鐵路隧道工程系統(tǒng)分解結構(EBS)標準及應用研究

戴林發(fā)寶

(中鐵第四勘察設計研究院集團有限公司,武漢 430063)

引言

國外建設工程領域分解結構體系主要有兩大類，一類是以生產工藝或工種工程為主要原則進行分解和編碼，如MasterFormat體系；另一類則以元素或構成部位為主要原則，如UNIFORMAT體系[1-3]。受前蘇聯(lián)影響，我國建設工程領域分解結構體系與MasterFormat體系類似，這種模式為靜態(tài)計算和估算造價提供便利，但不利于全生命周期管理。我國鐵路工程具有鐵路線長、專業(yè)多、建設規(guī)模大、技術標準高、建設速度快等特點，而且工程復雜程度越來越高。然而，由于采用類似MasterFormat的體系，鐵路工程各個階段基本上處于相互獨立、相互脫節(jié)的狀態(tài)，無法滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，更無法實現(xiàn)鐵路工程全生命周期管理。EBS(Engineering Breakdown Structure)體系是一種體現(xiàn)專業(yè)要素和功能要素的樹狀結構體系，能通過逐級分解，形成一定精細程度的工程子系統(tǒng)[4-5]。作為基礎工作[6]，EBS為工程全壽命期各階段、各專業(yè)、各種管理職能提供一個共同的平臺[7]，以此整合規(guī)劃、設計、施工、運營等環(huán)節(jié)從而形成一體化管理過程[8]。而且，EBS是二維費用結構矩陣的基礎[9]，是鐵路工程造價體系的前提，在工程造價管理中也發(fā)揮著重要作用。

為了適應未來鐵路信息化發(fā)展的需求，中國鐵路BIM聯(lián)盟參考《鐵路工程工程量清單計價指南》，結合鐵路工程各專業(yè)施工質量驗收標準，制定了EBS標準[10]。本文以鐵路隧道工程為研究對象，首先從工點劃分原則、實體結構分解、編碼等方面介紹了鐵路隧道EBS分解體系；然后研究了隧道EBS與工程量計算軟件的結合方法，緊接著闡述了隧道EBS標準在隧道工程BIM模型中的應用，最后指出了隧道EBS標準當前存在的問題和下一步的工作方向。

1 鐵路隧道EBS分解體系

1.1 工點劃分方法

與傳統(tǒng)隧道設計有很大的差別，隧道工點劃分進一步細化，一個隧道至少包含3個工點，即進口、出口、洞身3個工點。工點的具體劃分如下[10]：

(1)每座洞門為一個單獨工點；

(2)每處連續(xù)段落的明洞應為一個工點；

(3)每處輔助坑道應為一個工點；

(4)正洞的暗洞部分按照工作面劃分工點。

1.2 隧道EBS實體分解

工程結構分解可以采用線分類法、面分類法、線分與面分結合法。相比起其他的分類組織方法，線分法具有層次好、易查詢、符合傳統(tǒng)的設計思想等優(yōu)點，因此工程建設行業(yè)在規(guī)劃、設計、施工、運維各階段的管理基本上按照線分法的分類原則[11-12]。隧道EBS實體分解也采用線分法。分解方法概述如下。

隧道專業(yè)節(jié)點下區(qū)分隧道和明洞，隧道和明洞均按新建和改建區(qū)分，新建隧道下，進一步按照隧道長度劃分，EBS前5級的劃分如圖1所示。

圖1 隧道結構分解(前5級)

第6級正洞按圍巖等級區(qū)分，往下進一步分解為洞身開挖、支護、襯砌、拱頂壓漿；洞身開挖由超前地質預報和開挖兩部分組成，而超前地質預報又可按預報方法分解為地質素描、地震波反射法、地質雷達、超前水平鉆探、加深炮孔、紅外探測；襯砌可以分解為混凝土、鋼筋、回填注漿、綜合接地、沉降觀測與評估。混凝土可以進一步分解為拱墻、底板、仰拱填充、踏步等。正洞分解如圖2所示。

