徐 博,趙秋林

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

BIM(Building Information Modeling)最早源于建筑工程，意為建筑工程信息模型。2013年，中國鐵路總公司(以下簡稱“鐵總”)將BIM技術(shù)引入鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域。為推動BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用，最先在寶蘭客專石鼓山隧道中開展BIM試點應(yīng)用，為BIM技術(shù)在鐵路工程中應(yīng)用的可行性做了探索性研究[1]。隨后鐵總又在2014年新開工的16個項目中開展了多個專業(yè)的BIM試點應(yīng)用，旨在更加深入地研究BIM技術(shù)在鐵路工程設(shè)計階段的應(yīng)用。近幾年，在中國鐵路BIM聯(lián)盟的推動下，開展了多個鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的編制和發(fā)布工作，使得BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)得到了穩(wěn)步的推進(jìn)[2-3]。

由于目前主流的BIM軟件平臺均沒有專門針對隧道工程的BIM輔助設(shè)計軟件，完全依靠手動建模存在效率低、精度低、模型成果不規(guī)范等問題，嚴(yán)重制約著BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用效率[4-5]。為此，以黔張常鐵路桑植隧道為依托，基于歐特克BIM軟件平臺進(jìn)行二次開發(fā)，對鐵路隧道工程BIM設(shè)計及成果應(yīng)用展開深入研究。

黔張常鐵路西起重慶黔江區(qū)，途經(jīng)湖北恩施自治州，湖南省張家界，最后到達(dá)湖南省常德市。沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，可溶巖分布廣泛。桑植隧道位于張家界市境內(nèi)，隧道全長5 058.25 m，為雙線越嶺隧道，設(shè)計時速200 km。隧道出口設(shè)1座3 543 m長平導(dǎo)輔助施工，正洞與平導(dǎo)之間設(shè)6道橫通道連接(圖1)，為Ⅰ級高風(fēng)險隧道。

圖1 桑植隧道平面布置

2 隧道BIM設(shè)計

2.1 整體設(shè)計思路

桑植隧道BIM技術(shù)應(yīng)用研究主要采用Autodesk平臺系列軟件，包含Civil3D、Revit、TunnelBIM-R、Navisworks等BIM軟件。其中TunnelBIM-R為我院自主研發(fā)的針對隧道專業(yè)的BIM輔助設(shè)計軟件。隧道洞口場地引用線路專業(yè)提供的三維線路線條作為空間地位依據(jù)，在Civil3D中進(jìn)行隧道洞口場地開挖及邊仰坡設(shè)計，隧道洞門結(jié)構(gòu)、洞身及附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)采用Revit及TunnelBIM-R輔助設(shè)計。后期將BIM模型導(dǎo)入Navisworks及3DGIS系統(tǒng)中進(jìn)行拓展應(yīng)用[6]。

2.2 隧道洞口設(shè)計

隧道洞口設(shè)計主要包含隧道洞口場地設(shè)計、洞門排水措施及洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用測繪專業(yè)提供的數(shù)字地面高程模型文件(DEM)生成隧道洞口地形曲面，參考線路三維線條和地質(zhì)模型，以此為隧道洞口設(shè)計的依據(jù)。首先根據(jù)洞口地形特征選取適當(dāng)?shù)亩撮T結(jié)構(gòu)形式。然后按照線路高程及地層特性確定隧道洞口場地開挖底面高程、坡腳輪廓線及邊仰坡坡率。由此構(gòu)造出隧道洞口設(shè)計刷坡曲面，最后將刷坡曲面與原始地形曲面進(jìn)行邊界運(yùn)算，形成開挖后的隧道洞口場地模型。

洞頂截水溝利用Civil3D道路裝配工具進(jìn)行設(shè)計，首先按照設(shè)計原則在離洞口開挖線5～10 m附近進(jìn)行截水溝平面設(shè)計，軟件會根據(jù)截水溝平面生成地形剖面，然后由設(shè)計人員進(jìn)行截水溝縱斷面設(shè)計，并為其指定水溝截面及刷坡規(guī)則，軟件會沿截水溝平縱數(shù)據(jù)自動生成截水溝模型。需要注意的是，由于Revit只能對Civil3D曲面進(jìn)行參考而不能修改，因此在Revit中設(shè)計隧道洞門結(jié)構(gòu)前應(yīng)在Civil3D中先對隧道仰坡進(jìn)行外輪廓投影開洞(圖2)。

