基于BIM的鐵路隧道輔助設計關鍵技術研究

田明陽，曾 昊，曹 力

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

隨著中國鐵路總公司智能鐵路總體框架的提出，設計階段建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）應用成為智能鐵路中智能建造的重要一環[1]。BIM已在工程行業取得各方認可，其價值早已不再局限于建筑行業本身[2]。然而，相較于建筑行業BIM技術的應用，鐵路隧道因其帶狀分布、與地質情況結合緊密、數據量巨大等特點[3]，難以做到設計意圖的精確快速表達，導致正向設計推行困難。國內各大設計院陸續在鐵路工程設計階段開展BIM技術深入研究，力求推動鐵路行業的BIM正向設計[4-5]。在鐵路隧道BIM應用的探索階段，以寶（雞）蘭（洲）客運專線石鼓山隧道為代表，基于達索平臺進行隧道三維設計，實現了模型建立、信息附加、工程量計算及二維出圖等應用[6]；以福（州）平（潭）鐵路新鼓山隧道為代表，基于歐特克平臺的Iventor和Civil 3D進行山嶺隧道BIM應用，通過三維開挖工具建立復雜洞口開挖模型[7]；在公路隧道應用方面，相關單位進行了基于Revit和Dynamo的參數化隧道模型體系的探索[8]。

前期隧道BIM在設計階段做出了許多重要的探索，但仍然存在許多問題，例如：隧道模型數據量巨大，每千米隧道模型存儲量往往在1 GB以上；模型編碼信息沒有統一的標準，甚至沒有編碼附加；設計階段與施工階段模型不能通用，導致模型重復建立。本文在Bentley PowerCivil的基礎上，研究BIM技術在鐵路隧道設計階段中的進一步應用，開發隧道輔助設計系統，如圖1所示，同時驗證相應鐵路隧道BIM標準。以拉（薩）林（芝）鐵路扎莫隧道為試點，解決鐵路隧道BIM應用中編碼自動附加、與地質結合和階段模型自動轉換等問題。

圖1 鐵路隧道輔助設計實現流程

1 隧道輔助設計實現

1.1 數據準備

數據準備分為模型準備和工程信息準備，其中，模型準備主要包括隧道斷面模板庫和隧道結構樹模板[9]。在隧道參數化模板菜單中輸入模板樣式、輪廓樣式、斷面參數等二維參數生成相應隧道廊道形式，如圖2所示。輪廓樣式包括三心圓、五心圓、曲墻式、馬蹄形等，輸入參數類型受輪廓樣式限制，根據選擇樣式及鐵路隧道凈空、限界等要求，輸入相應的參數，建立參數化斷面模板。生成隧道廊道模板后組建成庫，并可隨時調用修改。另外，在模板庫中自動形成隧道結構樹，根據模型構成可以自定義結構樹模板文件。

圖2 隧道廊道參數化創建

工具信息準備包括工業基礎類（IFC）/國際字典框架（IFD）配置和隧道工程屬性定義模板（EC Schema）。目前，鐵路行業還缺乏類似于建筑行業IFC這樣的權威信息標準。韓國的SH Lee等人在IFC的基礎上進行拓展，研發了針對于新奧法隧道設計階段的數據框架，提高了隧道數據交互效率[10]。國內相關人員在鐵路BIM聯盟的組織下，根據隧道構件的分類和構件屬性的定義，發布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[11]。本文在此基礎上，利用Bentley的Class Editor工具創建隧道的工程屬性定義模板文件，即EC Schema文件。在創建隧道模型時讀取該文件，根據配置文件綁定工程屬性定義到相應的隧道構件上。在IFC/IFD配置中設定隧道構件與IFC對象的對應關系，如圖3所示。其中，“部件名稱”為隧道對象的顯示名稱，“匹配關鍵字”是該對象在創建時內部使用的命名，“IFC class名稱”為來自隧道EC Schema中定義的IFC，“IFD值”為該構件缺省的IFD編碼。在創建隧道模型時，根據構件的關鍵字自動匹配相應的IFC對象類，對IFD屬性賦予設定的初始值。

圖3 隧道IFC對象配置

1.2 隧道輔助設計工具

避免信息孤島，聯動多專業設計是BIM技術的一大優勢。通過隧道輔助設計工具，對接線路數據庫文件生產三維線路軸線，如圖4所示，并基于該三維線路進行隧道布置，實現模型按真實坐標生成，避免坐標轉換的問題。

圖4 三維線路生成與導入

生成洞身時聯動地質模型，根據地質縱斷面圖標識的圍巖級別自動篩選對應的隧道廊道模板，在人工核對正確無誤后進行洞身的生成，如圖5所示。同時，讀取之前定義好的EC Schema文件，自動關聯IFC/IFD對象和屬性，完成隧道洞身模型的建立。隧道輔助洞室由模型庫中模板與線路里程點等信息生成，同時與洞身進行布爾剪切。模型生成后，依據隧道結構樹模板生成模型結構樹，展開模型結構樹對構件信息進行查看。