圖2 正洞分解(部分)

1.3 隧道EBS編碼

隧道EBS編碼采用層次碼，每一層用兩位數(shù)字表示，上一層級必須包含下一層級，同一層級相互排斥。以隧道管棚為例，第1級編碼為工點類型碼，代表隧道專業(yè)；第2級為隧道類型碼，用于區(qū)分隧道工程和明洞工程；第3級用于區(qū)分新建工程和改建工程；第4級和第5級用于區(qū)分概預算類型；第6級用于區(qū)分正洞和輔助坑道或其他工程；第7級用于區(qū)分支護措施所在的地質情況；第8級用于指定支護類型；第9級到具體的構件。隧道的EBS層次碼的結構如圖3所示。

圖3 隧道EBS層次碼結構圖示例

2 EBS與工程量計算軟件結合研究

既有的隧道工程量統(tǒng)計軟件已經(jīng)使用多年，已經(jīng)形成了基于各類速度目標值的工程量數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫包含正線數(shù)據(jù)和輔助坑道數(shù)據(jù)。正線數(shù)據(jù)包括超前支護、初支、二襯、明洞、洞室、洞門、注漿、工法、防排水、變形縫、附屬等；輔助坑道數(shù)據(jù)包括超前支護、初支、二襯、洞門、注漿、防排水、變形縫、附屬等。通過支護措施數(shù)據(jù)，軟件可以自動計算獲得相應工點的工程量。軟件的數(shù)據(jù)組成如圖4所示。

圖4 隧道工程量計算軟件的數(shù)據(jù)組成

由此可知，數(shù)量計算軟件數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)也是按線分法組織，這為EBS與數(shù)量計算軟件的結合提供了基礎。每一個EBS名稱都對應一個唯一的EBS編碼，因此通過在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中添加“EBS編碼”字段，可以實現(xiàn)工點數(shù)量與EBS工程量的轉換[13-14]。由于同一個構件，其編碼可能隨著地質條件、斷面大小、隧道長度等的變化而變化，因此需將EBS編碼分解為項目碼和構件碼兩個部分，構件碼是個固定編碼，而項目碼會根據(jù)項目屬性生成，EBS編碼生成如圖5所示。

圖5 EBS編碼生成

通過以上方式，軟件生成的工程量將附帶EBS編碼信息，接下來僅需將工程量轉換成EBS工程量清單。為了便于數(shù)據(jù)與軟件的交互，首先將EBS標準表轉化為數(shù)據(jù)交換公共語言XML，XML表達EBS標準如圖6所示。再通過EBS編碼的相互映射，生成最終的EBS工程量清單。

圖6 XML結構化表達EBS標準

3 EBS與BIM結合研究

3.1 EBS與BIM關系

與IFD、IFC一樣，EBS也是BIM重要的數(shù)據(jù)標準，但是三者相互關聯(lián)又互有區(qū)別。IFC和EBS描述工程實體方式不一樣，前者描述工程是什么，側重于結果；后者描述工程怎么做，側重于過程[3]。IFD和EBS采用兩種分類體系對工程實體進行分解，IFD采用面分法，EBS采用線分法，一個工程實體對應一個EBS編碼，卻需要多個IFD編碼組合才能表達，這也導致了當前IFD編碼很難真正應用于BIM模型，即便應用了組合碼，也會讓后續(xù)的鐵路工程參與方很難解析。

隧道EBS標準發(fā)布的目的之一就是為隧道BIM模型提供基礎數(shù)據(jù)支持，因此，EBS標準在BIM模型中的應用研究至關重要，關系到EBS標準的發(fā)展方向。本文主要從工點劃分、實體分解和EBS編碼三個方面，研究EBS標準在BIM設計中的應用[15-16]。

3.2 按EBS劃分隧道BIM模型工點

對于不帶輔助坑道的隧道，一般來說劃分為進口、出口、明洞段工點、各個作業(yè)面工點；對于帶輔助坑道的隧道，除了上述工點之外，每個輔助坑道為一個單獨的工點，輔助坑道施工正洞部分，每個作業(yè)面為一個單獨的工點。常規(guī)的隧道BIM模型工點劃分如圖7所示。

