高速公路隧道正向設計中BIM技術的應用

文／劉剛鋒 中鐵長江交通設計集團有限公司 重慶 401121

引言：

隨著社會經濟與科學技術發展速度不斷加快，高速公路隧道工程建設規模進一步擴大，面臨的施工環境更為復雜。因國家依然持續加強交通基礎設施建設，高速公路隧道工程具備巨大發展潛力。BIM技術在我國經歷了幾十年發展，實際應用范圍日漸擴大，通過將BIM技術應用在高速公路隧道工程建設過程中，能夠進一步加強隧道施工期間的資源分配效果，通過構建起三維模型，集成優化高速公路隧道結構。

1、BIM技術概念

隨著計算機及繪圖技術日漸成熟，BIM理念更加清晰。2007年美國率先發布首部國家級BIM標準，并將BIM技術稱之為工程信息模型物理及功能特征的數字化表達形式。

我國在對BIM技術的研究過程中，將BIM技術定義為在高速公路隧道工程及高速公路隧道設施全生命周期內為工程規劃及實施全過程提供充足的信息化支持的信息技術，以使工程各類重大事宜決策更加科學合理。同時，BIM技術也可借助物理及功能特征的數字化表達方式，使工程幾何尺寸、彈性模量、功能等均能夠直觀展現在設計及施工人員面前，促進工程建設全過程信息一體化發展。

2、BIM技術功能

2.1 協調功能

在高速公路隧道工程結構施工與施工方法的選擇過程中，需要重點關注各施工流程之間的緊密性，需要軟件自身具備較高的協調性功能。借助構建起的高速公路隧道信息三維模型，可以使各專業施工理念直觀展現在三維立體模型中，使現代高速公路隧道工程各施工流程的協調性能夠從根本上表現出來，使施工方案的可行性進一步提升。

2.2 可視化功能

同高速公路隧道工程傳統三維繪圖技術手段相比，BIM技術可以將高速公路隧道內部結構利用三維模型的方式展現，為高速公路隧道工程施工環節提供重要的可視化支持，確保工程在施工與施工期間的各環節均能夠體現在模型之中，使施工人員準確掌握工程結構，及時發現施工方案存在的各類問題，制定出專項可行解決對策。

2.3 綜合功能

通過將BIM技術高效應用在現代高速公路隧道工程項目施工管理工作中，也可以為相關工作人員直觀展現出高速公路隧道工程結構空間關系特征，對實際施工方案進行不斷優化，最大限度降低涉及變更問題發生概率。同時，由于BIM技術可以構建出能夠切實反映出高速公路隧道工程實際情況的三維模型，可以使工程施工期間的綜合資源得到優化配置，確保高速公路隧道工程能夠實現高質高效完成建設目標。

3、BIM技術在高速公路隧道正向設計中的應用積極作用

借助BIM技術，在社會經濟發展速度不斷加快，高速公路隧道工程建設規模進一步擴大的情況下，可以使高速公路隧道施工管理設計及施工更為精細，使工程建設全過程的進度及成本得到根本上管控。

通過將BIM技術高效應用在現代高速公路隧道工程項目正向設計管理工作中，也可以為相關工作人員直觀展現出高速公路隧道工程結構空間關系特征，對實際設計方案進行不斷優化，最大限度降低涉及變更問題發生概率，使工程建設全過程的資源得到優化配置，實現延長高速公路隧道施工管理全壽命周期的目標。

就目前來看，國家及有關部門針對BIM技術在建設行業中的應用現狀，頒布了統一的應用標準。但就高速公路隧道施工管理而言，BIM技術的實踐經驗較少，需在研究適用于現代高速公路隧道工程BIM應用的框架中投入充足的人力及物力，確保BIM技術能夠在現代高速公路隧道工程管理時發揮出積極作用。

配合使用BIM模型，對各專業的BIM模型進行集成管控。從根本上提升各專業軟件之間的互通性，確保軟件能夠實現靈活對接目標。

將BIM技術應用在工程進度管理過程中，確保BIM軟件可以實時查閱工程實施全過程的資源投入、施工計劃執行情況。分析導致工程進度緩慢的原因，對工程進行全方位管控，為具體工作及管理決策的制定提供重要理論依據。

