田明陽，曾昊，汪明，曹力

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

1 鐵路隧道洞身BIM設計概述

1.1 設計流程

自2013年BIM技術引入我國鐵路工程行業(yè)［1］，依托原中國鐵路總公司16項BIM試點項目，行業(yè)內先后針對BIM技術標準、應用進行了多項探索［2］。然而，針對鐵路隧道工程設計階段的BIM技術應用依舊缺乏正向設計解決方案，實際項目中仍以設計、翻模平行進行的模式開展。為此選擇Bentley ORD平臺采用C++與C#混合編程的形式進行二次開發(fā)，遵循傳統設計模式提出鐵路隧道洞身BIM設計流程（見圖1）。以三維線路、地形模型、地質體為基本設計數據，結合地質資料依次開展襯砌分段、工法分段及錨段插入、洞室布置等，縱斷面設計依據傳統設計方式，在二維縱斷面圖表中以交互形式進行設計，同時實現數據庫、二維設計數據、三維設計模型的動態(tài)同步建立。依據設計數據實現工程量的自動計算，在洞身工點設計與工程量統計的基礎上完成部分洞身設計圖表的輸出。設計過程中，利用隧道模型及其附加信息開展隧道施工模擬、圍巖及風險分布等隧道BIM綜合應用輔助設計。

圖1 鐵路隧道洞身BIM設計流程

1.2 數據準備

通過線路設計工具對接線路數據庫文件中的坡度表、曲線表及斷鏈表等設計要素，生成隧道三維線路文件（見圖2），該線路文件依據絕對坐標產生，因此基于該三維線路文件布置的隧道模型也具有真實坐標［3］。

圖2 三維線路文件生成

地質信息模型采用EVS軟件建立［4］，由工程地質平面圖、地質縱斷面圖、鉆孔數據、物探數據等多源數據組成，保證專業(yè)數據的完備性和正確性。利用鉆孔數據和地形數據進行初步巖性建模，根據巖性建模結果和區(qū)域地質情況分區(qū)域進行三維層序劃分；根據層序劃分結果進行地層建模，然后根據剖面數據、區(qū)域地質數據等進行模型修正和細化。得到成果模型后，對模型進行相關展示，并存儲為所需格式。由EVS創(chuàng)建的模型也可導出為DGN、DWG、SHP等格式文件，在其他軟件中打開操作和編輯，或整合其他地面數據信息。導出Bentley平臺地質信息模型附加相關屬性，為隧道洞身設計開展提供同平臺基礎數據。地質信息模型生成與導出示意見圖3。

圖3 地質信息模型生成與導出示意圖

2 鐵路隧道洞身BIM設計方法研究

2.1 標準斷面庫創(chuàng)建與維護

標準斷面庫創(chuàng)建分為兩部分：一個是定義斷面組成邏輯，另一個是邏輯結構下幾何參數設置。首先根據項目需要選用數據庫中的基礎模板應用或在此基礎模板上修改構成邏輯，構成邏輯包含基本邏輯和細節(jié)邏輯，基本邏輯是指單心圓、三心圓、五心圓等隧道內輪廓形式；細節(jié)邏輯是指某種輪廓形式下隧道組成方式，如組成邏輯中定義中心管為圓形則輸入參數里中心管參數為半徑、壁厚等，若組成邏輯中定義其為矩形則參數為寬、高及壁厚等，以圖形選項的交互方式實現。在定義好斷面組成邏輯后，在預設參數基礎上調整參數，完成定義不同類型斷面形式，并按照《鐵路工程信息模型存儲標準（1.0版）》［5-6］對斷面中的結構單元添加通用屬性信息。斷面類型、參數與數據庫同步，并檢查重復和異常的參數項，檢查通過后儲存在標準斷面數據庫中供后續(xù)應用。隧道標準斷面創(chuàng)建示意見圖4。

圖4 隧道標準斷面創(chuàng)建示意圖

標準斷面庫維護可通過選擇斷面類型改變邏輯類型或調整參數，也可導入Excel批量修改多個斷面參數。

2.2 縱斷面設計

縱斷面設計采用“二維設計—數據庫集成—三維設計”同步開展的模式進行（見圖5）。初始化縱斷面參數，根據選擇隧道基礎信息推薦默認比例尺及預設表頭模型，選定參數后生成二維縱斷面設計表格。由地質信息及數據庫參數初始化表格自動生成的內容包括：根據圍巖地質信息數據劃分圍巖分級、根據坡度表及豎曲線公式自動計算的設計高程及設計坡度、根據地質體模型及隧道進出口里程得出的地面高程、根據分段情況劃分里程標注等。

圖5 縱斷面聯動設計

完成縱斷面初始化后，通過插入、移動、合并、修改等基礎設計工具對襯砌分段進行設計調整，該過程中二維設計結果與數據庫實現數據同步，同時結合標準斷面庫與二維襯砌分段生成三維隧道洞身模型，實現“二維設計—數據庫—三維設計”之間的關聯。三維洞身模型采用Mesh形式提高生成效率，結合地質體模型反映縱斷面工點設計與隧道地層巖性分布、不良地質情況分布等地質信息間的空間關系，及時優(yōu)化襯砌分段結果。在襯砌分段的基礎上，選擇更新功能，結合數據庫中的“支護字典”實現對施工方法與超前支護的自動劃分。在自動劃分的基礎上再對施工方法與超前支護進行二次劃分，其中針對超前支護類型以附加信息的方式可以修改“每環(huán)根數”“每環(huán)管棚長度”“縱向間距”“延米注漿量”，為隧道洞身工程量計算提供基礎數據。最后按照下錨段排布規(guī)則，以襯砌組的方式插入下錨段，插入下錨段繼承原有襯砌基本類型。

