隧道工程設計過程中BIM技術的應用

羅劍、胡火全

（江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

在公路隧道工程設計環節，傳統設計方法不能實現可視化參數調節，會影響隧道工程設計效果。而BIM 技術具備可視化、建模化等功能，可以在模型構建環節調節設計參數，對提高工程隧道項目的設計效果有重要幫助。

1 BIM 技術的協同設計

對于BIM 技術的協同方式而言，其包含局域網與廣域網，協同方式如圖1 所示。通過分析圖1 可知，各個專業的模型文件均作為本地文件的關聯文件，這種文件的布局形成工作集。在設計環節所有者在階段性工作完畢以后，只需要通過與中心文件進行同步，就能達到分發當前自己最新成果的目的。其他專業人員在該專業模型構建時，只需要得到作者的授權則即可進行模型的使用以及修改，這樣就能夠實現數據的更新。基于網絡模型的系統原理以及工作流程，相關分院的設計人員只需要將模型文件上傳到服務器，通過網絡或是代理服務器即可實現模型的參考以及調用[1]。

圖1 BIM 協同及設計

2 三維設計流程探索與研究

應做好線形和標準橫斷面的各項設計，結合工程資料創建和調整三維模型。此種方式能夠基本表達整體設計思路，但存在以下問題：一是會導致緊急停車帶出現嚴重的變寬現象；二是無法及時調整局部的行車距離和隧道主洞的情況；三是隧道洞口等不同的構件存在嚴重的精度不足。這些現象無法滿足設計要求。為了解決以上存在的問題，經過研究與探索，總結出兩套具有參考性意義的隧道構件處理方式。

2.1 族編輯器和驅動調用的解決方案

在歐特克公司的支持下，所開發出的建筑三維建模軟件，能夠通過可視化編程做好適當處理，是目前常見的一種隧道模型創建方法，更好地提升整體的效率和精準度。Revite dynamo 的具體應用操作如下：

2.1.1 挑選合適的族文件形成有效的隧道模型，確保精準度的全面提升。

2.1.2 在節點文件的使用過程中，嚴格按照重復性的操作，打造有效的集成文件，提高工作效率。

2.1.3 做好精準的控制系統的自定義服務，了解的文件內容，通過統一化的處理方式，打造具有系統性的模型體驗。該項方法在demo 軟件上得到了全面功能調整，為后期的各項推廣提供更多的選擇[2]。

2.2 三維線形放樣解決方案

這種方案是由本特利公司開發的，在三維建模軟件創建方法的基礎上，從不同設計角度進行調整，保證整體的精確度和模型輕量化的特征。所以為了更好地進行操作，要做出系統性調整。Power Civil 的具體應用要點是：

2.2.1 發揮PC 端的優勢，但是正面臨著以曲線方式形成橫斷面模型的一種落后形態。因此，選擇直線段的分割來進行處理和創建。嚴格按照導入的最小限行機制，做好圓弧段和控制點的全面處理工作。

2.2.2 在緊急停車帶廊道兩端，需要對電纜溝蓋板外端頂點進行全面約束，為后期公路變窄，做出適當的處理和調整。

2.2.3 附屬構件：通風照明設備嚴格按照不同的輔助形式打造穩定有效的軟件建模模型，逐步邁進當前的各項內容，做出適當的調整和處理。為了方便后期的各項參數修改，只有做好隧道構件庫的建設工作，確保整體效率的提升。

2.3 不同流程對比方案

Revit＋dynamo 的選擇方案是以拼裝模型作為主要的設計思路，通過參數化驅動的形式，實現dynamo的復雜體融合。憑借dynamo 中的編寫文件程序，確保了Revit 構建過程中的批量化處理和定位操作，在較短的時間內實現高精度模型的構建，選擇合適的方案，為后期的信息傳達和效果展示提供更多的有效依據。但是這種方法也有其自身的劣勢。

國際教育數據挖掘學會認為教育數據挖掘的主要目的為：利用數據挖掘的方法探索教育數據，幫助更好的理解學生以及學生的學習環境和背景，進而預測學習者群體的學習效果[2]。學習分析則通過搜集教與學過程中的行為數據，并應用機器學習和數據挖掘的方法和模型，從多個維度深度挖掘有價值的數據信息，揭示其中隱藏的學習行為模式，預測學習者的學習結果，從系統角度出發幫助學生、導師和教育管理者做學習和教學決策[3，4]。二者的關鍵不同在于教育數據挖掘側重于全自動方法發現教育數據隱藏信息，更多的用于結果預測；學習分析則偏向于采用人為主導的方法分析教育數據，更多的用于為學習行為和現象尋找可解釋和可理解的模型[5]。

