BIM 技術在高速鐵路山嶺隧道設計中的應用及研究

席博陽

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

近年來，隨著BIM 技術的日益完善，其在房建、水利等領域的應用逐漸廣泛，不但提高了工程的質量，還縮短了工程的建設周期，并控制了投資成本，可謂一舉多得[1-2]。但由于鐵路工程為帶狀工程，區別于房建、水利等點狀工程，鐵路BIM 的發展無法完全采用拿來主義，因此起步較晚。即便如此，在我國高速鐵路事業蓬勃發展的浪潮下，如今鐵路BIM 技術在標準的建立、平臺的選取、模型精度的控制、專業間的協同、信息共享等方面都有了突破性發展，甚至部分試點工程已經能實現全生命周期的管理[3-8]。然而，由于一些限制因素，事實上鐵路BIM 技術短時間內仍然難以做到真正的正向設計，絕大多數工程仍然采用二維、三維并行設計的方式，BIM 設計也僅僅停留在三維翻模及展示的階段。鑒于此種現狀，本文以BIM 技術在高速鐵路山嶺隧道設計中的應用為例，提出并討論了采用BIM 技術指導二維設計的方案及方法，以期BIM 技術能在高速鐵路的設計中真正實現落地，發揮其應有的作用。

1 現階段應用概況

山嶺隧道在高速鐵路設計中占比較重，也是鐵路工程BIM 技術應用的重點與難點。現階段各鐵路設計院也都利用自身既有成果積極開展了BIM 技術在山嶺隧道設計中的應用研究，其中中鐵二院基于達索平臺，以寶蘭客運專線石鼓山隧道為例，研究了BIM 技術在初步設計階段的應用，并詳細闡述了隧道模型建立、模型信息輸入、工程量統計及成果展示的方法[9]。中鐵四院采用歐特克平臺，以福平鐵路新鼓山隧道為例，研究了BIM 技術在施工圖設計階段的應用，并明確了其技術路線[10]。中鐵一院依托歐特克平臺，以西成客專清涼山隧道為試點，探索了BIM 技術在信息管理、施工模擬及輔助出圖等環節的應用[11]。中國鐵路設計集團基于達索平臺，以京沈客專李家梁隧道為例，明確了BIM 體系下專業內及專業間協同設計、參數化設計的方式與方法[12]。此外，中國鐵路設計集團設計以濟青高鐵青陽隧道為試點，實現了單一隧道全生命周期的管理[13]。由此可見，隨著高速鐵路事業的不斷推進，BIM 技術在鐵路工程中的應用已取得了一定的成果。

2 技術難點與制約因素

然而由于山嶺隧道穿越地帶往往地質條件復雜，建模時對地質體的精度要求較高，尤其是斷層、破碎帶等復雜地質構造的模型必須依托專業的地質軟件才能實現[10]。然而由于既有的地質軟件與常規BIM 平臺往往難以兼容，導入的模型缺乏可編輯性。同時由于生成三維地質體對勘測數據的要求較高，現階段的山嶺隧道外業精度往往難以達到要求，即使生成了地質體也與實際情況脫節[10]。由于這兩點技術因素的制約，采用BIM 技術進行山嶺隧道的正向設計才遲遲未能實現。 除技術因素的制約，傳統的DBB 項目管理模式也是BIM 技術未能完全落地的一項重要阻礙。由于DBB 項目管理模式的弊端，設計單位往往在BIM 技術的應用上缺乏動力，即便業主有明確的BIM 驗收要求，設計單位也往往采用二維、三維并行設計的方式，而實際施工時也多采用二維設計成果，三維成果僅僅用來展示，根本無法實現真正的全生命周期管理，這就使BIM 技術的應用徹底失去了意義。同時由于BIM 技術現階段無法完全代替二維設計，且前期成本投入較高，全生命周期管理需要各方配合，任何一環出現問題皆無法實現，因此實際應用中阻力重重。

3 BIM 技術應用方式的探討

鑒于短時間內以上提及的制約因素可能難以得到有效改善，因此在現有條件下，如何最大程度發揮BIM 技術的先進性，使其能在鐵路工程山嶺隧道的設計中真正發揮作用，成為一項值得探討的問題。

3.1 洞口工程優化

洞口工程是山嶺隧道設計中的重中之重，在設計中合理確定隧道缺口里程、進洞位置并采取合適的工程措施能為后續的施工及運營帶來可觀的經濟效益。然而由于二維斷面法設計受制于其斷面選取位置、斷面精度等條件的限制，二維地形常難以完整反映隧道洞口的地形信息，因此洞口設計方案往往也不能與實際情況相符，由此而導致的施工變更不計其數。

如圖1 所示，以隧道的仰坡設計為例，傳統二維設計往往僅在隧道明暗分界位置進行斷面設計，明暗分界背后地形起勢較快，雖然二維設計并無問題但實際施工時多會產生高陡邊坡，嚴重的甚至超出征地紅線，建設方處理難度極大。除此之外，在洞口工程量核算方面，二維設計也存在著先天不足，傳統設計方法需按每個斷面依次核算，不但費時費力，且精度不高。由此，本文提出在現有技術條件下，可在開展二維設計前，利用BIM 技術進行三維進洞方案比選，確定最優的進洞方案，以此來指導二維設計，力求避免由于二維斷面法設計信息缺失而導致的工程風險。同時利用三維技術在洞口工程量核算上的優勢，可以簡化核算工作，提高設計精度。以上提及的BIM 技術應用，實際設計中也僅需要依據測繪資料建立精度足夠的三維地形面即可實施，建模工作量極小，可行性高。

圖1 某高鐵隧道按二維設計圖建模后洞口處形成的高陡仰坡

3.2 交叉工程碰撞分析

對于一些與隧道交叉的風險工程，二維設計往往無法直觀展示空間關系，設計中易疏忽，在實際施工中可能導致隧道結構與周邊既有工程發生干涉，造成直接經濟損失。因此，對于周邊環境復雜的隧道，可在二維設計完成后進行精細化建模，明確隧道結構與周邊交叉工程的距離，確保隧道的一切工程措施與周邊工程無任何干涉，以保證隧道結構及周邊環境的安全。

3.3 接口設計檢查

山嶺隧道接口設計較為復雜，路隧順接、橋隧順接、橋隧串接條件下其接口設計各不相同。如圖2 所示，由于接口設計多專業間的配合，設計時信息極易丟失，造成接口設計不連續。因此在各專業完成二維設計后，在BIM 平臺上協同開展隧道接口設計檢查，可以很好避免由于信息丟失而導致的隧道接口設計缺陷。

圖2 某高鐵隧道洞口路隧順接處利用BIM 技術優化不連續邊坡

3.4 其他應用

除了洞口工程優化、交叉工程碰撞分析、接口設計碰撞檢查外，可以利用BIM 技術對一些復雜的隧道開挖工法及輔助工程措施進行過程展示，使建設方能夠快速、清晰掌握其核心要點，從而保證工程的質量及進度。

4 結束語

BIM 技術近年來在鐵路隧道工程方面取得了一定的發展，但短時間內仍無法實現工程的全生命周期管理。在現有技術及外部條件下，BIM 技術短期內無法完全代替傳統的二維設計。因此認清BIM 技術的現狀，以BIM 技術作為輔助工具，補足二維設計的先天缺陷，發揮其自身優勢，使其能真正提高設計質量及效率，促進BIM 技術平穩落地。