鐵路礦山法隧道BIM建模標準研究

翟世鴻，姬付全，王瀟瀟，陳富強，楊　釗

(1.中交第二航務工程局有限公司技術中心，武漢　430040；2.中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，武漢　430012)

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鐵路礦山法隧道BIM建模標準研究

翟世鴻1，姬付全1，王瀟瀟2，陳富強1，楊釗1

(1.中交第二航務工程局有限公司技術中心，武漢430040；2.中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，武漢430012)

摘要：針對鐵路礦山法隧道BIM模型使用需求，研究施工圖設計模型的構件命名規則與代碼規則，以及建模精度與信息粒度等模型創建要求，建立鐵路礦山法隧道施工圖設計模型，建模精度、構件信息粒度包含施工工序和傳統的二維施工圖設計信息。研究成果符合現行的鐵路隧道設計規范與標準要求，并結合依托工程得到成功實踐。

關鍵詞：鐵路隧道；礦山法隧道；BIM；構件命名；構件代碼；建模精度；信息粒度

1概述

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)表達了工程規劃、設計、施工、運營等全生命周期過程中創建、傳遞的數字化nD信息模型。主要包括設計階段的3D模型、施工階段的進度管理4D模型、進度和造價管理5D模型、運營階段的信息管理6D模型等[1]。BIM模型傳遞衍生過程中包含了大量的構件，信息量巨大，若缺乏科學的模型構件分類以及一致的代碼規則，將會極大地降低構件識別、信息傳遞的準確性和效率。因此，根據BIM模型使用需求，定義構件分類、代碼的標準十分關鍵。

歐美、日本和新加坡等國家已制定了相關的國家BIM技術標準，BIM技術普及率達60%～70%[2]。我國從2013年開始規劃BIM技術應用標準，國標《建筑工程設計信息模型交付標準》、《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》正處于修訂階段。中國鐵路BIM聯盟已發布行業級的《鐵路工程實體結構分解指南》和《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》[3，4]。因此，有必要對鐵路礦山法隧道BIM建模標準進行項目級的應用探索與研究，形成施工圖設計模型創建標準，對指導BIM建模與應用具有重要意義。

2相關術語

建筑信息模型(簡稱BIM模型，本文指隧道施工圖設計模型)：包含建筑全生命期或部分階段的幾何信息及非幾何信息的數字化模型。建筑信息模型以數據對象的形式組織和表現建筑及其組成部分，并具備數據共享、傳遞和協同的功能。

模型構件：表示完全或部分實現參數化設計的，構成BIM模型的基本對象或組件。

模型精細度：表示BIM模型包含的信息的全面性、細致程度及準確性的指標。

建模精度：在不同的模型精細度下，BIM模型幾何信息的全面性、細致程度及準確性指標。幾何精度采用兩種方式來衡量，一是反映對象真實幾何外形、內部構造及空間定位的精確程度；二是采用簡化或符號化方式表達其設計含義的準確性[5]。

信息粒度：在不同的模型精細度下，BIM模型所容納的幾何信息和非幾何信息的單元大小和健全程度。

幾何信息：表示BIM模型構件的空間位置及自身形狀(如長、寬、高等)的一組參數，通常還包含構件之間空間相互約束關系，如相連、平行、垂直等。

非幾何信息：表示BIM模型構件除幾何信息以外的其他信息，如材料、成本、配筋率、施工班組及工程量等參數信息。

3礦山法隧道BIM模型構件命名與代碼規則

3.1　構件命名規則

為保證模型構件的易認知性，并符合隧道設計原則，礦山法隧道BIM模型構件命名應包含構件類別、構件類型(圍巖級別、襯砌類型)等信息。

不同圍巖級別、不同地質條件下，隧道設計為不同的襯砌類型。隧道圍巖級別劃分為Ⅰ～Ⅵ六個等級[6]。在每一圍巖級別下，按巖石構造、地下水等地質條件劃分襯砌類型，以英文字母排序表達[7]。

