基于CATIA的BIM技術(shù)在隧道設(shè)計中的應(yīng)用

秦海洋，湯永凈,2，陳智遠(yuǎn)

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院 土木工程系，浙江 嘉興 314051；3.上海市黃浦區(qū)教育局校產(chǎn)管理站，上海 200025)

0 引 言

BIM(building information modeling)起源于美國。1975年，美國佐治亞理工學(xué)院C.EASTMAN[1]首次提出BPM(building product models)和PIM(product information models)思想，這成為BIM理論的原型；2002年，J.LAISERIN[2]完善了BIM理論并進(jìn)行了系統(tǒng)化定義；2003年，美國總務(wù)管理局制定的“3D-4D-BIM”方案成為世界上首例由政府主導(dǎo)的BIM技術(shù)研究方案[3]；2007年，美國國家建筑科學(xué)研究所制定了世界上首例BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《National BIM Standard》[4]；2009年，威斯康星州率先要求大規(guī)模公共建設(shè)項目應(yīng)當(dāng)引入BIM技術(shù)[5]。與此同時，其他國家也逐步展開了BIM技術(shù)的研究[6]：日本于2003年開始探索BIM技術(shù)，在2006年嘗試將BIM技術(shù)應(yīng)用于本國特殊工程的建設(shè)中[7-8]；英國于2003年開展了BIM技術(shù)的研究，并在2009年頒布了本國首部BIM標(biāo)準(zhǔn)《AEC(UK)BIM Standard》[9-10]。

與建筑BIM相比，由于隧道工程具有地質(zhì)復(fù)雜、未知風(fēng)險高及線性分布的特點(diǎn)，隧道BIM技術(shù)的發(fā)展相對緩慢。在英國的Crossrail地鐵項目中[11-12]，Bentley公司為地鐵項目的順利進(jìn)行提供了云技術(shù)服務(wù)，項目的公共數(shù)據(jù)環(huán)境(CDE)被正式遷移到了云端，云技術(shù)為后期混合云計算處理和數(shù)字模型的數(shù)據(jù)更新提供了技術(shù)支持，同時也提高了項目交付效率和成本效率。

隧道BIM技術(shù)在中國的應(yīng)用主要依賴于建筑行業(yè)的REVIT 3D、BENTLEY、ARCHI CAD軟件以及機(jī)械航空領(lǐng)域的CATIA軟件，各類軟件具有不同的特征，適用范圍也有所差異。如：REVIT 3D幾乎面向所有行業(yè)，較高的普適性造成較低的專業(yè)性，難以在隧道行業(yè)推廣；BENTLEY 費(fèi)用較高難以推廣，形成數(shù)據(jù)交換的障礙；ARCHI CAD軟件與BENTLEY 軟件相似，具有較高的行業(yè)專業(yè)性，因此較難普及；CATIA源于機(jī)械航空領(lǐng)域，其精準(zhǔn)建模特征適用于道路的平縱曲線設(shè)計，側(cè)重于曲線建模，因而更適用于隧道工程。研究表明[13-16]，CATIA可以與GIS、GE、Midas NX等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，便于模型后期的功能應(yīng)用，形成“骨架 + 軀體”的隧道建模理念。我國的新鼓山[17]和石鼓山[18]建設(shè)中分別應(yīng)用了基于CATIA和REVIT平臺的BIM技術(shù)。

筆者基于現(xiàn)有成果，結(jié)合隧道工程線狀分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于CATIA 的BIM 技術(shù)(CATIA + BIM技術(shù))“骨架 + 軀體”的建模方法，結(jié)合福州金雞山隧道實際工程，完成了隧道BIM模型在設(shè)計階段的創(chuàng)建以及在施工階段和運(yùn)維階段部分功能應(yīng)用。結(jié)果表明，CATIA+BIM技術(shù)的“骨架 + 軀體”建模理念與隧道工程“線狀分布”的結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)，該技術(shù)適用于隧道工程的建模和精細(xì)化設(shè)計。