2.3 附屬洞室布置設計

對長度大于500 m的鐵路隧道，完成洞身襯砌分段后，均需進行附屬洞室布置設計（見圖6）。根據隧道設計規(guī)范及設計原則中對避車洞、梯車洞、電纜余長腔等隧道中常規(guī)洞室的布置要求，按照一定間距進行常規(guī)洞室布置，在布置的同時參考襯砌分段結果，對部分洞室位置進行微調，避開襯砌分段、輔助坑道交叉口等位置，最后根據四電專業(yè)提資要求的特殊洞室位置布置特殊洞室，同時按照最優(yōu)布置原則盡量使常規(guī)洞室與特殊洞室合并共用。特殊洞室布置完成后，將附屬洞室布置數據存入縱斷面設計數據庫中，并在縱斷面設計圖上繪制附屬洞室布置圖及洞室表。

圖6 附屬洞室布置流程

結合縱斷面設計數據庫中的洞室位置，通過各附屬洞室標準單元庫，在洞身模型上完成附屬洞室模型的生成，并完成與正洞的剪切。

2.4 參考模型設計與工程量計算

隧道縱斷面設計與附屬洞室布置完成后，對數據完備性與正確性進行檢查，檢查通過后進入工程量計算階段。為保證工程量計算結果能夠滿足設計要求，提供參考模型與工程量計算表2種算量模式。

參考模型是根據標準斷面信息庫數據，應用參數化建模和共享單元的方式建立長10 m、精度達LOD350的參考模型（見圖7）。參考模型在準確表達參考圖設計意圖的同時，也將每延米隧道洞身工程量計算結果信息添加至對應構件，作為計算依據。參考模型與基本隧道模型擁有共同ID，通過該ID可在基本模型中查看參考模型的幾何和非幾何信息。調用與襯砌分段信息對應整個隧道洞身的標準斷面類型、分段長度及每延米工程數據，可計算得到隧道洞身或部分工區(qū)的工程量。

圖7 參考模型小導管信息

工程量計算表的形式是導出數據庫中縱斷面設計所形成的工點數據，調用工程量計算表轉譯到程序內的計算公式，計算得出選定工區(qū)范圍內工程量結果，并按相應格式輸出Excel表格。若出現計算方式變化或需獲取中間計算的情況，也可通過導入計算Excel表格的方式完成工程量計算。計算結果存儲在數據庫，以便完成相關圖表數據的生成，同樣也可導出含有計算結果的Excel表格，以傳統方式完成相關工作。

3 鐵路隧道洞身BIM應用方法研究

3.1 圍巖及風險分布

隧道設計方案在三維場景中實時呈現可為隧道工點設計、參考圖設計提供設計參考。隧道洞身BIM設計完成后，可結合GIS平臺，利用BIM技術可視化、信息集成的特點，實現隧道設計方案的多方位展示與分析。在隧道地質體模型、三維線路模型基礎上，讀取數據庫中的隧道設計信息，在GIS平臺中動態(tài)生成簡化隧道模型，并根據選擇設計信息類型對簡化隧道模型進行類別區(qū)分，可實現隧道圍巖等級、隧道風險分布（見圖8）、襯砌類型、施工方法、超期支護措施等多類設計信息的可視化表達。輸入里程樁號或選擇襯砌段落，獲取區(qū)間地質信息、隧道斷面類型及相應參數，結合地質信息模型完成對隧道設計方案的輔助優(yōu)化，同時在GIS平臺三維場景中對隧道工程的工程概況、地質條件、設計方案、主要風險、技術支撐等信息進行管理和展示。

圖8 標準斷面創(chuàng)建工具

3.2 隧道施工組織模擬

傳統二維設計中，隧道施工組織需進行抽象的進度計算和圖形處理［7］，難以直觀反映隧道施工組織設計內容。利用BIM技術可實現隧道施工組織設計的控制，并為后續(xù)施工管理提供基礎數據。導入BIM模型或在GIS平臺中動態(tài)生成簡化隧道模型，通過施工組織設計模塊完成施工速度、施工時長的設置（見圖9），再結合縱斷面設計結果完成三維BIM構件的時間定義。在GIS平臺中對BIM 4D數據進行整合，完成三維構件定位及時間線關聯，實現隧道施工組織動態(tài)模擬（見圖10）。

圖10 隧道施工組織動態(tài)模擬

利用該功能開展隧道施工組織會審，綜合了隧址區(qū)三維地形、地質體模型及正洞與輔助坑道洞口傾斜攝影、主體結構等模型，結合計劃進度指標、工期安排等信息，形象展示各工點施工范圍、完成時間、貫通位置、洞口場地情況，為隧道施工組織提供會審服務。

4 結束語

在我國鐵路隧道智能化發(fā)展的背景下［8-9］，BIM技術將會更多應用到鐵路隧道建設的各個環(huán)節(jié)，只有更深入地將開發(fā)方向與設計需求相結合，才能切實推動BIM技術在設計階段的落地。

基于Bentley平臺研究了基于BIM技術的隧道洞身工程設計與應用方法，在Bentley原生功能基礎上根據設計實際需求進行二次開發(fā)，通過“二維設計—數據庫集成—三維設計”的模式開展鐵路隧道洞身縱斷面設計、附屬洞室布置及工程量計算等工作。現階段基于BIM技術的隧道三維設計還不能完全取代傳統二維設計方式，采用該模式在完成二維設計過程中同步完成隧道三維模型，利用BIM設計的信息集成、可視化等特點，實現提升縱斷面設計效率、改善附屬洞室方案布置、更新隧道施工組織方案設計思路。采用數據庫的方式對二維設計信息及三維模型數據進行統一整合，避免傳統設計中數據分散的問題，同時也為三維設計提供數據接口。