BIM 技術在高速鐵路隧道上的應用研究＊

李 娟，王銳生

（廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州510430）

目前，軌道交通飛速發展，國家投入軌道交通類的專項資金日益增加，伴隨著國家高速鐵路的“八縱八橫”計劃的全面開展，國家鐵路網絡日益擴大，對于鐵路建設要求越來越嚴格。鐵路是交通運輸中不可或缺的一部分，運用BIM技術進行研究對其發展起著重要作用。

1 發展現狀

國內最早在2000 年就有專家進行BIM 方面的研究，2007 年正式提出BIM 這個概念。2007—2012 年國內處于BIM 的概念階段，開始有人預料到BIM 的到來并已做好準備，到2012 年住建部《關于印發2012 年工程建設標準規范制訂修訂計劃的通知》正式宣告BIM 時代的來臨[1]。

BIM 技術在建筑行業的應用已經趨于成熟，但就目前國內BIM技術在高速鐵路隧道中的應用現狀來看，國內的BIM技術目前還存在著一些應用上的不足，總體呈現出探索的發展狀態。

1.1 國內高速鐵路發展現狀

高速鐵路是一項龐大而且復雜的系統性工程，在全壽命周期中需要多專業間密切配合，頻繁地進行多種形式的信息交互，以及設計、施工、監理、運營等多個參與方溝通協作共同完成。因此，高速鐵路在全壽命周期中往往產生了一系列問題，主要表現為以下幾個方面。

1．1．1 各專業間信息溝通不及時、不對稱、不順暢

高速鐵路各專業之間接口繁多，目前相當一部分的信息共享和交換主要由人工完成，不能實現設計信息的集成和自動化傳達，使得各專業間溝通需要耗費大量時間來處理和理解其他相關專業提交的數據資料[2]，經常發生由于信息溝通不及時、不對稱等導致人力、時間的浪費現象，大大降低了高速鐵路系統的運作效率。

1．1．2 對整個高速鐵路項目的表達和理解不明確

高速鐵路項目在勘測設計過程中需要與業主、和當地政府進行設計方案影響因素的采集和協商[2]，最終的設計成果需要施工單位嚴格地執行。只有這樣，才可以確保設計成果的科學性和設計理念的正確實現。設計方將設計成果向業主和施工方交底時，大部分采用的是二維圖紙的形式，施工方不能準確地理解設計意圖，這將直接影響到工程建設的進度和質量，導致設計意圖得不到合理實現，并造成人力、物力、財力的浪費。

1．1．3 設計成果不能有效地服務于高速鐵路運營、維護和管理

高速鐵路在建造完成后運營時期長達幾十年，在此期間需要進行經常性的大規模的鐵路養護和維修。但多數鐵路問題的發現和解決還依賴于人力，養護過程中還需要查找問題路段的設計資料，但由于設計單位一般不參與鐵路養護，設計成果不能得到正確理解，致使養護維修工作的效率低下。

1.2 BIM 技術的發展現狀

在國內，市政道路及房建項目的BIM 技術及其應用已趨于成熟，但高速鐵路BIM 技術的應用總體來看還處于探索階段。例如，在滬通長江大橋項目中，為提升大橋建造和管理水平，搭建BIM 管理系統，首次引入咨詢審核和過程評估，結合GIS 實現精細化BIM 建模、可視化交底、圖紙管理、施工計劃編制、三維施工日志、進度分析、工程量統計、施工監控、鋼橋制造信息化等功能模塊在項目管理中的應用[3]。隨著中國高速鐵路戰略空間迅速擴張，項目管理可視化、智能化要求提高，工程項目轉型升級的需求越來越迫切和廣泛，高速鐵路BIM 技術的應用已迫在眉睫。

2 BIM 技術在高速鐵路上的發展狀況

BIM 技術的應用與研究離不開計算機軟件的支持，目前為止，幾乎所有BIM 軟件公司都不是從事鐵路行業的軟件開發商。各個軟件公司所提供的BIM 軟件都不能很好地適用于高速鐵路工程，要在鐵路行業進行BIM 運用，必須要做鐵路行業的產品定制和專用模塊開發[4]。

2.1 BIM 軟件支持及其應用情況

當前比較活躍及成熟的BIM軟件公司有Autodesk公司、Dassault 公司、Bentley 公司及i3 聯盟等。

Autodesk 公司的Revit 軟件主要適用于房建工程。

設計：包含了建筑、結構及MEP（Revit Architecture，Revit Structure，Revit MEP）， 應用此軟件建模，產生出來的文件格式為rvt。

模型發布文檔格式：Revit 檔案可以發布為nwc 文件，nwc 文件是只讀的檢視文件，包含Revit 模型的外模和屬性數據。

審查：Autodesk 公司的BIM 審閱軟件是NavisWorks，NavisWorks 讀取nwc 文件后，可以讀取此檢視文件的3D 模型及所有的屬性信息。NavisWorks 對nwc 文件所做的任何動作，例如意見標注、碰撞檢查、視點儲存、模型剖分等這些審查作業的操作產出，都另存在一個nwf 文件中，nwf 文件不含模型和屬性，NavisWorks 軟件會依據文件儲存的位置文件夾，自動將模型文件nwc和意見文件nwf建立連結關系。

模型校對：審查人員收到設計人員發布的nwc 文件后，審查制作nwf 意見文件，只要將nwf 審查文件傳遞給設計人員，設計人員開啟審查人員的nwf 文件，就能清楚審查人員對模型設計的哪些地方有意見并進行修改。