1 隧道CATIA+BIM技術(shù)

1.1 建模理念

CATIA+BIM技術(shù)，即先完成基準(zhǔn)模型(骨架)和各構(gòu)件模型(軀體)的創(chuàng)建，再進(jìn)行構(gòu)件模型(軀體)的裝配，非常適合線狀分布的隧道工程的建模設(shè)計，以路線為“骨架”，以各構(gòu)件模型為“軀體”(圖1)，實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計的核心思想。

圖1 “骨架 + 軀體”——CATIA+BIM技術(shù)的隧道建模理念

1.2 建模框架

CATIA+BIM技術(shù)的隧道模型創(chuàng)建的全過程均為開放狀態(tài)，各部門可隨時通過中央云平臺進(jìn)行BIM模型的更新，實現(xiàn)了BIM模型的協(xié)同設(shè)計。建模過程分5步進(jìn)行，如圖2。

圖2 CATIA+BIM技術(shù)的隧道建模

Step 1山體模型。用地形軟件GIS或GE提取目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)信息和高程數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入CATIA的DSE(digitized shape editor)模塊作為山體模型的擬合點(diǎn)；用CATIA的Mesh功能完成山體模型的擬合；通過三維地質(zhì)軟件Gs Design將山體模型與地勘數(shù)據(jù)相結(jié)合，生成三維地質(zhì)模型。

Step 2路線“骨架”。將二維路線(主視圖和俯視圖)導(dǎo)入CATIA的GSD(generative shape design)模塊，利用Mixing功能生成三維空間曲線。可以根據(jù)需要在三維曲線的不同位置進(jìn)行標(biāo)記，以滿足后期模型組裝的需要。

Step 3構(gòu)件“軀體”，包括輪廓繪制和模型創(chuàng)建。輪廓繪制既可以在CATIA的Drawing模塊中進(jìn)行，也可以通過外部接口直接導(dǎo)入模型完成；在GSD和Component模塊中分別進(jìn)行模型曲面和實體的創(chuàng)建。

Step 4參數(shù)驅(qū)動。設(shè)置內(nèi)置參數(shù)并與模型尺寸關(guān)聯(lián)，修改參數(shù)便可以驅(qū)動模型完成實時更新。

Step 5屬性附加。數(shù)字化屬性是傳統(tǒng)物理模型與建筑信息模型的本質(zhì)區(qū)別。除了添加剛度、彈性模量、透明度等基本屬性外，還可以添加造價、燃燒系數(shù)等功能屬性。由于各階段模型均屬于開放狀態(tài)，因此可以根據(jù)需求隨時補(bǔ)充需要的屬性信息。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程背景

金雞山隧道位于福州市，東西走向，起點(diǎn)湖東東路K0+000，終點(diǎn)三八路K1+650，自西向東分別經(jīng)過湖東東路、晉安河、金雞山和三八路，全長1 650 m。隧道中部埋深較大、兩端埋深較淺，成魚腹?fàn)畈贾谩Ｋ淼雷笥揖€相距6～25 m，通過6個橫向通道相連，其中1個是車行橫道，5個是人行通道。

2.2 CATIA+BIM技術(shù)隧道模型創(chuàng)建

2.2.1 山體模型

金雞山隧道CATIA+BIM技術(shù)的建模方案如圖3。為了簡化模型，達(dá)到過程分析的目的，筆者僅生成山體表面，不涉及地質(zhì)模型部分。金雞山山體模型的創(chuàng)建步驟如下：

圖3 CATIA+BIM技術(shù)在金雞山隧道建模中的應(yīng)用

1)坐標(biāo)提取。在Google Earth地圖中選定目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后提取坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。

2)山體擬合。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA的DSE模塊，生成數(shù)據(jù)點(diǎn)的包絡(luò)面作為山體表面。

2.2.2 路線“骨架”