命名規則如圖1所示，構件類別與構件類型之間用連字符“-”連接。

圖1　礦山法隧道BIM模型構件命名規則

限于篇幅，本文定義了Ⅴ級圍巖和a、 b襯砌類型的構件命名示例，如表1所示。

在表1中，側溝溝槽、中心蓋板溝等構件命名，均直接使用構件類別。隧道內部結構不受圍巖級別、襯砌類型的影響，構件命名不需考慮圍巖級別、襯砌類型的因素。

3.2　構件代碼規則

為表達構件對象在BIM模型中的唯一性，構件代碼應包含單位工程名稱、構件類別、構件類型(圍巖級別、襯砌類型)、里程等信息。

表1　礦山法隧道BIM模型構件命名示例

構件代碼規則如圖2所示，單位工程名稱首字母與構件類別首字母之間用連字符“-”連接，構件類型與里程之間用連字符“-”連接。

圖2　礦山法隧道BIM模型構件代碼規則

限于篇幅，本文定義了依托工程的BIM模型構件代碼示例，如表2所示。

表2　礦山法隧道BIM模型構件代碼示例

注：單位工程：清涼山隧道；里程：Dgk58+031

4礦山法隧道BIM模型精細度要求

4.1　模型精細度

目前，國外的模型精細度一般采用LOD等級，LOD被定義為100～500的5個等級，代表從工程的概念模型到竣工模型的整個過程[8]。而我國將BIM全生命期應用的模型精細度劃分為七個等級[9]：方案設計模型、初步設計模型、施工圖設計模型、深化設計模型、施工過程模型、竣工驗收模型和運維管理模型。

其中，施工圖設計模型精細度與傳統二維施工圖設計階段所要求的設計深度相對應[10，11]。模型構件應表現對應的結構實體的詳細幾何特征及精確尺寸，應表現必要的細部特征及內部組成。并且應包含在項目后續階段(如施工算量、材料統計、造價分析等應用)需要使用的詳細信息，具體包括：構件的規格類型參數、主要技術指標、主要性能參數及技術要求等。

綜上，研究的BIM模型精細度應使用施工圖設計模型等級。下面從模型建模精度和構件信息粒度兩方面表達施工圖設計模型精細度要求。

4.2　模型建模精度與信息粒度

構件單元表達構件在模型中的建模精度，宜結合施工工序管理要求，考慮建模難度，采用榀、縱向長度等單位。模型的信息粒度應符合模型精細度等級的規定，應包含幾何信息和非幾何信息，其中幾何信息應進行參數化設計。

模型的信息粒度與建模精度可不完全一致，應以模型信息作為優先的有效信息。由于技術條件的限制和實際操作的需要，模型的信息不一定能夠全部以幾何方式可視化表達出來。例如鋼筋混凝土，可以省略鋼筋構件，但其對應的屬性信息可具備更加豐富的信息內容，包括鋼筋的型號、配筋率、混凝土的體積、強度等級等。此類情況下，應以模型所承載的信息作為優先的有效信息。

礦山法隧道施工圖設計模型的建模精度與信息粒度統計見表3。

(1)超前小導管、中空錨桿、砂漿錨桿、鎖腳錨桿、管棚的構件單元，宜按一榀的組件形式，相鄰兩榀呈梅花狀布置；幾何信息應包括軸向長度La(m)、鋼管型號φ(mm)、外傾角θ(°)、榀間距Ld(mm)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(m)、鋼管質量(kg)、鋼型號H、里程。超前小導管構件單元見圖3。

圖3　超前小導管

隧道BIM模型構件構件單元幾何信息非幾何信息超前支護初期支護二次襯砌防水板超前小導管一榀管棚一榀噴射混凝土縱向長度L=0.5~3.5m中空錨桿一榀砂漿錨桿一榀鋼筋網一榀型鋼鋼架一榀格柵鋼架一榀仰拱縱向長度L=6~8m底板縱向長度L=6~8m拱墻縱向長度L=10~12m仰拱部防水板縱向長度L=6~8m拱墻部防水板縱向長度L=10~12m仰拱填充縱向長度L=6~8m中心蓋板溝側溝溝槽溝槽身縱向長度L=6~8m蓋板縱向長度L=6~8m溝槽身縱向長度L=6~8m蓋板縱向長度L=6~8m1.長度2.截面尺寸3.幾何特征1.類別2.類型3.代碼4.工程量(單位)5.里程6.材質7.貼圖

