基于達(dá)索平臺的鐵路隧道工程全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用探討

■ 李俊松 董鳳翔 張毅 葉明珠

基于達(dá)索平臺的鐵路隧道工程全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用探討

■ 李俊松 董鳳翔 張毅 葉明珠

以達(dá)索平臺為技術(shù)支持，探索鐵路隧道工程各階段BIM技術(shù)應(yīng)用的解決方案。通過對BIM理論的廣泛調(diào)研，提出BIM在鐵路隧道工程中的定義并總結(jié)其特點，并以寶蘭客運(yùn)專線石鼓山高風(fēng)險隧道為工程依托，研究BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道全生命周期中的技術(shù)路線。實踐表明，BIM技術(shù)可為解決規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營各階段的信息斷鏈問題提供技術(shù)保障，使工程信息在全生命周期中得以有效利用與管理，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計方案、嚴(yán)控施工過程、提高運(yùn)營管理的目的，為進(jìn)一步提高我國鐵路隧道BIM技術(shù)應(yīng)用水平提供借鑒。

達(dá)索平臺；鐵路隧道工程；BIM；全生命周期；解決方案

0 引言

近年來，建筑信息模型（BIM）技術(shù)在建筑、機(jī)械、電子等行業(yè)的運(yùn)用日趨成熟，并帶來了革新性的變化，但在鐵路行業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步推進(jìn)，鐵路隧道工程已開始向低碳、環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展，將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道工程全生命周期中是必然趨勢。

我國針對BIM標(biāo)準(zhǔn)化開展了一系列研究工作，2008年由中國建筑科學(xué)研究院、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院等單位共同起草了《GB/T 25507—2010 工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范》；2010年清華大學(xué)BIM課題組提出了中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架（CBIMS），并編制了設(shè)計企業(yè)BIM實施標(biāo)準(zhǔn)指南。

我國建筑領(lǐng)域BIM技術(shù)的應(yīng)用案例頗多，也取得了一系列成果，相比之下鐵路隧道領(lǐng)域中BIM技術(shù)應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。在此基于達(dá)索平臺，提出了一整套BIM技術(shù)在鐵路隧道工程中應(yīng)用的解決方案，并結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線石鼓山高風(fēng)險隧道工程進(jìn)行實踐驗證。

1 概述

1.1 鐵路隧道工程中BIM的定義

在對相關(guān)資料進(jìn)行廣泛研究的基礎(chǔ)上，提出鐵路隧道工程中BIM的定義：利用信息模型對鐵路隧道項目進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營的過程。模型包含了項目所有的幾何尺寸、空間關(guān)系、結(jié)構(gòu)功能和性能等信息，項目不同參與方應(yīng)共同維護(hù)該模型，并基于相關(guān)信息進(jìn)行協(xié)同工作。

1.2 鐵路隧道BIM模型的特點

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對BIM模型特點的闡述，總結(jié)出適用于鐵路隧道工程的BIM模型應(yīng)具備的特點為：數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)調(diào)性、可操作和全過程。

2 BIM應(yīng)用的技術(shù)路線

由于BIM技術(shù)的應(yīng)用需要若干軟件相互協(xié)作共同完成，所以要求BIM模型在各軟件之間的數(shù)據(jù)交換具備無損、便捷和快速等特點，故建議選取同系列軟件或兼容性非常好的不同系列軟件。在考慮軟件建模能力、隧道專業(yè)需求、各階段用戶需求等方面因素后，選擇了達(dá)索平臺作為鐵路隧道工程BIM技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)支持。

在對達(dá)索系列軟件綜合測評的基礎(chǔ)上，規(guī)劃出鐵路隧道工程中軟件應(yīng)用的技術(shù)路線（見圖1）。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

石鼓山隧道位于寶雞市渭濱區(qū)渭河南岸的石鼓鎮(zhèn)楊家山的黃土殘塬區(qū)，起訖里程DK639+430—DK643+760，全長4 330 m，為雙線隧道。隧道所處區(qū)域地表高程為624～766 m，埋深范圍為3～133 m，地表多為耕地，植被較為濃密。根據(jù)隧址區(qū)地形、地質(zhì)情況，綜合考慮施工方法、工藝、工期等方面因素，采用2座斜井輔助施工。隧道下穿3條河，所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，圍巖條件極差，是寶蘭客運(yùn)專線高風(fēng)險隧道之一。

3.2 規(guī)劃設(shè)計階段應(yīng)用

3.2.1 模型建立

鐵路隧道三維設(shè)計中的模型建立工作主要包括地質(zhì)三維建模、三維選線和隧道三維建模，主要包括骨架繼承、參數(shù)設(shè)置、草圖繪制和模型建立等方面。

圖1 達(dá)索軟件應(yīng)用技術(shù)路線

（1）骨架繼承。在建立了三維地質(zhì)模型、三維線路模型的基礎(chǔ)上，隧道專業(yè)根據(jù)地質(zhì)、斷面、工法等因素將三維線路繼承并截取，得到隧道專業(yè)的二級骨架（見圖2）。

（2）參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置應(yīng)綜合考慮襯砌形式、設(shè)計習(xí)慣、施工方法及工藝、信息附加需求等方面的因素，如石鼓山隧道V級洞身襯砌段設(shè)置了輪廓、鋼筋、鋼架及接頭、施工方法、超前支護(hù)、錨桿等參數(shù)組。

