董鳳翔，田明陽，曾昊，趙國強，李俊松

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

0 引言

自BIM技術(shù)引入鐵路行業(yè)以來，經(jīng)過前期研究與試點應(yīng)用完成了智能鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的搭建［1-2］，中國鐵路已進入智能鐵路發(fā)展的第2階段［3］，鐵路隧道BIM設(shè)計也由理論與試點研究［4-5］向基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的數(shù)字化和精細化設(shè)計應(yīng)用進行轉(zhuǎn)變［6］，初步具備了設(shè)計能力。但傳統(tǒng)設(shè)計存在設(shè)計數(shù)據(jù)易混淆、設(shè)計意圖表達不明確、專業(yè)協(xié)同不順暢等問題［7］，理論上采用BIM技術(shù)開展設(shè)計優(yōu)化能夠有效改善上述情況。由于缺乏BIM技術(shù)在隧道設(shè)計優(yōu)化方面的系統(tǒng)性研究，目前國內(nèi)外BIM技術(shù)在隧道設(shè)計的應(yīng)用還主要停留在模型建立和輔助設(shè)計階段，僅能開展簡單的碰撞檢查，無法利用BIM技術(shù)特點實現(xiàn)高效的設(shè)計優(yōu)化。針對行業(yè)現(xiàn)狀，中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司在前期CATIA平臺［8-9］和試點項目研究基礎(chǔ)上［10］，研發(fā)了基于BIM的鐵路隧道三維設(shè)計系統(tǒng)［11］，嘗試將BIM技術(shù)與隧道設(shè)計優(yōu)化有機結(jié)合。以某區(qū)段隧道設(shè)計應(yīng)用為例，探討說明利用BIM技術(shù)特點在傳統(tǒng)二維設(shè)計成果基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)計方案優(yōu)化、設(shè)計問題糾正以及提升設(shè)計精度，由此形成一套完整的技術(shù)方案，探索BIM技術(shù)在隧道設(shè)計中的應(yīng)用方向和潛在優(yōu)勢。

1 技術(shù)路線

經(jīng)過拉林鐵路、魯南高鐵等試點項目BIM技術(shù)應(yīng)用探索，總結(jié)出一套基于BIM技術(shù)開展隧道設(shè)計優(yōu)化的方法，將BIM技術(shù)與現(xiàn)有隧道設(shè)計流程相結(jié)合，利用BIM輔助隧道設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，顯著提高設(shè)計質(zhì)量，優(yōu)化的內(nèi)容可總結(jié)為設(shè)計方案優(yōu)化、設(shè)計問題糾正以及設(shè)計精度提升3個方面，其總體技術(shù)路線見圖1。

圖1 隧道設(shè)計優(yōu)化技術(shù)路線

在進行隧道方案比選時，結(jié)合線路、地質(zhì)、測繪等資料，利用BIM技術(shù)開展三維設(shè)計方案會審，在三維場景下對進出口里程、洞門結(jié)構(gòu)形式、輔助坑道方案等進行優(yōu)化，更精準(zhǔn)地確定設(shè)計方案；在隧道洞口、洞身等結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計過程中，采取二維設(shè)計和BIM設(shè)計并行開展的模式，對于可以實施正向設(shè)計的部分直接采用BIM設(shè)計，對采用二維設(shè)計的部分通過同步建立高精度BIM模型輔助二維設(shè)計，對二維設(shè)計中出現(xiàn)的設(shè)計錯誤、設(shè)計缺失及設(shè)計表達不明確問題進行糾正，提高設(shè)計質(zhì)量；在設(shè)計成果基本形成時，結(jié)合BIM模型對隧道設(shè)計細節(jié)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程數(shù)量以及其他專業(yè)接口位置等方面做進一步深化，提高交付成果精度。