圖2 桑植隧道洞口場地設(shè)計

2.3 隧道洞身模型設(shè)計

首先分析隧道工程與建筑工程在Revit中建模的主要差異性。第一，定位系統(tǒng)不同。隧道工程屬于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)交通行業(yè)，為線性工程，設(shè)計時通常采用線路里程和高程實現(xiàn)空間定位。而建筑工程則通過軸網(wǎng)和相對高程進(jìn)行定位[7]。第二，在Revit中，族是實現(xiàn)實例化單元的重要元素。建筑工程可利用Revit內(nèi)置的系統(tǒng)族實現(xiàn)門、墻、梁、板、柱和機(jī)電等設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計，并且構(gòu)件之間存在默認(rèn)的邏輯關(guān)系，例如門放置到墻上會自動開洞。而對于隧道工程則不能利用Revit系統(tǒng)族進(jìn)行建模，一般采用公制常規(guī)模型族或體量族建模。由此造成隧道工程建模后在視圖管理、工程量統(tǒng)計和二維出圖等方面存在一定困難[8]。

盡管如此，但Revit“族”的特性卻非常適合復(fù)用性較高的隧道構(gòu)件單元管理。經(jīng)系統(tǒng)性需求分析，結(jié)合Revit對隧道設(shè)計的不足進(jìn)行二次開發(fā)，能夠較好地實現(xiàn)隧道工程在Revit中的BIM輔助設(shè)計。

2.3.1 線路數(shù)據(jù)輸入

首先，通過在TunnelBIM-R中構(gòu)建線路數(shù)學(xué)模型，引入線路平縱斷面要素，實現(xiàn)對線路任意里程的空間坐標(biāo)計算。當(dāng)用戶在TunnelBIM-R的線路信息維護(hù)模塊中輸入線路平面和縱斷面要素后，程序計算能夠計算逐樁坐標(biāo)并擬合出三維空間線條[9]，作為隧道工程空間定位參照，如圖3所示。

圖3 線路數(shù)據(jù)輸入

2.3.2 定義隧道斷面及支護(hù)措施

在TunnelBIM-R中對常用的單心圓、三心圓與五心圓隧道內(nèi)輪廓及初期支護(hù)，二次襯砌等支護(hù)措施構(gòu)造參數(shù)化數(shù)學(xué)模型。設(shè)計人員通過調(diào)整斷面幾何參數(shù)和支護(hù)措施設(shè)計參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單/雙線，有砟/無砟道床等不同的隧道斷面類型[10][圖4(a)]。此外，按照中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)1.0》(IFC)中對隧道結(jié)構(gòu)空間單元通用屬性集要求，在TunnelBIM-R中按斷面對其屬性信息進(jìn)行添加與維護(hù)[11-12]。在生成BIM模型時，該屬性信息則會按照約定的映射關(guān)系分配到相應(yīng)構(gòu)件中[圖4(b)] 。設(shè)計完成的隧道襯砌斷面按照項目入庫保存以備調(diào)用[13]。

圖4 設(shè)定隧道斷面參數(shù)并生成參考模型

2.3.3 隧道正洞模型設(shè)計

定義好隧道襯砌斷面庫后，在隧道縱斷面設(shè)計模塊中導(dǎo)入圍巖地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，根據(jù)圍巖等級設(shè)計隧道洞身斷面序列及輔助措施[14]，TunnelBIM-R能夠從斷面庫中調(diào)用相應(yīng)的襯砌，按設(shè)計序列完成隧道模型拼裝(圖5)。輔助坑道設(shè)計過程與正洞類似，不再贅述。

