基于BIM技術的鐵路隧道正向設計研究

張 軒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

國際BIM聯盟對BIM的定義是：建筑信息模型化(Building Information Modeling)、建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三個不同但相互聯系的功能[1]。在項目全生命周期中，BIM技術能夠實現不同參與方、不同應用軟件之間的信息結構化組織管理和信息交換共享，使合適的人在合適的時候得到準確信息，這是行業賦予BIM的使命[2]。

隨著鐵路建設行業的飛速發展，BIM技術必將成為鐵路工程建設信息化的核心和發展方向[3]。盡管鐵路設計領域使用BIM技術的時機較晚，但隨著鐵路BIM聯盟陸續推出鐵路行業BIM設計相關規范，以及主管部門的大力推動，BIM技術在鐵路設計行業中的應用也越來越廣泛[4]。目前，大多數鐵路設計院對于BIM的應用還是先進行二維圖紙設計，再進行翻模形成三維模型，最后進行分析、檢查。不但沒有縮短設計周期，反而增加了設計成本[5]。因此，鐵路設計行業應基于BIM技術進行正向設計，提高設計效率。隧道作為鐵路工程建設中的重點和難點，在很多項目中是控制工期的重點工程[6]，推行BIM正向設計對提高設計效率意義重大。

2 軟件平臺選取

目前，主流BIM設計平臺有Autodesk、Bentley和Dassault[7]，三大平臺各有其優勢領域：Autodesk平臺軟件偏重于建筑設計領域，Bentley平臺軟件偏重于大型基礎設施設計領域，Dassault平臺偏重于航空、汽車制造領域。

鐵路工程呈帶狀分布，長度可達幾十公里到上千公里[8]，Bentley平臺對于大體量模型及三維曲線支持較好，平臺下各軟件模型格式統一，專業間模型交互的效率較高，且協同設計管理能力較強。故本次研究選取Bentley平臺進行鐵路隧道正向設計研究。

本次隧道BIM正向設計研究主要使用的軟件見表1。

表1 本次隧道BIM正向設計研究主要使用軟件

3 隧道BIM正向設計研究

3.1 BIM正向設計流程管理

鐵路設計通常會涉及到二十幾個專業[10]，設計過程中伴隨著方案調整、資料互提、節點控制等環節[11]。在進行BIM正向設計時，提前做好項目管理及工作流程管理，能夠有效地提高設計效率，降低專業間的溝通成本。

(1)項目管理

項目管理依托于協同設計軟件ProjectWise，通過對ProjectWise軟件的二次開發，將各設計院自身的流程管理系統通過web端和ProjectWise軟件相關聯，結合ProjectWise自身的功能，在項目創建后進行專業配置、專業人員配置、權限分配、審簽流程設置等(見圖1)，最終實現審簽流程、計表完成情況與各設計院內部的流程管理系統相掛接。通過ProjectWise進行資料互提、模型文件參考關系記錄、多版本設計文件管理，將設計內容在服務器中實時共享[12]，合理分解、分配專業任務，實現專業間有序作業，互不沖突。

圖1 ProjectWise中創建的項目

(2) 工作流程管理

通過建立專業IDM(Information Delivery Manual)進行工作流程管理。IDM全稱是信息交付手冊，對項目的工作流程、各專業間互提的內容和格式進行了規定和要求。各設計院可根據專業要求，梳理出適合各專業的IDM流程。在ProjectWise中，以IDM作為依據，實現對整個流程的穩定把控和管理。

3.2 隧道工點設計

(1) 專業設計策劃

首先根據設計需要進行工點劃分，形成適合信息化管理的合理單元[13]，根據項目設計階段和《鐵路工程信息模型交付標準》的規定，確定本次設計的模型精度等級[14]和專業設計原則。在協同平臺上獲取上序資料(如地質專業的地質模型，航遙專業的地形模型，線路專業的三維曲線模型等基礎設計資料)。

(2)參數化斷面模板設計

根據隧道專業設計原則，創建不同圍巖等級下的隧道標準斷面庫[15]。在OpenRail中使用二次開發軟件，通過設定隧道斷面圓心位置、半徑、拱部圓弧角度、噴混厚度、襯砌厚度等參數來生成斷面。將斷面導入OpenRail廊道模板庫中(見圖2)，通過設置元素模板并關聯特征定義的方式，對斷面模板中各個構件加以劃分，為生成隧道洞身做準備(見圖3)。參數化隧道斷面設計可將不同時速標準的隧道設計參數作為數據信息進行儲存，在其他項目中可直接進行調用，為實現信息化管理提供了基礎。

圖3 特征定義設置

(3)隧道洞身設計

隧道洞身設計的思路是在不同里程位置，根據地質圍巖等級、地質模型和地形模型，選取適宜該里程段的隧道斷面，通過讀取圍巖斷面里程信息，自動生成隧道洞身模型。在傳統二維設計中，對于特殊地質等情況，一般通過縱斷面進行設計和特殊措施的處理。在BIM設計中，可以將隧道模型試放入線路中，從三維視角來觀察地質情況對隧道的影響(見圖4)，提高了設計的準確性。在發生變更或需要調整斷面時，只需將斷面模板進行修改，選取里程刷新模型，即可完成模型的修改。通過建立完整的建模體系，降低了建模的工作量，提升了模型標準化、規范化水平，從而提高了設計質量[16]。