2 優(yōu)化設(shè)計方案

優(yōu)化設(shè)計方案是指在方案設(shè)計階段利用BIM技術(shù)的參數(shù)性、專業(yè)性、協(xié)同性等特點快速地綜合各類數(shù)據(jù)信息，對設(shè)計初期一些關(guān)鍵設(shè)計信息或參數(shù)進行定性判斷，得出較為合理的設(shè)計方案，避免后期出現(xiàn)不必要的方案錯誤，從而提升設(shè)計質(zhì)量。通過結(jié)合快速生成的BIM模型與地形、地質(zhì)模型，形成多種方案比對，從而初步對隧道設(shè)計方案進行定性判斷，分析設(shè)計方案的合理性和正確性。現(xiàn)以進出口里程判定、洞門結(jié)構(gòu)形式選擇及輔助坑道線位比選這幾方面內(nèi)容為例說明。

2.1 進出口里程判定

隧道進出口里程判定需要結(jié)合線路、地質(zhì)、隧道等多個專業(yè)進行綜合研判，傳統(tǒng)設(shè)計需要分別對地質(zhì)橫斷面和隧道結(jié)構(gòu)在不同線路里程進行處理，無法及時獲得隧道進出口里程設(shè)計必要的信息，造成設(shè)計流程上的延遲。在洞口范圍生成一段隧道襯砌，結(jié)合地質(zhì)縱斷面，以暗洞襯砌結(jié)構(gòu)線為參照初判明暗分界里程。遵循“早進洞，晚出洞”原則以及“零仰坡進洞”原則，在三維設(shè)計環(huán)境中快速、實時的多視角聯(lián)動查看不同洞口各結(jié)構(gòu)里程位置，研究各里程斷面洞頂與地面線的位置關(guān)系，選擇判定最優(yōu)的隧道進出口里程。此外，通過測定擬定隧道結(jié)構(gòu)線與地面線間距，選擇較優(yōu)的襯砌布設(shè)位置，盡量減少洞口開挖，選定隧道明暗分界里程（見圖2）。

圖2 選定里程的隧道剖切視圖

2.2 洞門結(jié)構(gòu)形式選擇

隧道洞門結(jié)構(gòu)跟進出口里程、地質(zhì)、地形有緊密關(guān)聯(lián)，二維設(shè)計方式時常選擇典型洞門結(jié)構(gòu)斷面結(jié)合地質(zhì)橫斷面與其他資料進行判斷，然而資料分布在不同專業(yè)不同圖紙中，不能實現(xiàn)實時設(shè)計?；贐IM技術(shù)可以實現(xiàn)雙耳墻式洞門、柱式洞門、斜切式常用洞門等形式參數(shù)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上快速生成參數(shù)化模型并沿線路布置，形成不同洞門結(jié)構(gòu)形式在含有三維地質(zhì)、實景地形的三維場景中進行比選。在洞口范圍地質(zhì)縱斷面界面，以明洞襯砌基底結(jié)構(gòu)線為參照，初判洞門結(jié)構(gòu)位置，分析洞門結(jié)構(gòu)實施場地條件，初定洞門結(jié)構(gòu)形式。協(xié)同路基、橋梁等接口專業(yè)，確定洞門結(jié)構(gòu)形式、明洞襯砌范圍。示例隧道出口地形較緩，為與地形相協(xié)調(diào)，最終采用雙耳式洞門（見圖3）。

圖3 選定洞門形式的模型視圖

2.3 輔助坑道線路比選

二維設(shè)計中輔助坑道線路分別由平、縱斷面構(gòu)成，并需要結(jié)合地質(zhì)平面判斷方案優(yōu)劣，難以直觀地對線路方案進行選擇。利用三維BIM設(shè)計系統(tǒng)中的輔助坑道線路設(shè)計工具，編輯平縱斷面設(shè)計信息，快速生成三維輔助坑道線位，放置洞門結(jié)構(gòu)簡易模型，結(jié)合地形、地質(zhì)等，實現(xiàn)輔助坑道線位快速比選。例如，結(jié)合地形模型發(fā)現(xiàn)方案2線路方案埋深過大，且線路出口位置地形較陡，而方案1線路出口地形較緩，綜合判斷應(yīng)選擇線路方案1更優(yōu)（見圖4）。若結(jié)合地形模型無法區(qū)分方案優(yōu)劣，還可以導(dǎo)入實景模型以快速判斷輔助坑道線路出口位置是否涉及溪流、房屋、耕地等影響因素。