圖5 設(shè)置隧道縱斷面并生成基本模型

2.3.4 隧道洞室及輔助坑道設(shè)置

通過TunnelBIM-R將自定義的專用設(shè)備洞室族載入軟件系統(tǒng)，按照“四電”專業(yè)需求設(shè)定洞室布置里程和左右側(cè)別。通過“加載時剪切的空心”原理，程序在放置隧道洞室時，會自動在交叉口處創(chuàng)建空心體，當(dāng)洞室與正洞交叉時，會自動觸發(fā)剪切機(jī)制，實現(xiàn)交叉口處的互通剪切(圖6)。

圖6 隧道洞室布置

2.4 工程數(shù)量計算

本項目隧道工程BIM按照參考模型+基本模型的方式組織實施。在施工圖階段，參考模型精度應(yīng)達(dá)到LOD350，能夠表達(dá)滿足施工的設(shè)計意圖；基本模型精度則以滿足施工應(yīng)用和運(yùn)維階段的信息載體為主[15]。在本項目中，參考模型的另一個重要作用就是計算每延米隧道工程數(shù)量。程序根據(jù)一個斷面內(nèi)所包含的構(gòu)件及設(shè)計參數(shù)，計算出每延米工程數(shù)量并將其存儲在一個數(shù)據(jù)庫中(圖7)。當(dāng)需要計算整個隧道工程數(shù)量時，程序調(diào)取隧道引用斷面類型、長度與對應(yīng)的每延米工程數(shù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總運(yùn)算，最終將計算結(jié)果按照特定格式輸出到Excel表格。

圖7 工程數(shù)量計算

2.5 模型管理

在一個隧道工點項目中，相同的襯砌斷面可能會被多次實例化，并放置于不同的空間位置?？紤]到隧道工程在施工期間會頻繁變更的特點，需要對項目中的隧道BIM構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一管理，以便于變更設(shè)計時能夠快速定位變更段落模型。本項目采用IFD編碼+里程信息的方式來識別項目中的每個構(gòu)件單元[16]。定位信息作為屬性被添加到每個構(gòu)件單元中，程序遍歷項目中所有構(gòu)件的定位信息，通過解析IFD編碼構(gòu)建結(jié)構(gòu)層級關(guān)系，最終，按照里程段落形成一個樹狀結(jié)構(gòu)目錄(圖8)，通過點擊目錄節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位相應(yīng)里程的構(gòu)件。

圖8 隧道BIM結(jié)構(gòu)樹

2.6 BIM交付

作為設(shè)計企業(yè)，BIM模型由設(shè)計階段向施工階段轉(zhuǎn)化，需要考慮以下幾個問題。第一，參數(shù)化族庫是設(shè)計知識的積累和體現(xiàn)，為保護(hù)自主知識產(chǎn)權(quán)，如何在BIM交付時確保設(shè)計信息向下遞而具有約束模型幾何形狀的驅(qū)動參數(shù)不被傳遞。第二，設(shè)計模型向下傳遞時，確保模型的幾何精度不受損失[17]。第三，BIM模型在施工階段要能夠被方便地進(jìn)行信息維護(hù)與應(yīng)用。在之前項目中，嘗試以.NWC格式作為BIM的交付格式，雖然能夠確保模型驅(qū)動參數(shù)不被傳遞與修改，起到保護(hù)設(shè)計單位知識產(chǎn)權(quán)的作用，但在模型格式轉(zhuǎn)換時，Revit原生的.RVT模型文件會被輕量化，隧道實體構(gòu)件會被網(wǎng)格化，模型幾何精度有所損失。同時，現(xiàn)有的商業(yè)化BIM管理應(yīng)用平臺大多支持最好的是Revit原生文件格式，以.NWC格式交付的BIM難以在后續(xù)建設(shè)管理階段進(jìn)行靈活維護(hù)和應(yīng)用[18]。相比之下，.RVT格式仍然是比較合理的交付格式。

針對以往BIM交付中存在的諸多問題，本項目在TunnelBIM-R研發(fā)時，在程序內(nèi)部中直接構(gòu)建了道路與隧道幾何數(shù)學(xué)模型，即將參數(shù)化設(shè)計過程集成在了交互界面中，設(shè)計人員通過交互界面進(jìn)行參數(shù)化隧道BIM設(shè)計，軟件生成的構(gòu)件模型只包含需要傳遞的必要設(shè)計參數(shù)及附屬信息，不含幾何驅(qū)動參數(shù)，最終采用.RVT格式進(jìn)行無損交付，在施工階段應(yīng)用效果良好。

