BIM技術在公路隧道設計中的應用

周東迎

摘要：文章引用BIM技術針對隧道地質、交叉口、洞口等設計難題，指導并優化設計，提出了目前BIM技術在隧道工程中的問題及建議，為BIM技術在隧道工程中的應用提供參考和借鑒。

關鍵詞：BIM技術;公路隧道;軟件;三維設計

中國分類號：U452文獻標識碼：A

0 引言

廣西地處西南邊陲，經濟發展落后，以前的公路修建多是以繞行山體或圍繞山體修建盤山公路為主，公路工程填挖方嚴重。隨著國家以及廣西經濟的發展，隧道修建日漸提上日程。隧道工程是公路工程建設中的重點和難點，需要配合各專業相互銜接、協同。傳統的二維設計在信息傳遞方面存在天然劣勢，專業之間的溝通協調、設計與施工到運維之間的技術交底及信息傳遞不暢，這對公路工程項目建設各階段都造成了一定程度的影響。而具有可視化、協調性、可出圖性等特點的BIM技術，能夠有效解決這些問題。本文以廣西區都巴高速公路發瑞隧道BIM設計為例，探討BIM技術在公路隧道設計中的應用。

1 BIM概述

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，最開始是由美國查爾斯·伊斯曼教授[1]在46年前提出的，他認為傳統的建筑圖紙存在多余的信息，且在數據傳遞過程中有可能造成傳遞缺失，由此，他提出了建筑描述系統，這被認為是BIM的起源。截止到目前美國對BIM研究已經較為廣泛深入[2]。

我國最早引入BIM理念的是建筑行業[3]，BIM技術在許多國內大型項目中已率先展開應用，如紹興體育場、上海國際金融中心、昆明滇池國際會展中心、深圳美術館新館[4-6]等多個國家的重點項目中。基于BIM技術的可視化、可出圖、協同設計、參數化設計等[7]特點，交通工程行業也逐漸開始引入BIM技術進行項目管理、設計、運維等。隨著BIM技術的發展，它也開始滲透到設計人員的設計理念中，慢慢改變施工人員的施工模式、運維管理人員的管理方式，引領交通行業邁入現代化建設的浪潮。

2 BIM技術在國內隧道設計中的應用情況

雖然BIM技術在我國的應用已經很多，但大多集中在建筑行業，在隧道工程中的應用還不算多，但國內隧道同仁們逐漸開始對城市隧道及地鐵、鐵路隧道開展BIM應用。例如李坤[8]將BIM技術在地鐵車站建模、計算及工程量統計中成功應用。朱偉南[9]在楊高路跨線隧道運用達索平臺進行協同設計、建模管理、統計工程量等。李君君等[10]在石鼓山隧道中運用BIM技術進行隧道3D設計，從模型建立到附屬信息、工程量統計、二維出圖，在鐵路隧道設計方面提出了一套三維解決方案。

BIM技術在國內隧道的應用大多集中在市政隧道、地鐵、鐵路隧道，在公路隧道設計中的應用還不多，這也跟BIM技術在公路工程中的應用較少有關。本文結合同行們的經驗，針對公路隧道技術特點，運用BIM技術對發瑞隧道進行地質建模、洞門設計、隧道交叉口設計等研究。

3 軟件平臺

3.1 歐特克（Autodesk）公司平臺軟件

Autodesk平臺以InfraWorks 360和AutoCAD Civi 3D土木工程設計軟件為基礎，能夠建立一套面對公路工程，包含道路、橋梁、隧道等全要素全生命周期的信息模型，并兼有Autodesk Revit軟件，在建筑行業的應用比較豐富。

3.2 達索（Dassault）公司平臺軟件

達索平臺適用于復雜造型、大體量項目管理與設計，它具有曲面建模、參數化建模等功能，為各專業設計人員提供了豐富的設計及建模手段，能夠實現復雜空間造型、模擬分析等多種設計功能，幫助設計人員提高設計效率和質量。借助ENOVIA協同設計技術，實現基于網絡平臺的并發式設計，提高設計和管理效率。

3.3 同豪土木公路BIM正向設計系統

上海同豪土木工程咨詢有限公司針對公路工程項目特點，開發了BIM正向設計軟件，包含路線、橋涵、隧道等九大子系統。系統充分考慮了建模需求和設計習慣，使設計師基于軟件進行項目正向設計、建模和出圖。

3.4 本特利（Bentley）平臺

基于Bentley平臺，在ProjectWise軟件下集成Microstation、Prostructure、PowerCivil等軟件建立的模型，在ProjectWise平臺下，使設計師們能夠在一個統一的平臺下管理各種軟件，建立工程模型，包括道路、橋梁、邊坡、隧道、路線交叉、景觀綠化等，真正實現了項目團隊協同設計。Bentley軟件還可以生成imodel輕量模型，并通過Navigator軟件，對模型進行審查，實現了各專業各參與方的BIM三維協同設計。

本文采用Bentley軟件平臺作為基礎平臺，對發瑞隧道進行BIM建模及應用。

4 發瑞隧道BIM應用分析

4.1 項目概況及難點

發瑞隧道是都安至巴馬高速公路最長的一座隧道，長度為5 329.5 m，位于河池市大化瑤族自治縣江南鄉發瑞村北西側約600 m，采用分離式隧道。隧道建成后將是廣西最長隧道，其隧道設計包含諸多難點：（1）隧道屬特長隧道;（2）地質條件復雜，巖溶、裂隙發育，對隧道結構安全危害極大;（3）隧道交叉口多且復雜，圍巖應力大，設計和施工難度大。針對項目特點和難點，充分利用BIM技術優勢建立模型，優化設計。