配合使用BIM技術，基于BIM模型對安全方案及質量控制方案進行交底。重點標注工程質量及安全管控重點環節。交底過程中還需要明確工程各參與方工作職責，消除存在于工程管理期間的主觀判斷以及信息不對等問題。

將BIM技術應用在工程商務管理過程中。最大限度發揮出BIM協同管理平臺中的合約規劃、合同登記、合同單據審批等功能。輔助監理工作完成項目實施期間報量單、變更單、簽證單的在線報批與審批，從根本上提升EPC工程項目整體管控水平。

4、高速公路隧道正向設計

4.1 正向設計概念

在早期BIM技術應用過程中，BIM軟件主要應用在翻模層次，屬于逆向設計手段，BIM模型通常作為附加設計成果。隨著正向設計工作日漸推廣，高速公路隧道工程正向設計應用范圍逐步擴大。

具體而言，正向設計需要利用BIM模型完成設計任務流程，在三維環境下進行隧道項目參數化設計、方案優化設計、施工圖設計。通過與設計模型有機結合在一起，實現同步優化目標。正向設計是一種創新設計手段，能夠從根本上提升設計工作的質量和效率。

4.2 設計建模軟件

在隧道正向設計過程中，需要首先選擇適宜的隧道設計建模軟件，要求設計軟件應當滿足高速公路隧道建設實際要求。以Revit軟件為例，該軟件具備強大的參數化設計功能，能夠支持二次開發插件，融合可視化編程軟件，進一步提高異型結構建模及數據管理水平。同時，該軟件平臺還能夠與BIM技術實現高效互換，具有開放性語義獲取性特征，用戶操作界面良好，實際應用效率更高。

4.3 參數化建模技術

選擇適宜的參數化建模技術，構建起參數化模型。參數化技術現被應用于成熟的商業CAD系統軟件中，可以將領域知識嵌入到模型，從根本上提升模型的可重用性。

參數化CAD系統是一種基于參數化草圖與幾何結構操作的雙重方法，在具體使用過程中可以使用參數及幾何約束定義繪制2D草圖，借助幾何構造操作創建或修改復雜的3D幾何體。參數化模型十分靈活，能夠更好適應不斷變化的約束條件。

參數化CAD系統是一種基于過程的技術，能夠保留模型所需的結構步驟。同時，參數化模型定義了結構步驟之間的各項依賴關系，在用戶這單個操作進行修改的情況下，系統能夠對整個幾何模型做出更改。

4.4 正向化設計具體建模流程

在利用Revit軟件進行公路隧道設計工作中，需要嚴格遵照實際流程開展建模工作。

（1）定義模型細節層。高速公路隧道工程設計的專業性強，內部包含內容多，存在大量的約束及限制條件，需要設計人員開展集中并持續的操作。具體而言，隧道工作需要著重考慮不同尺度，如從車道路線的公里尺度到橫斷面細節設計的厘米尺度等。現有隧道工程依然以平面設計為主，平面圖紙需要展示出多個尺度及不同細節層次，經常會出現漏洞問題。而通過配合使用參數化建模技術構建起多尺度隧道模型，能夠將每個尺度由專門細節層次展示，保障不同尺度模型的全面性和一致性。

（2）選擇適宜的多尺度隧道模型建設方法。配合使用Revit設計軟件，開發出具體的幾何操作形式，創建復雜的隧道3D模型以及各模型之間的依賴關系，完成多尺度隧道模型創建工作；

（3）構建三維地質模型。地質信息表達及分享主要由地質平面圖與地質剖面圖展示，但難以直觀展現出全部地質信息。配合使用BIM三維可視化技術手段，進行更加全面的地質信息處理，為高速公路隧道正向設計工作提供重要的理論依據。 Revit軟件中提供了創建地形的工具，但實際功能較為薄弱，難以被有效應用在三維地質模型創建中，需要配合使用其他軟件創建地質三維模型。如圖1所示是某高速公路隧道地址三維模型。

