基于BIM的鐵路隧道附屬洞室設計研究與應用

曾 昊，曹 力，趙國強，汪 明，唐雪芹

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM 中心，成都 610031）

隨著中國鐵路建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）聯盟13 項鐵路BIM 標準及國家鐵路局《鐵路工程信息模型統一標準》的發布，BIM 技術應用在鐵路工程中的標準與規范日趨完善[1]，各大型鐵路項目對BIM 應用的需求也逐步提高。經過多個試點項目應用經驗的積累，鐵路設計單位逐漸從基于二維設計圖紙創建BIM 模型的逆向設計，過渡到基于基礎資料完成BIM 設計并結合模型和信息完成二維圖紙生產及成果交付的正向設計[2]。

目前，國內已有大量基于BIM 技術的正向設計理論方法及案例，對隧道洞身、洞口的BIM 設計均有一定的研究[3]，而基于BIM 技術的附屬洞室設計相關研究還較少，大部分研究成果集中在基于特定平臺下的附屬洞室建模方法上[4]。本文結合鐵路隧道的特點，研究一套基于BIM 技術的鐵路隧道附屬洞室（簡稱：附屬洞室）設計方法，借助BIM 設計軟件二次開發，實現附屬洞室快速、精準設計，顯著提高隧道設計效率，避免洞室碰撞問題。

1 附屬洞室設計現狀分析

傳統基于計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Design）的附屬洞室設計主要包含2 個階段：

（1）在參考圖設計時，根據項目的需要，設計不同圍巖等級地質條件下附屬洞室詳細尺寸、支護措施及工程數量，形成附屬洞室通用參考圖；

（2）在工點設計時，由設計人員根據項目設計原則及設計經驗預先布置一組洞室，再以洞室寬度為基礎，依據洞身襯砌分段、四電專業提資并綜合考慮圍巖條件，對洞室進行調整優化。

目前，傳統設計方法的主要問題集中在附屬洞室布置方面，尤其是在開展長大隧道洞室布置時，由于洞身存在復雜的接觸網下錨段落、不良地質區域及斜井、橫洞、橫通道交叉段落，需要布置幾十甚至上百個附屬洞室，并逐一排查、優化洞室位置，需要花費大量的時間；同時，由于布置過程中需要考慮的因素過多，導致部分洞室位置仍然無法完全滿足設計要求，并且此類問題在常規設計審查流程中難以被發現，最終可能會流入施工階段，造成工程變更，影響項目工期和成本[5]。

造成以上問題的根本原因，是傳統設計方法使附屬洞室布置的各種信息分散在不同的基礎資料和圖紙上，需要設計人員將各種信息進行整合后開展附屬洞室布置，整合過程中難免出現紕漏。而通過BIM 技術的應用，將完整的設計信息集成在BIM 上，通過分析集成在模型上的信息便可實現附屬洞室的自動布置和自動避讓，可有效解決上述問題。

2 附屬洞室BIM 設計流程

在充分考慮現有隧道二維設計圖紙出圖規范及鐵路BIM 交付精度標準、模型表達標準的基礎上，本文結合傳統二維CAD 設計流程，提出基于BIM 技術的鐵路隧道附屬洞室設計流程，如圖1所示。

圖1 鐵路隧道附屬洞室BIM 設計流程

（1）基于行業規范及項目設備工作空間要求開展附屬洞室內輪廓設計，并根據水文地質條件，通過類似工程經驗或有限元分析，在洞室內輪廓設計基礎上完成附屬洞室結構設計；

（2）在隧道洞身襯砌分段基礎上，結合附屬洞室布置避讓原則及站后專業設施設備布置要求等資料，開展附屬洞室布置優化；

（3）根據附屬洞室布置結果建立BIM，核查模型與其他結構的碰撞和近接情況進行布置優化；

（4）附加BIM 交付所需的信息并生成二維交付要求的圖表，將相關成果移交后續專業使用。

3 鐵路隧道附屬洞室BIM 設計

3.1 附屬洞室BIM 設計

附屬洞室類型包含避車洞、余長電纜腔及各類設備專用洞室等，各洞室功能不同結構形式也各不相同。其中，余長電纜腔僅作為存放預留電纜用，洞室滿足基本作業空間的需要即可，一般尺寸較小；設備洞室在滿足余長電纜腔功能的同時還需考慮存放設備的凈空和承載力要求，需設計專用結構存放設備，一般尺寸較大。故在開展隧道工點附屬洞室BIM 設計時應首先確定項目洞室類型，分類制作不同的洞室模板。在制作附屬洞室模板時，根據設計方式的不同可分為以下2 種方式，在實際設計工作中需要根據整個隧道項目的BIM 設計思路進行選擇，如表1所示。

