羅劍、胡火全

（江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

在公路隧道工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能實(shí)現(xiàn)可視化參數(shù)調(diào)節(jié)，會(huì)影響隧道工程設(shè)計(jì)效果。而BIM 技術(shù)具備可視化、建?；裙δ?，可以在模型構(gòu)建環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)提高工程隧道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效果有重要幫助。

1 BIM 技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)

對(duì)于BIM 技術(shù)的協(xié)同方式而言，其包含局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)，協(xié)同方式如圖1 所示。通過分析圖1 可知，各個(gè)專業(yè)的模型文件均作為本地文件的關(guān)聯(lián)文件，這種文件的布局形成工作集。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所有者在階段性工作完畢以后，只需要通過與中心文件進(jìn)行同步，就能達(dá)到分發(fā)當(dāng)前自己最新成果的目的。其他專業(yè)人員在該專業(yè)模型構(gòu)建時(shí)，只需要得到作者的授權(quán)則即可進(jìn)行模型的使用以及修改，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。基于網(wǎng)絡(luò)模型的系統(tǒng)原理以及工作流程，相關(guān)分院的設(shè)計(jì)人員只需要將模型文件上傳到服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)或是代理服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)模型的參考以及調(diào)用[1]。

圖1 BIM 協(xié)同及設(shè)計(jì)

2 三維設(shè)計(jì)流程探索與研究

應(yīng)做好線形和標(biāo)準(zhǔn)橫斷面的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，結(jié)合工程資料創(chuàng)建和調(diào)整三維模型。此種方式能夠基本表達(dá)整體設(shè)計(jì)思路，但存在以下問題：一是會(huì)導(dǎo)致緊急停車帶出現(xiàn)嚴(yán)重的變寬現(xiàn)象；二是無法及時(shí)調(diào)整局部的行車距離和隧道主洞的情況；三是隧道洞口等不同的構(gòu)件存在嚴(yán)重的精度不足。這些現(xiàn)象無法滿足設(shè)計(jì)要求。為了解決以上存在的問題，經(jīng)過研究與探索，總結(jié)出兩套具有參考性意義的隧道構(gòu)件處理方式。

2.1 族編輯器和驅(qū)動(dòng)調(diào)用的解決方案

在歐特克公司的支持下，所開發(fā)出的建筑三維建模軟件，能夠通過可視化編程做好適當(dāng)處理，是目前常見的一種隧道模型創(chuàng)建方法，更好地提升整體的效率和精準(zhǔn)度。Revite dynamo 的具體應(yīng)用操作如下：

2.1.1 挑選合適的族文件形成有效的隧道模型，確保精準(zhǔn)度的全面提升。

2.1.2 在節(jié)點(diǎn)文件的使用過程中，嚴(yán)格按照重復(fù)性的操作，打造有效的集成文件，提高工作效率。

2.1.3 做好精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的自定義服務(wù)，了解的文件內(nèi)容，通過統(tǒng)一化的處理方式，打造具有系統(tǒng)性的模型體驗(yàn)。該項(xiàng)方法在demo 軟件上得到了全面功能調(diào)整，為后期的各項(xiàng)推廣提供更多的選擇[2]。

2.2 三維線形放樣解決方案

這種方案是由本特利公司開發(fā)的，在三維建模軟件創(chuàng)建方法的基礎(chǔ)上，從不同設(shè)計(jì)角度進(jìn)行調(diào)整，保證整體的精確度和模型輕量化的特征。所以為了更好地進(jìn)行操作，要做出系統(tǒng)性調(diào)整。Power Civil 的具體應(yīng)用要點(diǎn)是：

2.2.1 發(fā)揮PC 端的優(yōu)勢(shì)，但是正面臨著以曲線方式形成橫斷面模型的一種落后形態(tài)。因此，選擇直線段的分割來進(jìn)行處理和創(chuàng)建。嚴(yán)格按照導(dǎo)入的最小限行機(jī)制，做好圓弧段和控制點(diǎn)的全面處理工作。

2.2.2 在緊急停車帶廊道兩端，需要對(duì)電纜溝蓋板外端頂點(diǎn)進(jìn)行全面約束，為后期公路變窄，做出適當(dāng)?shù)奶幚砗驼{(diào)整。

2.2.3 附屬構(gòu)件：通風(fēng)照明設(shè)備嚴(yán)格按照不同的輔助形式打造穩(wěn)定有效的軟件建模模型，逐步邁進(jìn)當(dāng)前的各項(xiàng)內(nèi)容，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和處理。為了方便后期的各項(xiàng)參數(shù)修改，只有做好隧道構(gòu)件庫(kù)的建設(shè)工作，確保整體效率的提升。