圖1 某高速公路隧道地質三維模型

5、BIM技術在公路隧道正向設計中存在的問題

5.1 專業技術溝通不順暢

公路隧道正向設計具備獨立的知識體系及軟件平臺支持，各專業之間接口較多，在設計過程中還應當著重關注信息的公開與共享，確保設計期間的各類信息及數據能夠實現集成與自動化傳遞目標。但就目前來看，由于BIM技術在具體應用期間缺乏各專業部門之間的有效溝通平臺，導致技術人員在理解設計意圖時需要花費大量時間，設計工作效率從根本上難以保障。

5.2 公路隧道正向設計意圖表示不清

在公路隧道工程地質環境勘察與設計工作開展期間，需要著重收集公路隧道工程相關數據，并與地方政府部門進行協商，最終由施工單位嚴格執行施工方案，確保工程建設效果與實際設計目標相符。在設計部門與施工部門交接過程中，用于展示施工細節的圖紙依舊以二維圖紙為主，某些附著項目設計只包括文本描述，導致施工方難以更好理解設計意圖，使后續施工工作存在較多問題。

5.3 公路隧道設計成果缺乏維護

在公路隧道工程建設完畢后，需要在全壽命使用周期中開展維修及維護工作。隧道維修期間也需要依賴設計圖紙找尋關鍵維修部位、故障問題發生原因。但由于現有隧道工程設計工作沒有深入到隧道維護環節，導致設計成果沒有得到有效維護，嚴重影響到工程實際運行效果。

6、BIM技術在高速公路隧道正向設計中的應用流程

6.1 BIM平臺選擇

高速公路隧道工程實施期間涉及許多專業，各專業之間的聯系頻繁，需要開展協同設計工作。結合現有公路隧道工程設計BIM系統研究成果，可借助GIS技術、互聯網技術等構建起一套全流程、全專業、智能化的公路隧道工程設計體系，為BIM技術在工程設計中的應用提供重要平臺與數據支持，確保制定出的設計方案更加全面。

要求選擇出的BIM平臺軟件需要具備全面性、參數聯動性、三維可視化、一鍵出圖等功能，能夠有效兼容各種平臺，實現模型互導目標，使設計方案更為全面。

6.2 BIM基礎數據準備

在建立BIM三維模型過程中，需要首先建立起三維數字地面模型，配合使用機載激光雷達測量技術、無人機傾斜攝影技術，對公路沿線進行航拍，獲取高分辨率影像數據，從而形成更為全面的三維地形模型、三維數字模型。

6.3 BIM模型建立

借助BIM技術構建數字化高速公路隧道信息模型，可以使后續設計工作能夠圍繞該模型的細節及參數數值展開。通過使用可視化輔助圖形編輯軟件建立起高速公路隧道工程三維模型，然后利用測繪及地質調查等基礎信息，建立參數化數據庫，對高速公路隧道尺度、規格等參數進行標注。結合現有施工圖紙及資料搭建BIM平臺下的信息化數據模型，細致分析工程建設期間各環節實施要點，確保建立起的模型能夠切實滿足工程建設特征，避免在工程建設過程中因信息交流不通暢引發施工質量及效率問題。

基于BIM模型，整合項目類信息，創建材料清單，以快速總結各部件材料使用情況，為制造商提供材料生產依據，并為工程造價管控人員提供精準工程量，為實現高速公路隧道正向設計統一化、標準化生產目標提供充足理論依據。

6.4 BIM數據庫建立

在高速公路隧道正向設計過程中，需要依靠眾多信息資源支持，此些數據全面且復雜，僅依靠傳統人工管控方式無法從根本上提高數據利用率，因此還需要借助BIM軟件，對各類信息數據進行全面收集，增強工程建設全過程管控水平。利用BIM技術還能夠自動計算出裝配式高速公路隧道工程量，預算工程實際建設成本，增強工程建設綜合經濟效益。通過搭建起模量庫管理平臺，使工程建設全過程信息數據能夠得到最大限度資源共享，增強工程整體數字化管控水平。