表1 兩種附屬洞室參數化模板設計方法優缺點及采用建議

3.2 附屬洞室布置設計

附屬洞室布置是傳統二維設計下的難點，也是需要利用BIM 技術重點優化的環節，在開展BIM 設計時需在充分考慮附屬洞室布置原則的基礎上，結合優化算法實現附屬洞室的批量自動布置。

3.2.1 布置原則

對長度大于500 m 的隧道，依據《鐵路隧道設計規范》及具體項目對洞內附屬設施布置的要求，附屬洞室布置需滿足隧道運營及檢修要求，其主要原則如下。

（1）隧道內需要按照一定間距布置常規洞室，如余長電纜腔、避車洞、梯車洞等。同時，根據通信、信號、供電等站后專業提資要求布置設備專用洞室，如變壓器洞室、直放站洞室、探測站洞室等。

（2）設備專用洞室一般可兼作余長電纜腔等常規洞室，故從經濟性和結構安全性方面考慮，設備專用洞室在布置時盡量根據專業提資與常規洞室進行合并布置。

（3）洞室應盡量選擇圍巖條件較好處布置，避免在斷層破碎帶、軟巖大變形等不良地質段落布置。

（4）洞室不能跨過襯砌斷面和圍巖分級變化處、施工縫、伸縮縫、變形縫，并需保持一定距離。

3.2.2 布置優化

本文提出2 種附屬洞室布置的優化方法。

（1）進行洞室預布置后，逐一排查附屬洞室與邊界條件的關系，若發現沖突，計算洞室需要移動的最小距離，將預布置洞室整體移動后重新排查，直到所有洞室均未與邊界條件發生沖突；

（2）在發現沖突后僅移動沖突位置及后續的洞室，并對移動后的洞室重新排查直到所有洞室滿足布置要求。2 種優化方式如圖2所示。

圖2中粉色區域為根據隧道襯砌分段等信息形成的邊界條件，若在根據洞室布置的間距要求形成附屬洞室預設計方案后，發現第3 個洞室進入了邊界條件，則該方案不滿足布置要求，需要對其進行優化。方法 1 是將所有洞室均向前移動一個距離，調整后所有洞室仍為等間距；方法 2 是僅移動第3 個及以后的洞室，調整后僅第 2 和第 3 個洞室的間距縮短。2 種方法均滿足了布置要求，其中，方法 1 最大程度地利用洞室布置間距，可有效減少最終洞室的布置數量，但難以完成邊界條件復雜的長大隧道布置，更適合短隧道洞室布置；而方法 2 僅調整沖突后的洞室，可適應任何復雜的邊界條件，適用于長大隧道的洞室布置。

圖2 附屬洞室布置的2 種優化方式

3.3 附屬洞室模型建立

目前，業內主流的BIM 設計軟件僅提供基礎的三維造型和布爾運算功能，導致BIM 設計工作中設計人員耗費在建模上的時間遠大于設計本身，難以在有限的設計周期內充分利用BIM 的優勢優化設計成果、提升設計質量。而針對附屬洞室設計，為了滿足最終三維模型的交付，需通過設計軟件二次開發著重提高附屬洞室批量建模及洞室模型與正洞模型剪切的效率[6]，減少附屬洞室設計過程中耗費在三維建模上的時間，讓設計人員專注于附屬洞室結構設計及布置優化上。

由于不同BIM 設計軟件建模及二次開發方法各有差異，本文僅以Bentley 平臺為例，介紹基于該平臺進行二次開發時附屬洞室建模的4 個重點。

（1）剪切規則的可配置性。不同項目在不同階段對建模的精度要求各不相同，為更好地適應不同項目的具體需求，需提供洞室與正洞襯砌剪切規則的配置功能，如剪切位置正洞和洞室各自需要保留的部分、洞室水溝與正洞水溝順接方法、洞室鋪裝的類型和坡度等。