圖4 輔助坑道線路生成與比選

3 糾正設(shè)計問題

設(shè)計問題是指由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計造成的標(biāo)注錯誤與計算錯誤、設(shè)計過程中的繪制缺失與二維圖面的局限性造成的設(shè)計表達不清等問題。這類問題往往隱藏在海量的圖面信息中不易查找，卻影響設(shè)計質(zhì)量，利用BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)集成、可視性等特點可以避免此類問題，提升設(shè)計質(zhì)量，以下通過BIM技術(shù)對設(shè)計錯誤、設(shè)計缺失及設(shè)計表達不清這3類問題舉例說明。

3.1 設(shè)計錯誤

由于傳統(tǒng)二維設(shè)計數(shù)據(jù)分散無法集中審查保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一，常導(dǎo)致文字注釋錯誤、數(shù)據(jù)計算錯誤、設(shè)計繪圖錯誤等情況出現(xiàn)，例如附屬洞室與橫通道碰撞沖突、不同圖面構(gòu)件標(biāo)高不同、里程冠號標(biāo)注錯誤等情況。基于BIM技術(shù)的洞口設(shè)計采用三維交互設(shè)計模式，洞身設(shè)計則采用“二維設(shè)計—數(shù)據(jù)庫集成—三維設(shè)計”的同步設(shè)計模式［11］，兩者均可以保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一，所用數(shù)據(jù)都出自同一數(shù)據(jù)源，在一定程度上避免上述設(shè)計錯誤，從而糾正設(shè)計問題。以里程冠號填寫錯誤為例，由于數(shù)據(jù)來源不同：縱斷面圖中的里程來源于線路數(shù)據(jù)，襯砌表中的里程是Excel數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)出的結(jié)果呈現(xiàn)，兩者冠號因此出現(xiàn)偏差，類似的問題很多，若逐一核查必然會耗費大量時間?；贐IM設(shè)計優(yōu)化，讀取襯砌分段數(shù)據(jù)庫或?qū)胪獠繑?shù)據(jù)，通過關(guān)聯(lián)綁定的斷鏈表信息，自動判斷里程正確性即可避免冠號拼寫問題（見圖5）。

圖5 里程拼寫檢查

3.2 設(shè)計缺失

設(shè)計缺失問題是指設(shè)計圖缺少部分關(guān)鍵標(biāo)注、圖標(biāo)及圖面元素，這類問題隱藏在二維圖面中不易發(fā)現(xiàn)，例如換填只有正面圖缺少縱斷面表示、洞口黏土隔水層未標(biāo)明坡度、加固樁缺少中心里程、開關(guān)洞襯砌未標(biāo)明側(cè)向等情況。BIM設(shè)計過程中，BIM模型需要全套設(shè)計參數(shù)才能建立，因此在三維模型建立的過程中能夠有效地找到圖紙設(shè)計缺失的問題。以開關(guān)洞襯砌未標(biāo)明側(cè)向標(biāo)注為例，通過隧道洞身批量建模工具可以查詢到隔離開關(guān)襯砌缺少側(cè)向測試導(dǎo)致無法正確布置相應(yīng)襯砌類型，修改補充設(shè)計參數(shù)后才能建立三維模型，完成洞身模型的布置（見圖6），從而糾正設(shè)計缺失的問題。

圖6 隔離開關(guān)襯砌在三維模型中的表達

3.3 設(shè)計表達不明確

設(shè)計表達不明確是指傳統(tǒng)二維設(shè)計受二維表達局限性，造成設(shè)計表達模糊、矛盾，用圖人員無法明白設(shè)計意圖，例如洞口排水溝走向不明確、隧道襯砌參考圖中心水溝的位置與工點設(shè)計表達矛盾、洞口回填斷面不合理、洞口耳墻排水溝與截水天溝無法順接。基于BIM技術(shù)，結(jié)合平立剖二維視圖形成三維模型，借助三維設(shè)計的多角度可視性、模型全面性解決二維表達中存在的不直觀、不全面情況，以此發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題提升精度。以耳墻排水溝與截水天溝順接為例，二維設(shè)計中顯示耳墻排水溝與截水天溝能夠自然順接，而三維模型中結(jié)合地形模型建立截水天溝經(jīng)及耳墻排水溝，發(fā)現(xiàn)兩者高差達5 m無法直接順接（見圖7），從而核查出設(shè)計問題。