(2)鋼筋網的構件單元，宜按1榀的組件形式；幾何信息應包括環向長度Lc(m)、鋼筋型號φ(mm)、網格間距Ls(mm)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(kg)、鋼型號H、里程。鋼筋網構件單元見圖4。

圖4　鋼筋網

(3)型鋼鋼架、格柵鋼架的構件單元，宜按一榀的組件形式，且包含節點連接板、節點螺栓等細部構件；幾何信息應包括環向長度Lc(m)、榀間距Ld(mm)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(kg)、型鋼型號、鋼型號H、里程。型鋼鋼架構件單元見圖5。

圖5　型鋼鋼架

(4)噴射混凝土的構件單元，宜按循環開挖縱向長度，不同圍巖級別差別較大，一般為0.5～3.5 m；幾何信息應包括縱向長度L(m)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強度等級C、里程。噴射混凝土構件單元見圖6。

圖6　噴射混凝土

(5)仰拱構件單元，宜按模筑縱向長度，一般為6～8 m；幾何信息應包括縱向長度L(m)、厚度δ(cm)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強度等級C、鋼筋型號φ(mm)、鋼型號H、配筋率ρ(kg/m3)、里程。仰拱構件單元見圖7。

圖7　仰拱

(6)仰拱填充、底板的構件單元，宜按模筑縱向長度，一般為6～8 m；幾何信息應包括縱向長度L(m)、厚度δ(cm)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強度等級C、里程。仰拱填充構件單元見圖8。

圖8　仰拱填充

(7)拱墻構件單元，宜按模筑縱向長度，一般為10～12 m；幾何信息應包括縱向長度L(m)、厚度δ(cm)；非幾何信息應包括類別、類型、代碼、工程量(m3)、混凝土強度等級C、鋼筋型號φ(mm)、鋼型號H、配筋率ρ(kg/m3)、里程。拱墻構件單元見圖9。組合模型構件單元如圖10所示。

圖9　拱墻

圖10　組合模型

5結語

當前國內BIM技術在鐵路工程中的應用標準仍處于研究階段，尚未形成統一的標準體系。根據依托工程的BIM模型使用需求，對鐵路礦山法隧道BIM建模標準進行項目級的應用探索與研究，形成施工圖設計模型創建標準。

鐵路礦山法隧道BIM模型構件命名規則：構件類別-構件類型(圍巖級別、襯砌類型)；構件代碼規則：單位工程名稱-構件類別-構件類型(圍巖級別、襯砌類型)-里程。通過定義兩位的構件命名規則和三位的構件代碼規則，取得了很好的BIM模型使用效果。

建立了鐵路礦山法隧道施工圖設計模型，其建模精度、構件信息粒度滿足施工工序和傳統的二維施工圖設計信息要求，具有很好的工程管理實用性。

參考文獻：

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[3]中國鐵道科學研究院.鐵路工程實體結構分解指南[J].鐵路技術創新，2014(6)：1-334.

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[6]鐵道第二勘察設計院.TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

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[11]盧祝清.BIM在鐵路建設項目中的應用分析[J].鐵道標準設計，2011(10)：4-7.

Research on Standards for Building Information Model of Mining Railway Tunnel

ZHAI Shi-hong1， JI Fu-quan1， WANG Xiao-xiao2， CHEN Fu-qiang1， YANG Zhao1

(1.Technical Center of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430040， China;

2.No.5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430012， China)

Abstract：In view of the requirements for Building Information Model (BIM) of mining railway tunnel， this paper studies the naming and coding rules of components， the accuracy of modeling， and the granularity of information to establish the model of construction drawing design. The model contains the process of construction and the information of the traditional two-dimensional construction drawing design. The research results conform to the design specifications for railway tunnel and are proved practical in engineering.

Key words：Railway tunnel; Mining tunnel; BIM; Name of component; Code of component; Accuracy of modeling; Granularity of information

作者簡介：翟世鴻(1969—)，男，教授級高級工程師，1991年畢業于重慶交通學院，工學學士，E-mail：844366838@qq.com。

收稿日期：2015-05-18； 修回日期：2015-06-18

中圖分類號：U455

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.023

文章編號：1004-2954(2016)01-0107-04