3 隧道BIM應(yīng)用

3.1 隧道洞口淹沒分析

隧道BIM創(chuàng)建完成后可用于分析和檢驗設(shè)計方案是否合理。將BIM模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入3DGIS環(huán)境[19]，可以對隧道洞口周邊匯水情況進(jìn)行分析，模擬最大匯水情況下隧道洞口范圍積水工況，以此幫助設(shè)計人員檢查隧道洞口結(jié)構(gòu)是否處于淹沒線以下，隧道縱向坡度是否滿足排水需求(圖9)。

圖9 隧道洞口淹沒工況分析

3.2 指導(dǎo)性施組設(shè)計

為了將隧道土建工期控制在總體要求的合理工期范圍內(nèi)，在隧道設(shè)計時需要對隧道土建工期進(jìn)行測算，當(dāng)土建工期超出控制工期后，需要增設(shè)輔助坑道或調(diào)整施工組織方案。以往二維設(shè)計時需要進(jìn)行抽象的進(jìn)度計算和圖形比劃才能完成指導(dǎo)性施組設(shè)計。對于復(fù)雜的輔助坑道設(shè)置方案，依靠二維測算方法往往難以直觀準(zhǔn)確地表達(dá)隧道施工組織方案。利用BIM模型則可實現(xiàn)基于最小構(gòu)件單元的施工組織設(shè)計。對于長大復(fù)雜工況的隧道，可以根據(jù)不同地質(zhì)區(qū)段的施工難易程度設(shè)置相應(yīng)的施工時長。在Navisworks中，利用構(gòu)件內(nèi)的定位信息(IFD編碼+起終點里程)可快速實現(xiàn)不同里程段落構(gòu)件單元與時間線的關(guān)聯(lián)。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Timeliner，通過 4D動態(tài)施工模擬實現(xiàn)相對準(zhǔn)確的施工組織設(shè)計(圖10)。

圖10 4D指導(dǎo)性施組模擬

3.3 可視化交底

在二維設(shè)計時，隧道施工方法需要按照施工工序，采用多張不同時間段的施工步續(xù)圖進(jìn)行表達(dá)。在設(shè)計過程中，設(shè)計者只能通過二維視角去判斷工法是否合理可行，而無法判斷在三維空間下工法是否具有可行性。現(xiàn)場施工人員在實際施工時也只能通過平面維度去理解施工步序和要點。由于隧道洞內(nèi)施工原本就空間受限，如果在施工過程中才發(fā)現(xiàn)施工方案無法實施，勢必會影響施工進(jìn)度和現(xiàn)場安全[20]。將BIM模型與時間和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，可以輔助設(shè)計人員進(jìn)行施工工法仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)施工方案中的不足，防患于未然(圖11)。

圖11 隧道施工工法可視化交底

4 結(jié)語

依托黔張常鐵路桑植隧道BIM試點項目，基于歐特克平臺研究了在設(shè)計階段隧道工程BIM技術(shù)的實施與應(yīng)用技術(shù)路線。認(rèn)為結(jié)合中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的相關(guān)BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對原生BIM軟件進(jìn)行二次開發(fā)能夠提高BIM建模效率與精度，實現(xiàn)高效、智能化隧道BIM設(shè)計，其BIM成果能夠為后序階段BIM更深層次的應(yīng)用提供良好的信息應(yīng)用基礎(chǔ)，使現(xiàn)階段BIM成果價值最大化。研究成果對于類似鐵路工程BIM技術(shù)應(yīng)用具有可借鑒和指導(dǎo)的意義。然而，基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計要完全取代現(xiàn)有二維設(shè)計手段，仍然需要一個長期的實踐與迭代過程，需要鐵路工程各參建方共同參與研究，進(jìn)行更加深入的二次開發(fā)才能促使整個鐵路工程建設(shè)行業(yè)BIM技術(shù)健康可持續(xù)發(fā)展。