圖7 洞口耳墻排水溝與截水天溝高差過大

4 提升設(shè)計精度

提升設(shè)計精度是指基于BIM模型提升設(shè)計圖紙的表達精度、提升工程數(shù)量的準(zhǔn)確度、提升工程交界處和接口位置的設(shè)計精度等。通過集成地形、地質(zhì)、既有構(gòu)筑物等三維模型構(gòu)建設(shè)計環(huán)境，利用三維設(shè)計手段形成BIM模型，基于該模型來細化圖紙線條與尺寸，提取三維構(gòu)件的體積或表面積，多專業(yè)協(xié)同處理接口位置或工程交界處的銜接問題，實現(xiàn)借助BIM技術(shù)來提升隧道工程設(shè)計品質(zhì)和工作效率的目標(biāo)。

4.1 邊仰坡開挖設(shè)計

鐵路隧道洞口地形勘測數(shù)據(jù)量很大，二維表達方式存在數(shù)據(jù)量有限、彼此割裂等缺點。邊仰坡開挖設(shè)計過程時，地形數(shù)據(jù)調(diào)用不便捷、整體利用率低等問題成為制約進度、影響設(shè)計質(zhì)量的重要原因?；贐IM技術(shù)，將勘測數(shù)據(jù)集成為三維地表模型，在設(shè)計過程中按需快速提取使用，結(jié)合地質(zhì)模型研判擋護措施與開挖坡度后，對原地表模型進行開挖形成開挖后地表模型，充分利用外業(yè)勘測數(shù)據(jù)以提升設(shè)計深度和精度。例如：綜合洞口地形、主體結(jié)構(gòu)開挖邊仰坡，優(yōu)化邊仰坡設(shè)計，可得到精確的坡口線（見圖8）。

圖8 BIM輔助優(yōu)化邊仰坡開挖設(shè)計

4.2 復(fù)雜部位工程量

鐵路隧道明挖段采用二維設(shè)計方式時，開挖、回填、坡面防護等工程量一般采用典型斷面面積粗算，在地形變化或結(jié)構(gòu)變化較復(fù)雜的地段，工程量越大，數(shù)據(jù)偏差越大。較為異形的圬工體，方量計算基本為粗算，單個工點看似數(shù)量不大，全線累計數(shù)量不可忽視。基于BIM設(shè)計成果，能快速準(zhǔn)確提取諸如開挖方量、回填方量、防護面積、異形結(jié)構(gòu)體積等數(shù)據(jù)，進一步提升隧道工程數(shù)量的準(zhǔn)確度。基于洞口工程設(shè)計BIM模型，提取異形圬工方量見圖9。

圖9 基于BIM模型提取圬工方量

4.3 工程交界處設(shè)計

鐵路隧道工程交界處可能出現(xiàn)的接口問題主要有電纜槽錯位、排水不暢、邊坡不順等，其主觀原因是專業(yè)間協(xié)調(diào)不夠，客觀原因是二維設(shè)計模式的方法和手段受限?；贐IM設(shè)計成果，直接在可視化環(huán)境中查看相鄰工程的電纜槽、排水、邊坡等銜接情況，發(fā)現(xiàn)問題反饋設(shè)計人員進行修改，提高隧道工程交界處接口設(shè)計質(zhì)量。例如，基于隧道洞口工程和相鄰橋梁工程BIM模型，順接隧道明洞邊坡和橋臺開挖邊坡，順接電纜槽，順暢該區(qū)域排水系統(tǒng)（見圖10）。

圖10 BIM輔助工程交界處設(shè)計

5 案例應(yīng)用

西部某高速鐵路重慶段13座隧道設(shè)計過程中，總體組制定了《基于BIM技術(shù)的設(shè)計優(yōu)化及審核指南》，要求利用BIM模型對設(shè)計成果進行檢查、優(yōu)化及審核，并最終向建設(shè)單位提交“圖模一致”的BIM模型。