著重建立起標準庫，為工程后續施工提供重要的參考依據。具體而言，BIM技術模型需要以建設標準庫為基準，標準庫內部主要包括明洞襯砌、套拱、超前支護、緊急停車帶、經驗庫的模塊。對于不同標準模塊應設置相應的構件尺寸，靈活調用文件庫內材料，對構建材料進行參數化處理，形成隧道每延米模型。通過建設標準庫，可以為四大模型提供更加豐富的標準模塊，從根本上提升隧道正向設計水平。

在BIM模型應用過程中，需要首先在模型內部導入緯地格式項目文件，建立隧道項目文件庫。結合項目文件中的各隧道內容，調用標準庫內的模塊，并在模塊中賦予隧道明洞、洞身襯砌，橫通道等參數數值，從而更好完成BIM建模工作。在BIM建模結束后，設計人員可參照具體情況對隧道明洞、襯砌結構、橫通道參數進行及時調整，使設計方案能夠處于不斷優化的狀態。

6.5 具體應用方向

將BIM技術應用在高速公路隧道洞口設計環節，以圖2所示的某隧道洞口為例，可以通過選擇洞口樁號、暗孔樁號、明洞類型，借助軟件自動求解隧道模型、三維地面模型開發情況，自動生成開挖邊仰坡，然后設計出洞門墻斷面參數、洞口邊坡參數、邊坡防護參數、回填信息以及節水溝參數，高效完成洞口設計工作。

圖2 某隧道洞口設計示例

在隧道洞身設計過程中，主要包括隧道平面、縱斷面、橫通道等設計工作。在使用BIM技術時，可以導入地址信息及三維地圖模型，對周邊圍巖條件，隧道埋深、隧道靜距離等信息進行全面分析，從而選擇更加適宜的襯砌結構。在布置橫通道完成后，優化隧道洞深設計方案。

利用BIM技術構建起三維隧道實景模型圖，確保隧道內較為復雜的空間關系，能夠在三維模型上直觀展現出來。要求在模型構建時應當著重關注隧道埋深、地質條件穿越情況、線間距大小、洞口偏壓情況，借助直觀對比分析，制定出切實可行的四道施工方案。

如高速公路隧道工程為特長隧道，也需要使用BIM技術首先構建起隧道三維實景模型，道路地質地形信息，直觀判別圍巖結構、深淺埋信息，做好橫通道的布置工作。由于特長隧道往往需要設置斜井來滿足隧道通風要求，提升工程實際施工效率，還可利用BIM技術對比不同斜井位置的設置優勢，選擇最佳斜井位置，充分發揮出斜井布置工作的積極作用。

7、BIM技術在高速公路隧道正向設計中的應用要點

為從根本上提升BIM技術在高速公路隧道正向設計中的應用可行性，需要借助BIM技術構建三維可視化模型，著重分析工程施工現場復雜地形環境，確保設計出的方案能夠與實際施工要求相符。

利用BIM技術對公路隧道工程正向設計工作進行協同處理。充分發揮出BIM技術的協同優勢，借助局域網或廣域網實現各設計工作協同目標。其中，網絡文學從設計需要在服務器上構建模型文件，其他專業工作人員借助網絡服務器調用及引用模型軟件。在局域網協作設計工作開展時間，不同專業設計人員掌握的設計文件及資料不同，可以在構建三維模型后利用數據共享平臺與其他設計人員共享設計資料，使設計部門能夠更加全面地了解到高速公路隧道工程設計建設要求。開放的同時做好權限的掌控，有其他設計部門想更改或共享設計文件時，必須得到設計文件所有者的批準，使專業設計文件的準確性及唯一性能夠得到根本上保障。

使用BIM技術設計三維隧道模型，應當選擇適宜的垂直與平面線，利用標準截面放樣及融合方法創建三維隧道模型。這種設計方法能夠更為準確地表達出高速公路隧道設計理念，從根本上提升設計質量效率。

結語：

總而言之，通過將BIM技術應用在高速公路隧道正向設計過程中，可以從根本上提高高速公路隧道設計水平，降低高速公路隧道建設后期的變更問題出現概率，控制高速公路隧道建設成本。為從根本上發揮出BIM技術在高速公路隧道正向設計中的積極作用，還需要結合高速公路隧道工程具體建設要求，構建起一支高素質設計團隊，合理利用BIM技術平臺，增強具體設計方案的全面性與可行性。