（3）草圖繪制。結(jié)合建模需求，根據(jù)鐵路隧道凈空、限界、時速等要求，利用CATIA零件設(shè)計模塊的草圖設(shè)計功能繪制相應(yīng)輪廓草圖，石鼓山隧道V級洞身二次襯砌輪廓草圖見圖3。

（4）模型建立。在繪制出參數(shù)化草圖的基礎(chǔ)上利用CATIA的拉伸、多截面、偏移及知識工程陣列等功能生成各類三維實體，石鼓山隧道V級洞身初期支護(hù)模型見圖4。

圖2 骨架繼承示意

圖3 二次襯砌輪廓草圖

圖4 V級洞身初期支護(hù)實體模型

3.2.2信息附加

信息是BIM模型的靈魂，脫離了信息的三維模型不能稱之為BIM模型，附加的信息主要包括幾何信息和非幾何屬性。石鼓山隧道中用到的附加信息手段主要包括屬性附加、描述附加、參數(shù)設(shè)置、外部鏈接和數(shù)據(jù)庫存儲。

3.2.3 工程量計算

石鼓山隧道利用CATIA的參數(shù)計算功能與工程制圖模塊實現(xiàn)了二維工程量統(tǒng)計（見圖5）。同時，還利用CATIA的三維測量功能實現(xiàn)了洞口段的三維工程量統(tǒng)計（見圖6）。

3.2.4 二維出圖

在石鼓山隧道工程中，利用CATIA的參數(shù)關(guān)聯(lián)、圖線繪制、尺寸投影與標(biāo)注等功能，實現(xiàn)了三維模型與二維工程圖的聯(lián)動與輸出。

3.3 施工階段應(yīng)用

由于施工階段對模型的深細(xì)度、信息量要求與設(shè)計階段不一樣，因此需對設(shè)計BIM模型進(jìn)一步處理才能用于施工階段，其處理工作主要包括模型拆分、資源配置和施工設(shè)置。

圖5 洞身二維工程量統(tǒng)計

圖6 洞口三維工程量統(tǒng)計

（1）模型拆分。需結(jié)合施工分部、工序安排、施工工法等因素對設(shè)計階段的BIM模型進(jìn)一步拆分，以滿足施工階段的使用需要，其中開挖土體的拆分見圖7。

（2）資源配置。施工階段的BIM應(yīng)用還需要在設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，按照施工組織情況配置人員、機(jī)具、設(shè)備等相關(guān)資源，從而實現(xiàn)施工工藝的模擬及施工信息化管理。

（3）施工設(shè)置。施工階段主要利用達(dá)索系列的DELMIA軟件進(jìn)行施工模擬、組織管理，該軟件以甘特圖方式，通過活動列表和時間刻度形象地表示出隧道的工序安排、銜接、持續(xù)時間等施工要素（見圖8），并以計劃評審技術(shù)實現(xiàn)隧道整體施工組織各道工序的協(xié)調(diào)與評價（見圖9），從而達(dá)到合理安排人力、物力、時間和資金的目的。

圖7 開挖土體切分及分組

圖8 隧道模型施工甘特圖

圖9 施工模擬計劃評審技術(shù)

3.4 運(yùn)營階段應(yīng)用

運(yùn)營階段可選擇達(dá)索系列的3DVIA對設(shè)計、施工BIM模型作輕量化展示，將BIM模型中包含的空間位置信息和結(jié)構(gòu)、裝修、設(shè)備、設(shè)施等物理信息顯示、處理、儲存，為運(yùn)營階段日常管理工作提供技術(shù)支持。石鼓山隧道工程中研究了發(fā)生緊急狀況（如火災(zāi)）時應(yīng)急措施的模擬，如通風(fēng)組織、人員疏散等。

4 結(jié)束語

依托寶蘭客運(yùn)專線石鼓山隧道工程，基于達(dá)索平臺探索BIM技術(shù)在鐵路隧道全生命周期中應(yīng)用的解決方案，取得以下成果：

（1）將三維可視化建模、信息融入等BIM技術(shù)成功運(yùn)用于規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)營階段中，促使隧道規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營由傳統(tǒng)的2D向3D、4D、5D轉(zhuǎn)變，由粗放向精細(xì)轉(zhuǎn)型。

（2）三維設(shè)計提升了設(shè)計的深細(xì)度，實現(xiàn)了設(shè)計成果的方案優(yōu)化；三維施工實現(xiàn)了施工的動態(tài)模擬、信息化管理和工程量統(tǒng)計，達(dá)到減小風(fēng)險、降低造價和保證工期的目的；三維運(yùn)營實現(xiàn)了運(yùn)營維護(hù)資產(chǎn)管理的信息化、精細(xì)化，為后期維護(hù)及演練提供有效的信息支持。

（3）將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道工程全生命周期，可為解決各階段信息斷鏈、過程優(yōu)化、碰撞檢驗等問題提供技術(shù)保障，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計方案、嚴(yán)控施工過程、提高運(yùn)營管理的目的。

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李俊松：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

董鳳翔：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級高級工程師，四川 成都，610031

張毅：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級工程師，四川 成都，610031

葉明珠：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯盧敏

U452；U455

A

1672-061X（2014）02-0053-04

中國鐵路總公司科研開發(fā)計劃項目（2013G015-B）。