圖7 常規(guī)的隧道BIM模型工點劃分

3.3 按EBS分解隧道BIM模型構件

EBS標準為隧道工程從業(yè)者提供了工程實體分解的標準。比如在EBS標準中，襯砌可以分解為混凝土、鋼筋、回填注漿、綜合接地、沉降觀測和評估；混凝土可以進一步分解為拱墻、底板、仰拱、仰拱填充、踏步。按照EBS標準確定構件層級結構并建立襯砌混凝土模型，二襯BIM模型EBS分解如圖8所示。

3.4 隧道BIM模型構件應用EBS編碼

按EBS分解體系建立BIM模型之后，通過隧道BIM設計軟件開發(fā)，以屬性附加的方式將EBS編碼添加到模型中。BIM模型的一大優(yōu)勢就是所有的參數(shù)都可以隨時提取，工程量可以自動計算[17-18]。本文通過腳本的方式，實現(xiàn)EXCEL數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)關聯(lián)，自動生成EBS工程量清單。

4 結論與展望

4.1 結論

(1)在深入解析隧道EBS標準的基礎上，提出了基于EBS標準的隧道工程量計算軟件的實現(xiàn)方法。

(2)提出了工點劃分原則、實體分解結構、EBS編碼系統(tǒng)等標準在BIM模型中的應用方法，并通過編寫腳本實現(xiàn)了BIM模型自動生成EBS工程量清單。

(3)當前的隧道EBS標準還存在一些問題，結合杭黃天目山隧道試點項目，總結如下。

①EBS標準參考的規(guī)范已經(jīng)廢止或更新。國家鐵路局已發(fā)布《鐵路工程工程量清單規(guī)范》，并將于2020年6月1日起實施，《施工質量驗收標準》也于2019年全面更新。

②覆蓋范圍不夠全面。當前的隧道EBS標準僅包括鉆爆法山嶺隧道，未包含TBM法、盾構法等其他工法隧道，覆蓋范圍還需進一步擴充完善。

③精細度不足。當前的鐵路隧道EBS基本上可以分解到分項工程這個層級，可用于宏觀的工程量和費用管控，但在與BIM結合的過程中發(fā)現(xiàn)，大量的隧道BIM零部件細節(jié)模型找不到相應的EBS編碼。建議進一步擴展完善以滿足BIM設計需求。

4.2 展望

長期以來，我國的鐵路工程設計、施工、管理均采用按專業(yè)線分法的模式，短期內很難改變，因此從這點上來看，EBS標準有其天然的優(yōu)勢，再加上EBS標準與計價關系密切，因此，相比其他數(shù)據(jù)標準，EBS標準更有實用價值。

鐵路隧道EBS標準的發(fā)布為隧道建筑信息模型的建立提供了基礎數(shù)據(jù)支持。然而，當前隧道EBS標準并沒有廣泛運用于隧道工程設計、施工和運維，相關的研究也較少。因此，對于隧道EBS標準，結合當前存在的問題，下一步應開展的工作包括以下3方面。

(1)參考最新的《鐵路工程工程量清單計價指南》和《鐵路工程施工質量驗收標準》等規(guī)范修正現(xiàn)行標準；補充各種工法隧道工程實體；擴展隧道工程零部件和編碼定義，完善隧道EBS標準。

(2)在EBS分解的基礎上，進一步確定WBS、項目分解結構、工程量清單分解結構、工程投資分解結構等。

(3)加大力度推廣應用隧道EBS標準，充分發(fā)揮其在隧道領域的作用，在使用過程中不斷反饋、修正標準。

隨著BIM技術的不斷成熟，EBS與BIM的結合將更加緊密。以BIM模型為載體，EBS為組織和編碼標準，互聯(lián)網(wǎng)為紐帶，在設計、施工、運維等各參建方中共享BIM模型，搭建全壽命周期管理平臺，實現(xiàn)鐵路隧道工程的全壽命周期管理。