將二維路線導(dǎo)入CATIA的GSD模塊，利用Mixing功能生成隧道的三維路線。由于不涉及地質(zhì)模型，因此，按照相同厚度創(chuàng)建隧道襯砌模型。

2.2.3 構(gòu)件“軀體”

以路線為基準(zhǔn)，創(chuàng)建隧道的構(gòu)件模型，包括錨桿模型、仰供模型、鋼拱架模型等。筆者分別以錨桿、洞口和橫向通道模型的創(chuàng)建為例，闡述金雞山隧道“軀體”模型的創(chuàng)建過程。

1)基于“UDF + Loop”的錨桿模型創(chuàng)建。“UDF+Loop”循環(huán)中的參數(shù)包括步距s和圍巖強(qiáng)度e。通過s將e和自定義特征UDF關(guān)聯(lián)在一起，e的改變會使得s發(fā)生變化。然而，由于簡化了三維地質(zhì)模型，可忽略參數(shù)e，因此，參考實際的圍巖強(qiáng)度進(jìn)行路線分段。在初始路線上繪制草圖并生成錨桿實體，將草圖、模型、步距及內(nèi)部關(guān)聯(lián)定義為UDF，并在KC(knowledge consultant)模塊中通過Loop功能進(jìn)行錨桿模型的循環(huán)布置。

2)基于“Sketch + Tracer”的洞口模型創(chuàng)建。金雞山隧道的洞口U型槽屬于高次復(fù)雜曲面，CATIA提供的Sketch+Tracer模塊可以完成高次曲面的設(shè)計。首先將平面圖導(dǎo)入Sketch + Tracer模塊，通過Mixing功能生成三維輪廓路線，基于Bridging功能完成三維曲面的填充，并通過Entity功能生成洞口模型。

3)基于目錄庫系統(tǒng)的橫向通道模型創(chuàng)建。對于橫向通道，在目錄庫系統(tǒng)中修改目標(biāo)模型的設(shè)計表，就可以關(guān)聯(lián)BIM模型的尺寸參數(shù)，完成相應(yīng)的變動，進(jìn)而調(diào)用目標(biāo)模型。橫向通道目錄庫的創(chuàng)建分3步進(jìn)行：初始模型的創(chuàng)建，設(shè)計表的創(chuàng)建，關(guān)聯(lián)目標(biāo)模型后生成目錄庫文件。

2.3 CATIA+BIM技術(shù)隧道模型應(yīng)用

金雞山隧道CATIA+BIM技術(shù)模型在工程各階段的應(yīng)用如圖4。

圖4 CATIA+BIM技術(shù)在金雞山隧道工程中的應(yīng)用

2.3.1 設(shè)計階段的應(yīng)用——設(shè)計優(yōu)化

模型創(chuàng)建完成后，可以附加不同屬性進(jìn)行不同功能分析，例如：附加燃燒參數(shù)進(jìn)行火災(zāi)模擬和疏導(dǎo)方案分析，添加價格信息進(jìn)行造價計算，添加物理信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析等。筆者以錨桿碰撞檢查、洞門工程量計算、襯砌變形的有限元分析為例，對金雞山隧道BIM模型的功能應(yīng)用進(jìn)行研究。

1)錨桿碰撞檢查。CATIA可以高亮顯示碰撞部分，并提供每一例碰撞檢查結(jié)果。對錨桿模型進(jìn)行碰撞檢查過程如圖5，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分錨桿存在碰撞現(xiàn)象。

圖5 錨桿碰撞檢查

2)洞門混凝土工程量計算。將C25混凝土密度屬性附加至洞門模型，在CATIA的Drawing模塊中選擇洞口U型槽模型進(jìn)行工程量清單統(tǒng)計(圖6)，統(tǒng)計結(jié)果中包含編號、數(shù)量、描述、體積及重量等信息。

圖6 混凝土工程量計算

3)襯砌變形的有限元分析。在CATIA中選取目標(biāo)段隧道模型，通過CATIA-Midas接口導(dǎo)入Midas生成實體模型，完成拱頂下沉的計算與分析，如圖7。