圖5 隧道洞身模板的自動選擇

工程量統計同時也是對模型構件信息完備性的檢驗。在模型創建前需要配置每種類型構件對象的材料屬性。模型創建時，輔助設計工具自動對構件的材料名稱及混凝土、鋼筋等數量進行賦值。模型建成后對構件信息進行檢查，對未缺失信息的對象，如鋼筋，自動創建一個空單元與結構樹節點（即IFC對象）相關聯。每個構件對象最終應包含與工程量相關的屬性字段，如鋼筋型號、數量及重量等。模型信息齊全后，遍歷模型得到與工程量統計相關的IFC對象，并彈出窗口輸入相關屬性字段的值，如圖6所示。最后逐個對相關構件及材料進行匯總統計，并將統計結果輸出到相應的Excel表中。

圖6 隧道工程量統計

1.3 標準驗證方法

在輔助設計及模型生成歸檔的過程中，分別驗證鐵路BIM聯盟發布的《鐵路工程實體分解指南》[12]（簡稱：《分解指南》）、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》（簡稱：《分類編碼標準》）、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》[13]（簡稱：《存儲標準》）、《鐵路工程信息模型交付標準》[14]（簡稱：《交付標準》）4個與隧道BIM技術應用相關的標準。

《分解指南》驗證即工程分解結構（EBS）驗證，針對隧道工程開展實體結構分解，對分解結果進行詳細的分析、排查，對標準中不存在的結構進行添加、重復的結構進行合并、單位和名稱錯誤的進行修正、結構之間層次關系存在問題的進行更正。

《分類編碼標準》驗證即IFD驗證，將鐵路建設活動全生命周期中涉及的所有信息模型分為4個大類：建設資源、建設過程、建設成果和其它。編碼組合靈活多樣，在編碼的上下源追查縱向及橫向邏輯關系。

《存儲標準》驗證即IFC驗證，通過比對模型結構及其結構樹與IFC，查找重復或缺失項。

《交付標準》驗證是采用定性分析的方法進行驗證，對于在隧道工程中出現的細目逐一對照，驗證方法以對照為主，綜合分析驗證。驗證內容包括交付精度標準與存儲標準、表達標準及分類標準。

2 隧道設計模型與施工模型自動轉換

2.1 創建施工階段結構樹

在局部BIM到開放BIM的轉換過程中，設計與施工模型之間的轉換十分必要[15]。眾所周知，設計階段和施工階段關注點不盡相同，因此反應在BIM上的幾何信息要求有所區別。在隧道專業設計階段，模型一般只根據圍巖等級對區間進行劃分，每個區間的結構一般只劃分到初期支護、二襯仰拱、二襯邊墻等，而這些劃分原則大都是依據設計階段力學分析結果；而在施工階段，除了關注設計階段的信息之外，還需要將構件根據施工工藝劃分為6 m一個節段，便于后期對BIM進行施工階段的管理。除此之外，施工階段附加的信息內容也有些變動，包括施工進度信息，如混凝土澆筑時間、下一道工序類別時間等；施工成本，如鋼筋工程量、混凝土工程量、材料廠家等；施工隊伍人員信息，構件對應負責工區、鋼筋質量檢查主要負責人，混凝土澆筑旁站人員等。

根據上述設計與施工階段的區別，在設計BIM的基礎上，配置土木工程類型和IFC關系，其配置方法同圖3。通過配置土木構件和IFC的關系，獲得一種映射渠道。同時，創建施工結構樹模板，以便完成兩種模型的結構映射。由于施工BIM劃分更加精細，并且與施工組織等非幾何信息掛接更加密切，因此創建施工結構樹時根據施工工作分解結構（WBS）以及EBS編碼對施工BIM進行分解，最后完成施工結構樹建立，如圖7所示。

圖7 隧道施工階段結構樹

2.2 階段模型自動轉換技術

兩階段結構樹與BIM之間存在的關系，如圖8所示，包括：（1）相同階段結構樹是BIM信息掛接的內容索引；（2）相同階段BIM是其結構樹配置的載體；（3）施工階段結構樹繼承了設計階段BIM的所有信息；（4）施工階段BIM作為信息下游，可以檢索統一構件不同階段信息變化；（5）設計階段結構樹根據構件IFC配置關系自動映射更新到施工階段結構樹。

圖8 結構樹轉換關系

完成設計BIM結構樹和施工BIM結構樹的映射關系后，可通過軟件功能進行映射，并自動創建施工階段BIM。據此創建的施工BIM，其變更包括幾何和非幾何信息，即幾何構件劃分精細度和掛接信息內容的變化。設計階段的相關信息可以全部遷移到施工模型上，對于有模型拆分的構件，拆分后子構件同樣具備拆分前的所有屬性。同時，轉換后的施工BIM自動添加了施工階段的各種信息。模型轉換工具可讀取其設計信息，通過人工輸入施工切分信息，進行設計模型到施工模型的轉換，并繼承IFC屬性信息，如圖9所示。