5.1 設(shè)計優(yōu)化概況

在業(yè)主下達本項目BIM設(shè)計優(yōu)化及交付工作要求后，首先對13座隧道的設(shè)計優(yōu)化工作進行了總體布局，其中3座隧道由于已經(jīng)完成隧道方案審定，主要開展糾正設(shè)計問題及提升設(shè)計精度2方面優(yōu)化，另外10座隧道則選取了1座隧道試點開展BIM正向設(shè)計，其余9座隧道按照正常的優(yōu)化流程及內(nèi)容開展工作。在完成全部13座隧道BIM設(shè)計優(yōu)化后，總計發(fā)現(xiàn)問題80處，經(jīng)與相關(guān)設(shè)計人員確認后，最終對設(shè)計過程中設(shè)計高程、工程數(shù)量、設(shè)計方案及施工圖圖面4個方面共54處問題實現(xiàn)了優(yōu)化，顯著提高了最終交付藍圖的質(zhì)量。經(jīng)估算，本次設(shè)計優(yōu)化工作預(yù)計減少后期變更13次，可節(jié)省投資超過1 000萬元。

5.2 重點問題舉例

在利用BIM開展設(shè)計優(yōu)化工作中，發(fā)現(xiàn)了一系列利用傳統(tǒng)設(shè)計校核流程難以發(fā)現(xiàn)的問題，此類問題主要是由于各圖紙之間缺乏關(guān)聯(lián)性且二維斷面無法準(zhǔn)確表達隧道各個節(jié)點位置的真實情況，主要集中在復(fù)雜交叉節(jié)點設(shè)計、洞口設(shè)計、與其他專業(yè)接口設(shè)計等位置。

（1）挖方體檢算。隧道3號斜井洞口采用樁柱式洞門，同時該處地勢陡峭，隧道洞口填挖方量均較大。由于洞口結(jié)構(gòu)特殊、邊仰坡形式復(fù)雜，傳統(tǒng)二維設(shè)計無法準(zhǔn)確計算該處工程數(shù)量，該隧道負責(zé)人提出希望利用BIM模型對該洞口工程數(shù)量進行校核。針對挖方量，BIM設(shè)計人員利用二維設(shè)計圖紙建立施工圖精度BIM模型并結(jié)合測繪專業(yè)提供的高精度地形模型準(zhǔn)確提取出了該洞口挖方體，測量出該挖方體為2.2萬方（見圖11），而采用二維斷面法計算挖方量為3.1萬方，誤差高達40%。此外，通過BIM模型計算的回填量、圬工量均與二維設(shè)計計算結(jié)果有較大誤差，后續(xù)交付的圖紙均按照BIM設(shè)計得出的工程數(shù)量進行了修改。

圖11 隧道挖方體提取

（2）與路基接口優(yōu)化。隧道進口接站場路基，通過合模發(fā)現(xiàn)站場聯(lián)絡(luò)線位置截水天溝與隧道洞口回填及永久邊坡發(fā)生碰撞。經(jīng)過與路基專業(yè)及站場專業(yè)溝通，優(yōu)化了該處排水結(jié)構(gòu)，將聯(lián)絡(luò)線路基天溝提前接入隧道截水天溝同時增大截水天溝斷面面積，最后由隧道截水天溝順接了正線路邊溝（見圖12）。

圖12 接口處設(shè)計優(yōu)化

6 結(jié)論

基于BIM技術(shù)的鐵路隧道設(shè)計優(yōu)化，可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題并通過BIM模型實時、快速地實現(xiàn)成果優(yōu)化，結(jié)合西部某高速鐵路重慶段設(shè)計優(yōu)化成果，得出以下幾點結(jié)論：

（1）基于BIM技術(shù)的隧道設(shè)計優(yōu)化在隧道方案比選、詳細設(shè)計、圖紙審查等隧道設(shè)計的各個階段均可行且有效。

（2）在隧道復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程數(shù)量計算與其他專業(yè)接口設(shè)計等方面，利用BIM技術(shù)開展設(shè)計優(yōu)化，可顯著提升設(shè)計質(zhì)量、提高設(shè)計精度、減少后期變更。

（3）基于BIM的設(shè)計優(yōu)化將諸多施工階段才能發(fā)現(xiàn)的問題前置解決，雖然需要在設(shè)計階段投入額外的人力開展BIM工作，但對整個項目而言，帶來的收益遠大于人力投入。