作為一種典型可視化的編輯操作界面，dynamo 的操作手續相對復雜。面對大體積量會對日常的運行帶來嚴重的影響，整體的設計思路相對低端。Power Civil 思路的設計具有穩定的契合度，通過放樣融合的操作方式，可以保證平臺創建過程中的形態選擇，形成有效的模型構建，確保整體的精準度，使其符合目前的設計需求，并嚴格按照輕量化的操作方式，提升整體的承載性。參考方案流程特征對比詳見表1。

表1 施工方案流程比較

隨著BIM 技術在隧道項目中的推廣和使用，初步設計和施工圖紙設計有了更加明確的方向，包括項目的審批和施工的前期準備等各項復雜操作的內容。設計環節，需要嚴格按照建筑信息打造模型，使其具有高精度的形態。一般來說，在模型構建中，涉及三維地質模型、圍巖、鋼筋、木材等不同的信息形態。

從精度等級層面分析：包括主體結構和內部結構設計。在多項設計方案和附屬結構的設計下，形成穩定的形態；模型的基本深度需要嚴格按照當前內容等級進行確保，幾何尺寸的精確度也隨之提升，更好地呈現出物體的基本特征結構。總的來說，只有做好整體的外貌特征設計，才有利于后期的施工準備和模型的構建。在BIM 技術應用環節，涉及很多詳細的信息數據，所以在確保基本要求滿足的前提下，需要綜合周圍的各項因素進行參數優化，以提升設計效果。此次項目選用的是Power Civil 作為主要的建模設計軟件。

3 項目應用狀況

3.1 項目開展狀況

作為一段典型的控制性工程，此次施工的隧道主體是位于兩個城市區域的交界處。該地形特征復雜多變，據此判斷該地處于伏牛山系，海拔在700～1100m。面對復雜多變的地形結構特征，需要設計6.537km 的隧道長度。從隧道的內部結構來看，設置8 處車行橫通道和18 處人行橫通道。結合高速公路的設計內容，當前的公路等級和相關的內容要嚴格按照規范推進。行車的設計時速是100km。由于施工周圍的地質相對堅硬，整體的工程特征更加明顯。從當地的地下水情況來看，主體的地質構造以塊狀基巖裂隙水為主。表現出相對松散的狀態。此次隧道以復合式襯砌斷面設計作為主要的設計思路，方便后期的各項施工操作[3]。

3.2 三維建模實踐操作要領

3.2.1 在處理三維地形時，要時刻關注PC 中所選用的過濾器形式。直接關乎圖層、線形、顏色、高層等相關信息，并結合等高點和數據點實現全面數據檢測。一般情況下，要以特征作為地形數據模型的構建，打造具有典型意義的DTM 命名點。基于當前算法，最終形成的地形表面呈現出小三角形的平面特征。特別是要關注周圍三個點的三角形創建，形成地形的基本形態。

3.2.2 三維地質：做好鉆孔數據和地質剖面圖的選擇和設計工作，嚴格按照三維巖型模型打造有效的空間。在同一巖層和設計的工程范圍面內，為了維持整體的穩定性，要確保各項數據的充分發揮。所有的行程原理和流程要嚴格按照以下的工序推進：首先，全面落實地勘數據的整理工作，形成有效的地形曲面；其次，系統中輸入鉆孔的具體數據，形成系統完備的巖層信息，并對相對高差進行全面控制。在各項參數的共同作用下，地質結構內部的各項信息可以進行科學的把握和調整，并了解地形局面的各項高度類型，打造具有良好的剪面特征。通過具體數值的調整和構建，形成穩定的中層體，進而打造具有良好性質的地質三維模型。

三維地質的關鍵要素可以維持相關信息數據的穩定，確保地形數據的獲取和數據勘探的完整性，為后期的鉆孔數量和高程測量點的選擇提供更多的思路。地質模型會呈現出更加明確的基本特征，尤其是在處理地形構造時，要及時剔除個別極致點。做好兩點連線的控制工作，更加準確有效地繪制出實踐地形模型。在處理地質模型時，如果涉及許多其他方面的地質土層，要充分結合目前的三維信息數據，做好人為判定機制的提升工作。完善當前的三維地質模型數據信息，確保目前精確度和鉆孔的數據精確值，使其達到相應的設計規范和要求。從理論的角度來看，三維地質模型的精確度要有實際的勘察作為主要數據來源，并通過編審二維的方式實現高度一致的狀態。

