吳為東 陳朋亮 王安娜

一、引言

隧道作為重要的交通通道，其設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，位于地下的特性對(duì)項(xiàng)目的施工和通車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性提出了更高的要求。為了滿(mǎn)足這種要求，需要采用基于BIM的建管養(yǎng)一體化的理念，在隧道的設(shè)計(jì)過(guò)程中就要對(duì)施工階段的需求及通車(chē)運(yùn)營(yíng)后的隧道的性能和狀態(tài)有充分的評(píng)估和掌控。BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用目前也有許多相關(guān)研究，內(nèi)容涉及了協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的共享和傳遞以及項(xiàng)目全生命周期應(yīng)用等。但在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用仍處于發(fā)展研究過(guò)程中，存在智能化程度低、BIM與仿真數(shù)據(jù)共享程度不高、缺乏項(xiàng)目全生命周期設(shè)計(jì)理念的問(wèn)題。需要基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計(jì)技術(shù)，來(lái)提升目前隧道工程的BIM設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量水平。

二、智能仿真設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題

面向目前隧道工程的BIM技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用，基于BIM技術(shù)的智能仿真設(shè)計(jì)需要研究三方面的問(wèn)題。

一方面研究基于數(shù)據(jù)的智能化設(shè)計(jì)建模方法，解決隧道BIM設(shè)計(jì)效率較低的問(wèn)題；另一方面在BIM模型與仿真數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，研究仿真內(nèi)容如何支撐設(shè)計(jì)；第三方面，基于“以終為始”的理念，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真模擬等手段，考慮后續(xù)施工和運(yùn)維階段的需求，使設(shè)計(jì)能夠很好地支持全生命周期的需求。

針對(duì)這些問(wèn)題，需要研究基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計(jì)技術(shù)所涵蓋的內(nèi)容和流程。

三、基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計(jì)內(nèi)容及流程

智能仿真設(shè)計(jì)技術(shù)是在基礎(chǔ)資料、規(guī)范要求及使用需求的限定下，通過(guò)知識(shí)庫(kù)或數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，可以提供適合特定環(huán)境條件的基本方案和設(shè)計(jì)成果的技術(shù)。其研究?jī)?nèi)容應(yīng)包括BIM隧道智能設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、仿真計(jì)算分析、全生命周期需求檢驗(yàn)和BIM設(shè)計(jì)成果交付研究等方面開(kāi)展。

在總結(jié)設(shè)計(jì)核心工作過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初步設(shè)定智能仿真設(shè)計(jì)流程如下。

智能仿真設(shè)計(jì)技術(shù)流程和內(nèi)容

1.智能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)工作就是在基礎(chǔ)資料、規(guī)范要求及使用需求的基礎(chǔ)上開(kāi)展的信息整合工作。公路隧道BIM設(shè)計(jì)重要的基礎(chǔ)資料包括了三維地形數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)條件模型、水文條件、相關(guān)規(guī)范要求、業(yè)主使用需求等。其中，三維地形數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)條件模型、水文條件需要進(jìn)行測(cè)量和勘察確定，測(cè)量和勘察方法也是重要的研究任務(wù)。

2.公路BIM設(shè)計(jì)路線初步確定

在基礎(chǔ)資料基礎(chǔ)上，根據(jù)需求初步確定公路BIM設(shè)計(jì)的路線走向，進(jìn)行路線的平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)。這部分工作需要設(shè)計(jì)人員確定。

3.隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)是智能仿真設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，目的是解決目前基于BIM建模效率低下的問(wèn)題。其實(shí)施思路如下：首先需要對(duì)常用的隧道BIM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，將每一類(lèi)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，形成參數(shù)化隧道結(jié)構(gòu)模板；將每一類(lèi)隧道結(jié)構(gòu)模板與相適應(yīng)的地質(zhì)條件進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，形成隧道結(jié)構(gòu)斷面—地質(zhì)條件匹配知識(shí)庫(kù)；根據(jù)每段隧道區(qū)域的地質(zhì)模型，通過(guò)知識(shí)庫(kù)確定相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)化模板；最后根據(jù)路線數(shù)據(jù)和確定的參數(shù)化模板進(jìn)行公路BIM設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)模型建模，完成隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)。

4.調(diào)整、細(xì)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在隧道標(biāo)準(zhǔn)路段比較容易根據(jù)地質(zhì)條件和知識(shí)庫(kù)進(jìn)行的隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)較容易應(yīng)用在隧道標(biāo)準(zhǔn)路段，但在某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或特殊路段，需要進(jìn)行人工隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整、細(xì)化，使之達(dá)到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的精度水平，完成隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.仿真計(jì)算