2.3 不同流程對(duì)比方案

Revit＋dynamo 的選擇方案是以拼裝模型作為主要的設(shè)計(jì)思路，通過參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的形式，實(shí)現(xiàn)dynamo的復(fù)雜體融合。憑借dynamo 中的編寫文件程序，確保了Revit 構(gòu)建過程中的批量化處理和定位操作，在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度模型的構(gòu)建，選擇合適的方案，為后期的信息傳達(dá)和效果展示提供更多的有效依據(jù)。但是這種方法也有其自身的劣勢(shì)。

國(guó)際教育數(shù)據(jù)挖掘?qū)W會(huì)認(rèn)為教育數(shù)據(jù)挖掘的主要目的為：利用數(shù)據(jù)挖掘的方法探索教育數(shù)據(jù)，幫助更好的理解學(xué)生以及學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境和背景，進(jìn)而預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者群體的學(xué)習(xí)效果[2]。學(xué)習(xí)分析則通過搜集教與學(xué)過程中的行為數(shù)據(jù)，并應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘的方法和模型，從多個(gè)維度深度挖掘有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，揭示其中隱藏的學(xué)習(xí)行為模式，預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)結(jié)果，從系統(tǒng)角度出發(fā)幫助學(xué)生、導(dǎo)師和教育管理者做學(xué)習(xí)和教學(xué)決策[3，4]。二者的關(guān)鍵不同在于教育數(shù)據(jù)挖掘側(cè)重于全自動(dòng)方法發(fā)現(xiàn)教育數(shù)據(jù)隱藏信息，更多的用于結(jié)果預(yù)測(cè)；學(xué)習(xí)分析則偏向于采用人為主導(dǎo)的方法分析教育數(shù)據(jù)，更多的用于為學(xué)習(xí)行為和現(xiàn)象尋找可解釋和可理解的模型[5]。

作為一種典型可視化的編輯操作界面，dynamo 的操作手續(xù)相對(duì)復(fù)雜。面對(duì)大體積量會(huì)對(duì)日常的運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響，整體的設(shè)計(jì)思路相對(duì)低端。Power Civil 思路的設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定的契合度，通過放樣融合的操作方式，可以保證平臺(tái)創(chuàng)建過程中的形態(tài)選擇，形成有效的模型構(gòu)建，確保整體的精準(zhǔn)度，使其符合目前的設(shè)計(jì)需求，并嚴(yán)格按照輕量化的操作方式，提升整體的承載性。參考方案流程特征對(duì)比詳見表1。

表1 施工方案流程比較

隨著BIM 技術(shù)在隧道項(xiàng)目中的推廣和使用，初步設(shè)計(jì)和施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)有了更加明確的方向，包括項(xiàng)目的審批和施工的前期準(zhǔn)備等各項(xiàng)復(fù)雜操作的內(nèi)容。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要嚴(yán)格按照建筑信息打造模型，使其具有高精度的形態(tài)。一般來說，在模型構(gòu)建中，涉及三維地質(zhì)模型、圍巖、鋼筋、木材等不同的信息形態(tài)。

從精度等級(jí)層面分析：包括主體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在多項(xiàng)設(shè)計(jì)方案和附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)下，形成穩(wěn)定的形態(tài)；模型的基本深度需要嚴(yán)格按照當(dāng)前內(nèi)容等級(jí)進(jìn)行確保，幾何尺寸的精確度也隨之提升，更好地呈現(xiàn)出物體的基本特征結(jié)構(gòu)。總的來說，只有做好整體的外貌特征設(shè)計(jì)，才有利于后期的施工準(zhǔn)備和模型的構(gòu)建。在BIM 技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，涉及很多詳細(xì)的信息數(shù)據(jù)，所以在確保基本要求滿足的前提下，需要綜合周圍的各項(xiàng)因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以提升設(shè)計(jì)效果。此次項(xiàng)目選用的是Power Civil 作為主要的建模設(shè)計(jì)軟件。

3 項(xiàng)目應(yīng)用狀況

3.1 項(xiàng)目開展?fàn)顩r

作為一段典型的控制性工程，此次施工的隧道主體是位于兩個(gè)城市區(qū)域的交界處。該地形特征復(fù)雜多變，據(jù)此判斷該地處于伏牛山系，海拔在700～1100m。面對(duì)復(fù)雜多變的地形結(jié)構(gòu)特征，需要設(shè)計(jì)6.537km 的隧道長(zhǎng)度。從隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，設(shè)置8 處車行橫通道和18 處人行橫通道。結(jié)合高速公路的設(shè)計(jì)內(nèi)容，當(dāng)前的公路等級(jí)和相關(guān)的內(nèi)容要嚴(yán)格按照規(guī)范推進(jìn)。行車的設(shè)計(jì)時(shí)速是100km。由于施工周圍的地質(zhì)相對(duì)堅(jiān)硬，整體的工程特征更加明顯。從當(dāng)?shù)氐牡叵滤闆r來看，主體的地質(zhì)構(gòu)造以塊狀基巖裂隙水為主。表現(xiàn)出相對(duì)松散的狀態(tài)。此次隧道以復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)作為主要的設(shè)計(jì)思路，方便后期的各項(xiàng)施工操作[3]。