3.2.3 三維路線模型：基于二維基礎全面升級原有的模型，對三維線形進行轉換升級。設計環節做好平面點的繪制工作，以此為基礎繪制縱斷面。設計時軟件會從大量的數據信息中出發，構建起完整的三維線形。從實際的應用環節來看，不同方式的選擇可以維持縱斷面的設計有效性。

首先，結合設計文件的總體方案思路，將主線數據設計融入三維地質模型的構件中，打造具有良好線路的方案，進而為地質巖層的各項數據提供更多的選擇。其次，在地質方案的優化設計時，還要保證沉降線路的各項要求，使其符合相應的設計。再次，在設計平面線路方案時，還要做好縱橫面的設計工作和處理了解當前的基礎形式，打造具有良好意義的三維空間模型構建，更好地推動三維主性文件的內容確立。最后，了解數據的各項內容，把握通道和斜井的基礎部分。從PC 軟件的平面數據來看，隨時添加有效的內容，打造具有三位一體的路線設計模型標準[4]。

3.2.4 圍巖劃分：參考巖石的堅韌程度和完整性，全面控制基本因素，特別是要關注定性特征和定量特征。在基本質量指標的修正環節中，隨時對各項內容進行科學判定，了解左右線和斜井圍巖的級別大小，確保隧道結構設計的參數指標符合規范，使其具有良好的類型特征。進出口端的圍巖整體等級是V級，表現出一種松散的狀態。結合洞口的控制級別，有效維持當前的穩定性能。一般會選擇錨桿噴射混凝土的方式進行全面加固，并做好基礎性的防護工作。嚴格按照實體材料進行科學設計，呈現出三維立體的模型特征，方便輕量化的設計和調整。

3.2.5 隧道橫斷面：從三維模型的原理出發，打造具有立體的隧道橫截面。在制作二維平臺的環節中，需要對橫斷面的模型文件內容進行完善升級，有效提升整體的精確度，形成穩定的圓弧段，把握核心特征。考慮到組件賦予的基本特征和特性，涉及初次和二次支護的操作內容和形式。緊急停車帶攔道的兩端，需要通過有效的形式進行約束，嚴格按照公路形態做好控制調整。

3.2.6 材質定義：通過PC 高度自定義化，實現材質屬性的全面釋放。通過專用性的工作空間，把握核心構件材質。嚴格按照基本的定義做好全面添加。三維模型的實現可以高效渲染當前的內容，并結合特征屬性打造良好的形式。工程量統計和報表能夠彰顯出初期建構的基本形態。

3.2.7 主洞、橫通道和其他細節：當橫斷面模板和材質庫形成體系后，就可以打造三維地形和地質模型。依托相應的軟件，形成系統的廊道功能。將隧道口的起點與終點實現連接，調整當前的輔助實體，實現布爾運算。同時，在緊急停車帶要考慮電纜溝的下沉狀況，把握核心特征[5]。

3.2.8 處理緊急停車帶邊框部分的技巧和措施：全面控制樁號不同點的分布情況，及時編輯橫斷約束點。當設計路線變寬變窄時，還要結合設計點進行調整。

3.2.9 錨桿、鋼筋：隧道錨桿處理會選擇線單元進行，并結合巖面的尺寸大小和數量規格，通過相關的軟件做好鋼筋的建模工作。現有的軟件平臺以復雜節點作為有效的參考形式，特別是在隧道交叉處，打造具有良好穩定的互動平臺。

4 結論

為了發揮BIM 技術在隧道工程施工的優勢，實現內部信息共享，本文在分析BIM 技術各項參數內容的同時，對隧道工程基礎性特征進行分析，提出了BIM 技術設計措施，且通過探討得出以下結論：其一，數據創建初期，從現階段的隧道內容出發，把握核心方案標準，更好地解決模型的精度問題。通過不同方案的對比參考，全面拓寬BIM 技術的設計想法。其二，隧道設計階段主要基礎內容是識記項目，故而從軟件參考出發形成三維的標準設計，驗證公路三維設計的可行性，方便后期的分析和處理。其三，隧道BIM 技術的應用和探索具有明確的方向，并做好統計和進度的模擬測試。在把握圍巖信息輔助功能的基礎前提下，通過三維模型的定義分析，實現科學有效的設計，如此，才可以更好地推動BIM 技術的全面推廣和應用，為國內的隧道工程建設提供科學有效的思路。