（2）模型剪切的效率。為提高模型之間的剪切效率，需將建模時的參數信息直接附加在模型上，當洞室與正洞剪切時通過讀取建模參數快速重構模型，實現模型間的布爾運算。針對信息的讀寫，Bentley 平臺下有ECSchema、ItemeType 及Xdata 這3 種形式，經大量測試表明，Xdata 的讀寫速度高于其他形式，在批量進行附屬洞室建模時能大幅提高模型剪切效率。

（3）建模穩定性。在隧道BIM 設計過程中，往往需要一次性處理幾十處洞室建模，為了提高批量建模的穩定性，在二次開發時需要注重對建模異常情況的處理和追蹤能力。當某一處洞室與正洞剪切失敗時，提取異常信息并繼續執行后續洞室建模，當所有洞室模型建立完成后整理形成建模反饋表，便于設計人員定位并分析異常原因。

（4）設計信息的保留。隧道模型的設計信息以ItemType 形式存入模型，在執行布爾運算時會丟失，因此需在剪切前提取模型的所有信息并在剪切后重新附加，以確保信息不丟失。

4 附屬洞室設計實現及應用

4.1 設計實現

本文對鐵路隧道附屬洞室的設計已應用于鐵路工程隧道三維BIM 正向設計系統V1.0 項目，實現的效果如下。

（1）在附屬洞室模板設計方面，由于搭載了完整的隧道設計數據庫，采用了3.1 中完全數據化的附屬洞室模板設計方式，將附屬洞室結構設計參數存入隧道設計數據庫，提高了模板在洞室布置、建模、出圖、算量中的調用效率，也為后續實現鐵路行業元數據交付[7]提供支持。

（2）在附屬洞室布置方面，綜合了3.2 中2 種優化算法，開發了集成智能附屬洞室布置工具，通過設置布置模式、布置間距、避讓距離等參數，結合設計數據庫中的洞身分段、輔助坑道、不良地質等里程數據實現洞室批量布置及自動優化，在初步布置完成后還可根據需要對布置后的洞室位置、類型進行調整以滿足站后專業預留的要求。

（3）在附屬洞室建模方面，依據3.3 中的重點要求，開發了高效的洞室建模工具。通過結合模板設計和布置設計成果，可實現附屬洞室的批量建模，并可自動與隧道洞身模型進行剪切并根據交付精度標準[8-9]的要求完成設計信息附加。根據測試，利用該工具批量完成40 座洞室的建模時間由原來的4 h縮減至15 s，顯著提高了洞室的建模、剪切及信息附加效率。

4.2 方法應用

本文已將鐵路隧道附屬洞室的布置方法應用于一條處于施工圖設計階段的長約9 200 m 的鐵路雙線隧道。按照布置要求，隧道左右側需分別布置專用洞室和余長電纜腔且單側間距不大于500 m，同時在固定里程布置4 處變壓器洞室，并避開活動斷裂帶、破碎帶等不良地質段落。

為驗證布置方法的準確性及效率，同步開展了基于CAD 的二維附屬洞室設計工作。利用洞室智能布置工具，將不良地質及輔助坑道位置信息導入設計數據庫形成邊界條件，基于前期洞身縱斷面設計工具[10]形成的襯砌分段BIM 成果，總計布置洞室40 處，其中余長電纜腔17 處、專用洞室19 處、變壓器洞室4 處，總用時約15 min；同步開展的基于CAD 的二維設計，總計布置洞室42 處，其中1 處余長電纜腔布置在活動斷裂帶內，洞室布置用時約1 h。經對比，采用BIM 正向設計進行附屬洞室設計，在洞室的布置效率和經濟性上均優于傳統方法，最終該隧道附屬洞室采用BIM 正向設計的布置方案進行交付，設計成果如圖3所示。

圖3 附屬洞室BIM 設計成果

5 結束語

本文提出的基于BIM 技術的鐵路隧道附屬洞室設計，在不打破原有CAD 二維設計流程的基礎上，利用BIM 技術對附屬洞室模板、布置方式及成果交付等設計環節進行優化，串聯上下游設計數據，保證了BIM 設計成果能充分滿足現有工程設計環境下對二維及三維圖的交付要求。通過在Bentley 平臺下開展正向設計軟件研發并應用于施工圖設計，證明該研究能在提高設計效率的同時顯著提高設計質量，相關研究成果也為其他平臺下附屬洞室BIM 設計軟件的研發提供了理論依據，為推進鐵路隧道BIM 正向設計提供支撐。