圖4 三維模型下隧道地質情況

(4) 輔助措施及特殊構件設計

連續結構(如隧道洞身)可通過斷面沿線路生成，錨桿、臺階、超前小導管、管棚等非連續性構件無法直接通過廊道功能生成，需要對軟件進行二次開發，即對這些構件進行參數化設計。以錨桿為例，通過輸入錨桿的構件參數及布置參數(見圖5)，以單元的形式批量生成隧道錨桿構件并存入單元庫中，在后續工作或其他項目中可隨時調用。

圖5 錨桿參數化設計界面

(5)隧道洞門設計

以端墻式洞門為例，提取隧道洞門處正洞斷面，輸入洞門厚度、洞門里程等參數，根據地質模型調整臺階級數、寬度等參數，可生成簡易洞門模型。在簡易洞門模型上，還需要手動補充地基處理、特殊構件等尚未形成參數化的結構；截水天溝需沿地形模型敷設于地表，通過斷面生成結構。二維設計中橋隧連接處、路隧連接處的截水天溝設計僅作示意，而BIM技術的協同設計可直接將路基、橋梁專業的截水溝相連，使設計更為精確。

隧道洞門過渡段結構使用OpenRail的廊道功能進行創建。可直接選取過渡段的起終點，設置兩種斷面形式并自動生成過渡模型。邊仰坡設計可使用廊道模板中的點控制功能，將放坡的邊界自動與地質模型擬合。二維設計通過斷面來確定放坡邊界高程，再將高程點相連；BIM技術增加了設計的準確性，使洞門設計能更好地與地質模型、地形模型相結合。

(6)屬性附加

根據《鐵路工程信息交換模板編制指南(終稿)》中屬性集交換模板的要求[17]，梳理出本專業所需要附加的屬性信息，通過OpenRail軟件中的ItemType功能將屬性信息存入(見圖6)，設置元素模板關聯ItemType，修改構件所屬的元素模板，就可以為構件附加不同的屬性。配置好的元素模板可保存在專業配置的工作空間中(作為統一標準，在不同的項目中都可使用)，相較于二次開發的賦屬性工具， OpenRail軟件的ItemType可直接在界面操作，有效降低了修改和學習的成本，提高了設計效率。

圖6 ItemType屬性存儲

(7)工程量統計

使用OpenRail進行工程量統計主要分為以下三類：

①對于廊道功能創建的構件(如洞身襯砌結構、仰拱填充等)，可以通過廊道自帶的工程量統計功能進行統計。

②對于直接建立的構件，可通過二次開發軟件提取構件體積、長度等參數，進行工程量統計。

③對于不需要建模的構件，可通過ItemType將每延米單量作為一項信息附加在相關構件上。以防水材料為例，將防水材料單量作為一條屬性信息附加在襯砌結構上，在統計時通過提取單量和里程長度來計算工程量。

3.3 問題與建議

(1)鐵路行業交付設計成果還是以二維圖紙為主，若想實現使用BIM技術進行正向設計，需要軟件能滿足二維出圖要求。目前，Bentley軟件通過二次開發，解決了部分圖框、標注的問題，但由于軟件自身的原因，還存在如剖切模型的剖面無法提取標注等問題。還需要各設計院進行二次開發，或與軟件公司進行合作，以實現二維出圖功能。

(2)提升鐵路設計的信息化水平是大勢所趨[18]，隧道BIM正向設計中使用的參數化設計僅僅是數字化設計的一小部分。在BIM三維協同設計中，不應拘泥于傳統的二維約束和算法，應結合專業間接口(如地質、地形模型)，以三維設計的思路進行參數化設計，提升參數化設計水平。

(3)使用BIM技術進行隧道正向設計，交付方式由原本的二維圖紙交付轉變為工程數字化交付，數字化成果文件為后期智能化應用需求提供了數據基礎，但同時增加了文件審核的工作量和難度。因此，應同步考慮與審核步驟相關的二次開發工作，優化BIM成果的文件審核流程，通過軟件實現對模型屬性、碰撞、分組等基礎信息的遍歷及糾錯，提高審核效率，降低審核工作量。

4 展望

新一輪科技革命和產業變革孕育興起，伴隨著人工智能、大數據、云計算、物聯網、BIM、北斗衛星導航等新技術的應用，智能高鐵已成為全球鐵路的前沿發展方向[19]。BIM技術作為智能建造的重要組成部分[20]，在智能高鐵的發展中起到舉足輕重的作用。使用BIM技術進行隧道正向設計是隧道工程信息化、智能化的基礎，隨著技術水平的發展和設計軟件的優化，BIM正向設計的優勢會被不斷放大，并為隧道工程設計帶來巨大變革。