2.3.2 施工階段的應(yīng)用——指導(dǎo)施工

施工階段對模型細(xì)度和類型的要求與設(shè)計階段不同，因此，需要對設(shè)計階段的模型進(jìn)行進(jìn)一步的處理才可以在施工階段使用。金雞山隧道的模型加工主要包括模型拆分、資源分配、進(jìn)度安排等。

1)模型拆分和資源分配。由于施工階段的隧道模型需要與人、材、機(jī)關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行資源配置，因此要考慮施工方法、團(tuán)隊和裝備等因素，對設(shè)計階段的信息模型進(jìn)行拆分，以適應(yīng)施工階段不同分析軟件的需求。

2)進(jìn)度安排。將達(dá)索平臺的DELMIA與隧道模型結(jié)合起來以甘特圖而不是文字描述的方式展示施工安排，從而極大地促進(jìn)了隧道施工過程的資源配置和協(xié)同合作。

2.3.3 運(yùn)維階段的應(yīng)用——運(yùn)維管理

在金雞山隧道運(yùn)維管理中，基于達(dá)索系列的3DVIA的火災(zāi)模擬功能對隧道通風(fēng)和疏導(dǎo)方案進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，金雞山隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足防火要求。

3 分 析

工程應(yīng)用表明：CATIA的曲線建模功能可以促進(jìn)隧道建設(shè)的精細(xì)化設(shè)計；CATIA軟件的“骨架 + 軀體”建模特征與隧道工程線狀分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相適應(yīng)；達(dá)索大平臺整合能力方便了設(shè)計部門、施工部門與運(yùn)維部門間的協(xié)同交流，促進(jìn)了隧道設(shè)計的信息化、數(shù)字化發(fā)展。

3.1 設(shè)計階段

基于達(dá)索平臺建模軟件，結(jié)合地質(zhì)軟件和功能軟件，可以完成隧道三維可視化模型的創(chuàng)建，并且CATIA的快速建模功能可以實現(xiàn)隧道的高效化建模，進(jìn)一步實現(xiàn)設(shè)計階段的碰撞檢查、工程量計算、結(jié)構(gòu)分析等功能，并完成隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

3.2 施工階段

BIM模型可以進(jìn)行施工模擬、碰撞檢查，避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計中難以發(fā)現(xiàn)的錯誤。通過施工模擬可以進(jìn)行不同方案的比選，并以甘特圖的形式生成進(jìn)度計劃，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)人、材、機(jī)資源的分配，既降低了工程造價，又提高了隧道施工的效率和精度。

3.3 運(yùn)維階段

由于尚處于探索階段，金雞山隧道BIM模型僅完成了可行性分析。其中，數(shù)字化的運(yùn)維管理系統(tǒng)可以實時進(jìn)行隧道工程的能耗分析、安全評估和資源配置，在優(yōu)化隧道功能的同時提高隧道運(yùn)行壽命。例如，運(yùn)維管理系統(tǒng)可以實時檢測并分析隧道交通量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，確保能耗與需求相適應(yīng)。

4 結(jié) 論

1)CATIA軟件“骨架 + 軀體”的建模理念與隧道的線狀工程特征相吻合，因而可以用于隧道BIM領(lǐng)域。

2)CATIA+BIM技術(shù)可用于隧道工程的建模以及精細(xì)化設(shè)計，并完成施工和運(yùn)維階段的部分功能應(yīng)用。

3)在隧道設(shè)計階段，CATIA+BIM技術(shù)可快速創(chuàng)建隧道模型，實現(xiàn)碰撞檢查、工程量計算、結(jié)構(gòu)分析和二維出圖等功能；在隧道施工階段，可以完成施工進(jìn)度安排、三維施工動態(tài)模擬以及資源的合理配置等任務(wù)；在運(yùn)維階段，可以實現(xiàn)火災(zāi)模擬，從而制定相應(yīng)的應(yīng)急措施。