4.2 模型建立

（1）建立地質模型。導入鉆孔底層數據，針對隧道地形陡峭、鉆孔數量少的問題，建立虛擬鉆孔，提取出每個地層在鉆孔中的位置關系點，分別構建對應巖體及地面層，如圖1所示。

[JZ][XCLL38.TIF][TS（][HT9.H][JZ]圖1 發瑞隧道地質模型圖[TS）][KH-*1]

（2）基于Bentley PowerCivil軟件，建立路線文件，并在CivilStation designer軟件中批量生成隧道橫斷面模板，同時基于路線文件，生成廊道，引用隧道橫斷面模板（如圖2所示），批量生成隧道模型。對于橫斷面模板可做成參數化模板庫，便于后期模型修改及更新。基于不同圍巖的橫斷面模板，對隧道采用各級圍巖襯砌支護形式，可視化展示隧道結構。

（3）傳統的二維設計對交叉口鋼筋、型鋼的表達不夠直觀，工程量計算不夠精確，通過三維構建交叉鋼筋、型鋼等模型，設計交叉口并精確統計工程量，從而實現不同襯砌類型、交叉口、橫通道等精準銜接，解決了隧道二維設計時結構構件難以表達的難題。如圖3所示。

（4）建立隧道洞口模型。由于本隧道復雜的地質、地貌條件，在研究開挖邊仰坡的穩定性以及洞口山體對排水的需求后，建立隧道洞口三維地質模型（如圖4所示），可以直觀地觀察隧道洞口邊仰坡高度、坡度，按照“早進晚出”的原則確認隧道口所在位置，選擇合適的洞門型式。這比傳統的二維設計更加精準，并能減少重復設計工作。

4.3 總結

發瑞隧道目前主要在設計階段采用了BIM技術，建立了隧道整體結構模型及復雜節點的詳細設計模型，方便設計交底及施工。

（1）目前，針對公路及隧道工程應用BIM技術所要交付內容還沒有形成統一的標準[11]，項目的不同參與方無法形成統一的架構體系，這嚴重阻礙了BIM技術的發展，也無法發揮BIM全生命周期的優勢。建議下一步建立國內統一的應用標準體系。

（2）目前的BIM應用還遠未達到全員使用的程度[12]，BIM技術作為一個工具，只有在項目前期、設計、施工、運維都使用BIM技術的情況下才能發揮它的最大價值。而國內交通工程BIM應用采用多種軟件平臺，例如Autodesk平臺、Bentley平臺、CATIA平臺等，設計、施工等項目參與方采用的軟件平臺多有不同，各種軟件平臺之間的信息交互無法保證信息的完整。建議下一步針對交通工程及隧道應用技術特點，統一軟件平臺，加大人員使用力度。

（3）隧道結構與地質情況息息相關，隧道設計及施工也是根據地質情況時有變化，而目前主要是在設計階段主導BIM技術應用，項目業主、設計、施工之間的銜接不暢，阻礙了隧道工程BIM技術的發展。下一步建議改變現有的管理模式，采用以項目業主為主導，設計、施工為輔助的BIM技術管理新模式，充分利用BIM技術的各項優勢。

6 結語

通過在實際項目中運用BIM進行隧道三維設計，擺脫了二維設計交叉口等表述不清的難題，圖紙更加精細準確，減少設計變更，對設計進行優化，進一步提高了設計質量，實現了重要的經濟和技術效益。

BIM技術的發展過程中雖然存在諸多問題，但是隨著BIM應用軟件的不斷開發，以及設計人員的不斷努力，逐步引導建立BIM應用標準，BIM技術在公路隧道甚至交通工程中的應用將不斷得以完善，將不斷地促進BIM技術在整個交通及建筑行業的發展。

參考文獻：

[1]李建成.BIM研究的先驅——查爾斯·伊斯曼教授[J].土木建筑工程信息技術，2014，6（4）：114-117.

[2]何關培.BIM總論[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]蘇小超，蔡 浩，郭東軍，等.BIM技術在城市地下空間開發中的應用[J].土木建筑工程信息技術，2014，15（3）：219-223.

[4]李華峰，崔建華，甘 明，等.BIM技術在紹興體育場開合結構設計中的應用[J].建筑結構，2013，43（17）：144-148.

[5]張建平，劉 強，張 彌，等.建設方主導的上海國際金融中心項目BIM應用研究[J].施工技術，2015，44（6）：29-34.

[6]蔡嘉明，鐘文武，安有生.節點法項目管理在超大型工程中的BIM應用[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2016，41（1）：110-118.

[7]盧琬玫.BIM技術及其在建筑設計中的應用研究[D].天津：天津大學，2013.

[8]李 坤.BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用研究[J].鐵道工程學報，2015，197（2）：103-108.

[9]朱偉南.BIM技術在城市隧道工程中的應用[J].土木建筑工程信息技術，2016，8（5）：71-77.

[10]李君君，李俊松，王海彥.基于BIM理念的鐵路隧道三維設計技術研究[J].現代隧道技術，2016，53（1）：6-10.

[11]戴林發寶.隧道工程BIM應用現狀與問題存在綜述[J].鐵道標準設計，2015，59（10）：99-102.

[12]張建新.建筑信息模型在我國工程設計行業總應用障礙研究[J].工程管理學報，2010，24（4）：387-392.