BIM技術在隧道工程中的應用

孫 輝

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

BIM(Building Information Modeling)，即建筑信息模型，是利用數字仿真技術集成項目建設全過程信息的三維數據模型，擁有信息關聯性、完備性、一致性、模擬性、協調性、優化性和可視化、可出圖等諸多優勢特點，建設方借助這一技術手段，能夠實現工程項目全過程精細管理[1]。BIM作為建筑行業、機械工程、電子設備等領域具有劃時代意義的熱點技術，在隧道建設中的應用，尚處于低水平的起步階段[2]。以往的建設經驗表明，在隧道建設中引入BIM，可以實現隧道建設全過程信息共享、優化隧道生產方式和設計理念、提升隧道施工質量、保證隧道運營穩定，為隧道建設縮短工期和節約成本提供了有效的技術支持[3]。

1 BIM應用概況

1.1 BIM在地鐵隧道中的應用

地鐵建設通常在地下開挖，環境復雜，施工空間狹小。對前期設計精準度和施工精細程度要求較高。BIM技術在設計和管理上的巨大優勢使其在軌道交通建設中的應用較廣[4]。目前國內地鐵隧道的站臺建設中BIM技術應用較為集中，區間隧道建設BIM應用案例相對罕見[5]。BIM模型的優勢在于能夠與周邊GIS數據整合，并將隧道實時施工進度、結構變形數據、構筑物傾斜沉降數據以及地面沉降數據等監測信息一目了然地呈現在可視化模型上，相關單位基于此模型可以對施工現場進行及時調整、實現精準管控[6]。

1.2 BIM在市政隧道中的應用

市政隧道由于埋深淺，通常采用明挖施工，其上重要管線及周邊建筑物等對地面沉降控制要求極高[7]，且下穿道路、鐵路或越江隧道較為常見，地表交通異常復雜，導致市政隧道的建設獨具難點。國內某設計研究院先后在一些市政隧道建設的早、中、后期分別探索了BIM技術在模型可視化交底、模型出圖、碰撞檢查、施工過程模擬及工程量統計等方面的應用，取得了一定的效果。

1.3 BIM在山嶺隧道中的應用

山嶺隧道長度相對較大，有幾百米到幾十公里不等，且地表埋深大、體量也大，而且要面對各種復雜的地形地質，如斷層、破碎帶、滑坡、巖溶等；由于山嶺隧道在地表下較深處施工，受地質條件干擾較大，隧道設計的準確性完全取決于前期地質勘察的精確程度。山嶺隧道建設所特有的惡劣地質狀況和特殊的項目管理模式成了BIM模型應用的兩大難點，在一定程度上，這也是BIM模型在山嶺隧道上應用案例相對稀少的原因。

2 BIM在隧道工程中的實例分析

2.1 工程概況

崇左至水口高速公路NOCS-CL1標段隴禁隧道，位于崇左市龍州縣上金鄉兩岸村隴禁屯北側約450 m。隴禁隧道作為分離式小凈距隧道，設計凈寬度為13.25 m，凈高度為5.0 m，左線起于KBK23+665，終于KBK24+016，全長351 m；右線起于KAK23+680，終于KAK24+010，全長330 m。崇左段左線的明洞為10 m長、右線的明洞為29 m長；龍州端左線明洞長為5 m，右線明洞長為11 m；崇左端及龍州端洞門均采用端墻式；龍州端洞口左右線棚洞長度均為10 m；左、右線縱坡均為單向坡，坡率0.5%。

本項目使用的BIM軟件情況：

(1)3DEXPERIENCE R2017X：此軟件為達索平臺下的CATIA三維建模軟件，主要用來建立隧道各個部分模型結構以及實現隧道整體的拼接與組裝，同時可用來統計模型各個部分的工程量，實現模型構件之間的碰撞檢查等。

(2)Revit：此軟件主要用來對CATIA模型不同格式的導出，以及根據施工步驟及施工節點對整體模型進行拆分重組及預拼裝，實現BIM模型輕量化上PIP平臺。

(3)Navisworks Manage 2017：此軟件可以同revit三維模型協同對接，實現后期的模型渲染、施工動畫模擬以及行車仿真等任務。

(4)Corel VideoStudio Pro X10：軟件主要針對施工動畫的后期視頻剪輯包裝工作。

(5)Lumion 6.0：軟件主要用于渲染BIM模型中的各個構件，增強現實效果。

2.2 模型效果展示

本項目采用CATIA軟件建立隧道各節段支護、襯砌、錨桿、鋼筋網架等結構模型，然后基于空間線路準確放樣，精準對接各段，形成三維隧道模型，模型見下頁圖1。

2.3 隴禁隧道中BIM應用分析

(1)參數化建模：基于隧道橫斷面相關的設計信息，建立橫斷面模板參數化數據庫，將橫斷面關聯在平縱曲線上，達到襯砌基于空間線路的準確放樣，各襯砌段間精準對接，快速批量化生成一個三維隧道結構大大提高建模效率，節省工作時間(見下頁圖2)。

(2)碰撞檢查：在傳統工程設計中，受限于設計人員空間思維能力和二維圖紙平面表達能力，不可避免地存在錯落碰缺問題。利用CATIA內嵌的模型碰撞檢查功能，按照標準圖紙完成隧道模型建立之后，進行構件的碰撞檢查，能夠及時發現設計中的碰撞安全隱患，并導出碰撞報告，提出設計優化建議，既可以提高設計質量，又可以避免后期返工造成的工期延誤和資源浪費(見下頁圖3)。