3.2 三維建模實(shí)踐操作要領(lǐng)

3.2.1 在處理三維地形時(shí)，要時(shí)刻關(guān)注PC 中所選用的過濾器形式。直接關(guān)乎圖層、線形、顏色、高層等相關(guān)信息，并結(jié)合等高點(diǎn)和數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全面數(shù)據(jù)檢測(cè)。一般情況下，要以特征作為地形數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，打造具有典型意義的DTM 命名點(diǎn)?；诋?dāng)前算法，最終形成的地形表面呈現(xiàn)出小三角形的平面特征。特別是要關(guān)注周圍三個(gè)點(diǎn)的三角形創(chuàng)建，形成地形的基本形態(tài)。

3.2.2 三維地質(zhì)：做好鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)剖面圖的選擇和設(shè)計(jì)工作，嚴(yán)格按照三維巖型模型打造有效的空間。在同一巖層和設(shè)計(jì)的工程范圍面內(nèi)，為了維持整體的穩(wěn)定性，要確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)的充分發(fā)揮。所有的行程原理和流程要嚴(yán)格按照以下的工序推進(jìn)：首先，全面落實(shí)地勘數(shù)據(jù)的整理工作，形成有效的地形曲面；其次，系統(tǒng)中輸入鉆孔的具體數(shù)據(jù)，形成系統(tǒng)完備的巖層信息，并對(duì)相對(duì)高差進(jìn)行全面控制。在各項(xiàng)參數(shù)的共同作用下，地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各項(xiàng)信息可以進(jìn)行科學(xué)的把握和調(diào)整，并了解地形局面的各項(xiàng)高度類型，打造具有良好的剪面特征。通過具體數(shù)值的調(diào)整和構(gòu)建，形成穩(wěn)定的中層體，進(jìn)而打造具有良好性質(zhì)的地質(zhì)三維模型。

三維地質(zhì)的關(guān)鍵要素可以維持相關(guān)信息數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，確保地形數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)勘探的完整性，為后期的鉆孔數(shù)量和高程測(cè)量點(diǎn)的選擇提供更多的思路。地質(zhì)模型會(huì)呈現(xiàn)出更加明確的基本特征，尤其是在處理地形構(gòu)造時(shí)，要及時(shí)剔除個(gè)別極致點(diǎn)。做好兩點(diǎn)連線的控制工作，更加準(zhǔn)確有效地繪制出實(shí)踐地形模型。在處理地質(zhì)模型時(shí)，如果涉及許多其他方面的地質(zhì)土層，要充分結(jié)合目前的三維信息數(shù)據(jù)，做好人為判定機(jī)制的提升工作。完善當(dāng)前的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)信息，確保目前精確度和鉆孔的數(shù)據(jù)精確值，使其達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求。從理論的角度來看，三維地質(zhì)模型的精確度要有實(shí)際的勘察作為主要數(shù)據(jù)來源，并通過編審二維的方式實(shí)現(xiàn)高度一致的狀態(tài)。

3.2.3 三維路線模型：基于二維基礎(chǔ)全面升級(jí)原有的模型，對(duì)三維線形進(jìn)行轉(zhuǎn)換升級(jí)。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做好平面點(diǎn)的繪制工作，以此為基礎(chǔ)繪制縱斷面。設(shè)計(jì)時(shí)軟件會(huì)從大量的數(shù)據(jù)信息中出發(fā)，構(gòu)建起完整的三維線形。從實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)來看，不同方式的選擇可以維持縱斷面的設(shè)計(jì)有效性。