3 工程應用實例

3.1 項目概況

扎莫隧道屬拉林線拉薩端DK82～DK94，隧道位于雅魯藏布江以南的高山寬谷區。隧道起訖里程DK83+910～DK85+142，全長1 232 m，均為單線隧道，隧道最大埋深約122 m，線路縱坡為10.4‰/1 414 m、2‰/401 m的單面坡。選取該隧道作為輔助設計工具、階段模型轉換工具的應用工程與標準驗證工程，具有一定借鑒與推廣意義。

圖9 創建隧道施工模型

3.2 應用實現

根據扎莫隧道地質條件及設計時速等信息，制作隧道斷面模板，再通過線路數據庫生成三維線路。在三維線路及地質資料的基礎上，通過輔助設計工具分別生成隧道洞身、輔助洞室及洞口等結構模型，并利用IFC配置工具將模型與IFC信息掛接，如圖10所示。

圖10 扎莫隧道結構模型及其設計結構樹

在深化設計方面，扎莫隧道采用隧道初期支護設計程序，如圖11所示，將斷面初期支護標準構件參考至模型中，根據所選線路，設置其縱向間距和縱向長度，一次性完成整個線路的單一支護的建模工作。最后生成深化模型，包括導向墻、超前小導管、格柵鋼架、型鋼鋼架等，如圖12所示。

扎莫隧道轉換施工模型輸入切分精細顆粒度、施工模型表達式以及橫斷面模板等內容，生成轉換施工模型，同時繼承設計階段IFC/IFD屬性，如圖13所示。

3.3 驗證結果

對扎莫隧道進行BIM應用，驗證《分解指南》，具體問題包括：

圖11 隧道初期支護設計工具

圖12 扎莫隧道深化模型構件

圖13 扎莫隧道模型轉換輸入內容及生成模型

鋼支撐中，型鋼鋼架的原材料為工字鋼鋼材，而格柵鋼架為鋼筋焊接而成，二者單價不一；支護中新增鎖腳錨管，在臺階法開挖時，用于穩定上臺階部位的鋼支撐，且一般為錨管；用于連接型鋼鋼架的螺栓為單獨的配件，在算量時單獨計價，需新增支護的子節點。

驗證《分類編碼標準》，結果如表1所示。

驗證《存儲標準》，結果包括：

仰拱填充屬于襯砌結構的一部分，應作為其子節點。鋼架中無類型(Type)的屬性定義，應新增，其值為枚舉值，包括型鋼鋼架、三肢格柵鋼架和四肢格柵鋼架。在初期支護中新增導向墻（IFC：GuideWall），其作用是固定管棚的方向，為混凝土結構。在初期支護中新增堵頭墻（IFC：PlugWall），其作用是穩定洞門，為混凝土結構。在初期支護中新增背墻（IFC：BackupWall），為混凝土結構。在初期支護中新增門框墻(IFC：FrameWall)，為混凝土結構。

表1 《分類編碼標準》驗證結果

驗證《交付標準》，結果包括：

（1）溝槽中應新增“水溝蓋板”的定義；

（2）新增編號9 附屬洞室；

（3）新增子節點9.1 大避車洞、9.2 避車綜合洞室、9.3 電纜余長腔；

（4）洞門結構中新增子節點4.9 加固樁、4.10 混凝土換填。

4 結束語

本文以拉林鐵路扎莫隧道為項目依托，研究了以正向設計思路為指導的鐵路隧道BIM在設計、施工階段的應用，并在輔助設計軟件開發、標準驗證、階段模型轉換等方面取得了大量成果：（1）基于Bentley PowerCivil進行二次開發，結合地質模型、線路數據的隧道三維輔助設計工具，使得隧道模型能夠快速建立，并可自動附加IFC/IFD信息，加快了隧道三維設計的進程。（2）梳理了設計階段和施工階段隧道專業信息結構樹，開發模型信息轉換工具，實現了階段模型的自動轉換，為鐵路工程建設全生命周期的BIM應用提供有力的技術支撐。（3）通過拉林鐵路扎莫隧道工程，驗證了鐵路BIM聯盟發布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》等4項標準，并提出了大量建議。

結合本次試點應用成果，將更加深入地開展鐵路隧道BIM正向設計的相關研究工作：（1）本文研究了基于BIM技術實現隧道輔助設計，最終成果交付仍為傳統二維圖紙交付，下階段擬將BIM技術融入隧道設計的整個流程中，實現基于BIM技術的隧道全過程正向設計。（2）研究隧道模型的進一步輕量化技術，為川藏鐵路BIM精細化制作提供技術支撐。（3）在本文基礎上，開展與施工及運維階段的聯合應用，研究全生命期的鐵路隧道BIM技術應用，進一步發揮BIM技術的優點及價值。