(a)節段鋼筋網架模型結構

(b)節段底板鋼筋網架結構

(c)節段支護結構

(d)節段砌體結構

(e)節段錨桿結構

(f)隧道整體組裝模型示意圖圖1 隧道模型圖

圖2 參數化建模示意圖

圖3 隧道碰撞報告示意圖

(3)工程量統計：BIM模型是一個富含工程信息的數據庫，通過規范化的結構命名、詳細的參數制定、IFC標準結構分類，利用CATIA報表功能可以制定各種工程量統計表格，快速精確統計工程量，有效縮短了工程計量環節、大幅提升了造價人員的工作效率(見圖4)。

圖4 工程量統計示意圖

(4)施工動畫模擬：將隧道模型輕量化導入Navisworks Manage中，進行施工方案工藝模擬，優化施工場地及機械布置，提高施工質量保證施工安全性(見圖5)。

(5)AR增強交底：打破傳統的書面交底方式，基于高精度的BIM模型開展隧道增強交底應用，在施工圖紙中添加識別圖標，將隧道典型復雜構件BIM模型與圖紙關聯，利用AR技術，使基層施工人員在隧道施作過程中，隨時調出樣板構件三維立體模型，并可將模型疊加在實際施工部位，實現班組施工精準交底(見圖6)。

(6)效果展示與漫游：隧道模型建立完成后將其導入Lumion中進行材質渲染，然后以行車視角進行漫游動畫展示，可以精確還原接近現實的隧道行車效果，同時可供現場人員參觀學習，增強了業主感受、方便政府人員監管(見圖7)。

圖5 隧道進洞開挖模擬圖

圖6 隧道AR交底模擬圖

(7)施工協同管理平臺應用：采用Revit軟件將CATIA模型按照施工節點進行分段拆分，然后導入PIP施工管理平臺，現場管理人員利用手機APP隨時隨地查看模型構造，方便施工。同時根據全模型各個節段，對施工現場發生的質量、安全、進度、竣工驗收等事件進行實時記錄上傳，并與BIM模型構件相關聯，使得整個施工流程快速、透明、留痕，實現真正意義上的三維可視化協同管理，極大地增強各方人員對施工現場的管控(見圖8)。

圖7 隧道行車效果圖

圖8 隴禁隧道施工協同管理平臺示意圖

3 BIM在隧道應用中存在的問題和建議

3.1 BIM應用中存在的問題

隧道工程引入BIM技術是一個機遇與挑戰并存的過程，在帶來很多優勢的同時，也存在一些問題。首先軟件系統缺陷較多、BIM專家稀缺、軟硬件相關投入經費少、知識產權保護力度小、相關法律法規不夠完善以及較低的經濟回報等客觀因素嚴重限制了BIM技術的發展；同時部分設計師思維僵化、設計方法陳舊、政府宣傳力度不足、企業短視等主觀因素，同樣抑制了BIM技術的蓬勃發展。

此外，BIM模型應用時需要一個相互協同的基礎，建模、繪圖、施工模擬的軟件必須相互配合。若缺乏一致的標準和平臺，BIM模型將難以進行數據交換，優勢不再。發達國家適應本國的BIM建筑行業標準體系早已建立健全，但中國的建筑行業體制不統一，且引進BIM技術的時間較短，專業技術人才緊缺，造成BIM標準的制定工作嚴重滯后，部分標準甚至生搬硬套國際通用標準，本土化程度極低，標準問題將是影響BIM在中國推廣應用亟待解決的問題。

3.2 BIM應用過程的針對性建議

隧道BIM技術的應用，存在特有的難點和障礙，建立健全隧道BIM國家標準體系，整個項目分階段各參與方的一致協作才能發揮BIM技術的優勢[8]。BIM技術運用，需要設計單位、施工單位、運營單位等不同專用軟件之間的信息溝通，來自于不同生產商的軟件，如果不是統一的標準，就很難實現信息的順暢流動，勢必阻礙BIM技術發揮全生命周期優勢。應積極學習國外先進的標準、理念，堅持引進、消化吸收、創新的方法，推進我國BIM技術的發展。

為了優化BIM技術的應用，企業應要加大資金投入額度，確保計算機硬件配置能夠跟上計算要求，使用功能齊全的正版成熟軟件，同時引進BIM配套咨詢服務。挑選優秀人才組建BIM技術攻關團隊，并對該團隊開展針對性的培訓學習，構建懂服務、懂概念、懂技術的專業化復合型人才隊伍，提升團隊協作水平。當前工程項目的工程量都較大，不得不通過團隊協作來完成項目要求，企業管理人員更應科學配置人員，促進協同合作。

4 結語

BIM作為建筑行業轉型升級的發展趨勢，是推動工程建設工業化、信息化不可或缺的力量。目前BIM被應用到了隧道工程的各個細分領域，是隧道工程實現信息化、數字化的必經之路。BIM極大地加強了項目建設過程中各工作的協同性，實現了精準設計、高效施工，大大簡化了后期運營管理，還減少了施工安全事故，提高了環保等級。眾多成功案例證明，BIM技術對隧道設計、施工優勢明顯。但是，我們尚處于隧道工程BIM應用低水平的起步階段，可謂機遇與挑戰并存。展望未來，為更好地推廣隧道工程BIM技術，從業人員必須盡快建立隧道BIM統一標準規范、

推進軟件開發工作、創新管理工作模式，從而逐步肅清隧道工程BIM技術應用的障礙，及早實現隧道建設的全面信息化和數字化。