在完成隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之后，將得到的BIM模型進(jìn)行相關(guān)的仿真模擬，可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口或開(kāi)發(fā)BIM+仿真一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到BIM模型數(shù)據(jù)共享的目的。仿真計(jì)算內(nèi)容至少應(yīng)包括隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真計(jì)算、接縫等部位的防滲性能等水力學(xué)仿真計(jì)算、交通通行能力的交通仿真計(jì)算、隧道總體的安全事故等突發(fā)事件等仿真模擬。在完成相關(guān)的仿真計(jì)算之后，根據(jù)規(guī)范及其他要求，判斷設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足，如果滿(mǎn)足相關(guān)要求，則進(jìn)行下一流程；如果不滿(mǎn)足，則返回調(diào)整路線設(shè)計(jì)或隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行仿真計(jì)算流程。

6.全生命周期需求檢驗(yàn)

在仿真計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足相關(guān)要求之后，設(shè)計(jì)應(yīng)從項(xiàng)目全生命周期的角度檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。需要從施工過(guò)程需求、運(yùn)行管理需求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)檢驗(yàn)。施工過(guò)程需求檢驗(yàn)可以包括施工過(guò)程的模擬驗(yàn)證、工法的可行性模擬驗(yàn)證、施工機(jī)械的沖突檢驗(yàn)等。運(yùn)行管理階段的需求檢驗(yàn)可以包括運(yùn)行監(jiān)控需求檢驗(yàn)、設(shè)備檢修需求滿(mǎn)足、設(shè)備預(yù)留及預(yù)埋、結(jié)構(gòu)構(gòu)件定位編碼支持等檢驗(yàn)。如檢驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足要求，則進(jìn)行下一流程，如不滿(mǎn)足，則返回調(diào)整路線設(shè)計(jì)或隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行仿真計(jì)算流程。

（1）隧道施工過(guò)程的虛擬仿真技術(shù)

研究在BIM模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)隧道信息模型分類(lèi)編碼標(biāo)準(zhǔn)，將施工過(guò)程的施工工作分解（WBS）與隧道數(shù)字模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)中的時(shí)序數(shù)據(jù)，仿真模擬施工過(guò)程和施工工藝。在隧道施工過(guò)程的虛擬仿真過(guò)程中，檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（2）隧道性能仿真技術(shù)

采用融合隧道設(shè)計(jì)BIM模型數(shù)據(jù)，AR、VR可視化技術(shù)，以及微觀基于時(shí)間間隔和駕駛行為的交通仿真技術(shù)為手段，研究隧道性能仿真技術(shù)，仿真內(nèi)容包括可視化驗(yàn)證隧道線形設(shè)計(jì)、照明、通風(fēng)能力、各類(lèi)車(chē)輛通行能力及行車(chē)舒適性等是否滿(mǎn)足要求和預(yù)期。

融合隧道設(shè)計(jì)BIM模型數(shù)據(jù)與流體力學(xué)模擬和微觀交通仿真技術(shù)，研究隧道突發(fā)事件情況下的隧道火災(zāi)排煙、交通事故應(yīng)急救援等仿真模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道管養(yǎng)階段突發(fā)事件影響后果的模擬與評(píng)估，驗(yàn)證隧道響應(yīng)性能。根據(jù)仿真評(píng)定結(jié)果，驗(yàn)證并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，將建管養(yǎng)一體化理念融入設(shè)計(jì)。

7.數(shù)字化交付

在隧道設(shè)計(jì)完成仿真計(jì)算驗(yàn)證和全生命周期需求檢驗(yàn)之后，可以確定最終的隧道BIM設(shè)計(jì)。之后可以進(jìn)行設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付。數(shù)字化交付方式可以從四個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）BIM設(shè)計(jì)成果出圖。研究將公路BIM設(shè)計(jì)三維BIM模型通過(guò)剖視圖的方式或透視圖的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)表達(dá)。

（2）通用三維模型文件。研究將三維BIM設(shè)計(jì)成果輸出為動(dòng)態(tài)三維圖形展示格式，如PDF或Bentley imodel格式進(jìn)行成果交付。

（3）專(zhuān)用格式可視化交付。將BIM設(shè)計(jì)成果通過(guò)某些專(zhuān)用格式進(jìn)行交付，優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)靈活的可視化展示和數(shù)據(jù)查詢(xún)。

（4）通過(guò)云平臺(tái)在線交付。通過(guò)開(kāi)發(fā)在線云平臺(tái)，可以支持BIM模型數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)和其他相關(guān)工程數(shù)據(jù)及流程數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)將最終或階段性BIM設(shè)計(jì)成果發(fā)布到云平臺(tái)，方便快捷地交付給相關(guān)方進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)及反饋功能。

四、結(jié)語(yǔ)

以公路隧道為例，從設(shè)計(jì)技術(shù)的需求出發(fā)，對(duì)隧道智能仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探索和思考，構(gòu)建了基于BIM的智能仿真設(shè)計(jì)技術(shù)總體實(shí)施流程，對(duì)今后實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)和基于“以終為始”的設(shè)計(jì)理念的落實(shí)提供了基礎(chǔ)。但是在技術(shù)實(shí)施過(guò)程中還存在BIM數(shù)據(jù)融合共享和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)欠缺的問(wèn)題需要解決，任重而道遠(yuǎn)。