝效率低，精細(xì)化程度不高，鐵路隧道BIM標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，大體量實(shí)體模型的輕量化，地質(zhì)信息接口的兼容等。因此通過關(guān)鍵技術(shù)的攻克(如隧道BIM設(shè)計(jì)輔助程序的開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)隧道的智能化拼裝，消除手動(dòng)拼裝的誤差)，完善BIM+GIS平臺(tái)的無縫對(duì)接、協(xié)同管理和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步推動(dòng)鐵路隧道設(shè)計(jì)的實(shí)用性和先進(jìn)性發(fā)展。

[1] 廖小峰,王君峰.Revit建筑設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[2] 徐博.清涼山隧道BIM技術(shù)應(yīng)用研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2015(3)：30-34.

[3] 劉延宏.基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路橋梁工程管理應(yīng)用[J].交通世界,2015，27(9)：30-34.

[4] 戴林發(fā)寶.隧道工程BIM應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2015(10):99-102.

[5] 任曉春.鐵路勘察設(shè)計(jì)中BIM與GIS結(jié)合方法討論[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新,2014(5):80-82.

[6] 李君君,李俊松,王海彥.基于BIM理念的鐵路隧道三維設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2016(1):6-10.

建筑企業(yè)管理信息化時(shí)不我待

在當(dāng)今世界三大主流趨勢(shì)面前，中國建筑企業(yè)管理信息化勢(shì)在必行，時(shí)不我待。

自人類社會(huì)進(jìn)入工業(yè)文明以來，先后經(jīng)歷了四次革命性的技術(shù)進(jìn)步：第一次是蒸汽機(jī)的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；第二次是電氣技術(shù)的應(yīng)用，促使了電氣化；第三次是電子信息技術(shù)的推廣，催生了信息化；第四次就是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，邁上了智能化。前三次技術(shù)革命中國都沒能趕上，因此中國經(jīng)濟(jì)落后了，中國社會(huì)的生產(chǎn)力落后了。這次互聯(lián)網(wǎng)智能化技術(shù)中國趕上了，具備了走在世界前列的基本條件。目前，國家將“互聯(lián)網(wǎng)+”提到國家

戰(zhàn)略高度，制定了“中國制造2025”行動(dòng)計(jì)劃，今年五月國務(wù)院又發(fā)布了《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》，這必將對(duì)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)今世界的第一大經(jīng)濟(jì)體美國提出了“產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，第二大經(jīng)濟(jì)體歐洲的主要國家德國提出了“工業(yè)4.0”。我國的“中國制造2025”與美國的“產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國的“工業(yè)4.0”并稱為當(dāng)今世界的三大主流發(fā)展趨勢(shì)，并且這三大主流指向了一個(gè)方向——信息化與智能化?？梢哉f，這三大主流代表著世界未來的發(fā)展方向。

摘自《建筑時(shí)報(bào)》

寇邦寧(1988～)，男，碩士，助理工程師，從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)工作。

U452.2

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[定稿日期]2016-11-22