首先，結(jié)合設(shè)計(jì)文件的總體方案思路，將主線數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)融入三維地質(zhì)模型的構(gòu)件中，打造具有良好線路的方案，進(jìn)而為地質(zhì)巖層的各項(xiàng)數(shù)據(jù)提供更多的選擇。其次，在地質(zhì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還要保證沉降線路的各項(xiàng)要求，使其符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)。再次，在設(shè)計(jì)平面線路方案時(shí)，還要做好縱橫面的設(shè)計(jì)工作和處理了解當(dāng)前的基礎(chǔ)形式，打造具有良好意義的三維空間模型構(gòu)建，更好地推動(dòng)三維主性文件的內(nèi)容確立。最后，了解數(shù)據(jù)的各項(xiàng)內(nèi)容，把握通道和斜井的基礎(chǔ)部分。從PC 軟件的平面數(shù)據(jù)來看，隨時(shí)添加有效的內(nèi)容，打造具有三位一體的路線設(shè)計(jì)模型標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3.2.4 圍巖劃分：參考巖石的堅(jiān)韌程度和完整性，全面控制基本因素，特別是要關(guān)注定性特征和定量特征。在基本質(zhì)量指標(biāo)的修正環(huán)節(jié)中，隨時(shí)對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)判定，了解左右線和斜井圍巖的級(jí)別大小，確保隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)符合規(guī)范，使其具有良好的類型特征。進(jìn)出口端的圍巖整體等級(jí)是V級(jí)，表現(xiàn)出一種松散的狀態(tài)。結(jié)合洞口的控制級(jí)別，有效維持當(dāng)前的穩(wěn)定性能。一般會(huì)選擇錨桿噴射混凝土的方式進(jìn)行全面加固，并做好基礎(chǔ)性的防護(hù)工作。嚴(yán)格按照實(shí)體材料進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)出三維立體的模型特征，方便輕量化的設(shè)計(jì)和調(diào)整。

3.2.5 隧道橫斷面：從三維模型的原理出發(fā)，打造具有立體的隧道橫截面。在制作二維平臺(tái)的環(huán)節(jié)中，需要對(duì)橫斷面的模型文件內(nèi)容進(jìn)行完善升級(jí)，有效提升整體的精確度，形成穩(wěn)定的圓弧段，把握核心特征?？紤]到組件賦予的基本特征和特性，涉及初次和二次支護(hù)的操作內(nèi)容和形式。緊急停車帶攔道的兩端，需要通過有效的形式進(jìn)行約束，嚴(yán)格按照公路形態(tài)做好控制調(diào)整。

3.2.6 材質(zhì)定義：通過PC 高度自定義化，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)屬性的全面釋放。通過專用性的工作空間，把握核心構(gòu)件材質(zhì)。嚴(yán)格按照基本的定義做好全面添加。三維模型的實(shí)現(xiàn)可以高效渲染當(dāng)前的內(nèi)容，并結(jié)合特征屬性打造良好的形式。工程量統(tǒng)計(jì)和報(bào)表能夠彰顯出初期建構(gòu)的基本形態(tài)。

3.2.7 主洞、橫通道和其他細(xì)節(jié)：當(dāng)橫斷面模板和材質(zhì)庫(kù)形成體系后，就可以打造三維地形和地質(zhì)模型。依托相應(yīng)的軟件，形成系統(tǒng)的廊道功能。將隧道口的起點(diǎn)與終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接，調(diào)整當(dāng)前的輔助實(shí)體，實(shí)現(xiàn)布爾運(yùn)算。同時(shí)，在緊急停車帶要考慮電纜溝的下沉狀況，把握核心特征[5]。

3.2.8 處理緊急停車帶邊框部分的技巧和措施：全面控制樁號(hào)不同點(diǎn)的分布情況，及時(shí)編輯橫斷約束點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)路線變寬變窄時(shí)，還要結(jié)合設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

3.2.9 錨桿、鋼筋：隧道錨桿處理會(huì)選擇線單元進(jìn)行，并結(jié)合巖面的尺寸大小和數(shù)量規(guī)格，通過相關(guān)的軟件做好鋼筋的建模工作?，F(xiàn)有的軟件平臺(tái)以復(fù)雜節(jié)點(diǎn)作為有效的參考形式，特別是在隧道交叉處，打造具有良好穩(wěn)定的互動(dòng)平臺(tái)。

4 結(jié)論

為了發(fā)揮BIM 技術(shù)在隧道工程施工的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息共享，本文在分析BIM 技術(shù)各項(xiàng)參數(shù)內(nèi)容的同時(shí)，對(duì)隧道工程基礎(chǔ)性特征進(jìn)行分析，提出了BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)措施，且通過探討得出以下結(jié)論：其一，數(shù)據(jù)創(chuàng)建初期，從現(xiàn)階段的隧道內(nèi)容出發(fā)，把握核心方案標(biāo)準(zhǔn)，更好地解決模型的精度問題。通過不同方案的對(duì)比參考，全面拓寬BIM 技術(shù)的設(shè)計(jì)想法。其二，隧道設(shè)計(jì)階段主要基礎(chǔ)內(nèi)容是識(shí)記項(xiàng)目，故而從軟件參考出發(fā)形成三維的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證公路三維設(shè)計(jì)的可行性，方便后期的分析和處理。其三，隧道BIM 技術(shù)的應(yīng)用和探索具有明確的方向，并做好統(tǒng)計(jì)和進(jìn)度的模擬測(cè)試。在把握圍巖信息輔助功能的基礎(chǔ)前提下，通過三維模型的定義分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的設(shè)計(jì)，如此，才可以更好地推動(dòng)BIM 技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)的隧道工程建設(shè)提供科學(xué)有效的思路。