Bentley 公司的BIM 設計軟件是以AECOsimBuilding Desinger 為主，包含了建筑、結構及MEP 三個模塊，產生的文件格式為dgn。

模型發布文檔格式：AECOsim 可以發布為.i.dgn 文件，.i.dgn 文件是只讀的檢視文件，包含外模和屬性數據。

審查：Bentley 公司的BIM 審閱軟件Navigator 和Autodesk 公司的NavisWorks 作用原理類似，Navigator 軟件讀取.i.dgn 文件后，可以讀取此檢視文件的3D 模型及其他屬性信息，但不能進行修改。Navigator 對.i.dgn 文件做的動作為：針對模型特定位置的意見標注、碰撞檢查、視點儲存、模型剖分、繪制輔助像素等附加的信息，都另外存在一個.overlay.dgn 文件中，.overlay.dgn 文件同樣不含模型及屬性信息，Navigator 軟件會依據文件儲存的位置文件夾，將模型文件.i.dgn 與意見文件.overlay.dgn 建立一個連結關系。

模型校對：審查人員收到設計人員的.i.dgn 文件后，審查制作一個.overlay.dgn 意見文件，只要將.overlay.dgn 審查文件給設計人員，設計人員打開審查人員的審查意見文件，就能夠了解審查人員對模型設計的哪些地方有意見并進行修改。

Autodesk 公司的Inventor 軟件以及Dassault 公司的Catia軟件較適用于機械工程制造，其中Dassault 公司的Catia 軟件主要用于汽車飛機船舶行業，建筑、家電行業也有Catia軟件的應用實例，其應用非常廣泛。

2.2 BIM 技術在高速鐵路上的應用情況

當前很多BIM 軟件都不適用于高速鐵路工程，高速鐵路需求的各專業在很多BIM 軟件上都沒有明顯體現。主要因為軟件的服務對象和建模思路與高速鐵路工程不相同。鐵路工程相比于普通建筑和機械工程有一個很大的特點是工程規模的巨大，同時數據量也特別龐大。在建模方面，Revit不能滿足其復雜的建模要求，建模思路上也難以靠近；而Inventor、Catia 軟件因為具有更加靈活的幾何建模功能，可以適用于隧道橋梁方面，但相對而言Catia 具有更加出眾的建模能力和數據處理功能。BIM 技術在高速鐵路中應用的困難點主要是處理格式不同，各大BIM 軟件還沒有涉及鐵路方面的數據尺寸格式，同時，還有建模方面的不同和一些鐵路專有構件的建立。這些都是BIM 在鐵路方面面臨的問題。

3 BIM 技術在高速鐵路隧道上的實際案例研究

以貴陽至南寧高速鐵路某隧道為例，運用BIM 技術在鐵路上的應用研究，闡述取得的成果及存在的問題。為了建立高速鐵路隧道模型，需要建立高速鐵路隧道的可視化信息庫、與其協同的數據格式與完整的環境系統，引進了BIM軟件的部分功能，對BIM 軟件進行二次開發運用，達到了預期的效果。

3.1 工程環境設定

為了建立實際的隧道開挖環境，建立了如圖1 所示的地形、時間、氣候及場地模擬系統。地形包含實際地質地貌與地形特征；時間及氣候系統包括一年日期選項、一天時刻選項、光照等級、降雨等級、風速等級模擬等；場地模擬包括項目部、混凝土攪拌站、鋼筋加工棚、材料庫房、空氣壓縮站、變電所、油庫、炸藥庫、雷管庫、蓄水池模擬等。

圖1 隧道開挖環境模型

3.2 工程施工設定

通過邁達斯隧道設計等類型軟件數據庫，分析對應的地形地質地貌、圍巖等級及土體壓力等因素，對應采取不同的襯砌類型及隧道施工方法模擬。

案例：某隧道位于桂北巖溶山區，峰叢洼地地貌，地形起伏較大，測區上覆第四系全新統坡洪積礫砂土、碎石土、粉質黏土、坡殘積粉質黏土。洞身淺埋及出口段覆土厚；下伏基巖為二疊系下統茅口組灰巖夾硅質巖地層，下統棲霞組灰巖，隧道地層巖性單一，構造為穩定的單斜構造區，局部受區域構造影響，局部巖層層面扭曲，隧區節理產狀多為陡傾角垂直節理，發育兩三組節理，主要地質問題為巖溶，危巖溶石、淺埋及緩傾地層。

圍巖級別分別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

對應的襯砌類型：雙耳墻加強明洞、Ⅳb、Ⅳa、Ⅲb、Ⅴb、Ⅴc。

施工方法：明挖法、臺階法、臺階法+臨時仰拱、CRD法，如圖2 所示。

工法模擬：暗挖處置施工是隧道建設的高風險階段，也是施工控制的主要難點。通過開挖支護施工工藝進行三維動態演示，實現了可視化動畫施工技術交底。

進度模擬：利用BIM 技術輔助進度管理，先模擬后施工，能夠有效避免或減緩因施工圖紙設計缺陷、設計變更、進度計劃中遺漏工作項、邏輯錯誤、動態碰撞等造成的進度延誤。

3.3 使用模式設定

3D 模擬使用：結合三維虛擬引擎和BIM 軟件優勢開發3D 使用模式。

VR 外設仿真全景體驗：軟件提供VR 端口結合VR 外設進行全景體驗。

4 結束語

以貴陽至南寧高速鐵路某隧道為例，闡述BIM 技術在鐵路中取得的成果及存在的問題。主要針對工程案例進行分析研究，介紹了應用功能和方法，促進BIM 技術的發展。BIM 技術近年來在建筑工程方面取得了一定的成績，但在鐵路工程短時間內仍無法實現工程的全生命周期管理。在國內現有技術政策及外部條件下，BIM 技術短期內無法完全代替傳統的二維設計，BIM 技術在高速鐵路工程中仍有很長一段路需要去探索發展。