BIM 技術(shù)在高速鐵路山嶺隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及研究

席博陽(yáng)

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

近年來(lái)，隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的日益完善，其在房建、水利等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛，不但提高了工程的質(zhì)量，還縮短了工程的建設(shè)周期，并控制了投資成本，可謂一舉多得[1-2]。但由于鐵路工程為帶狀工程，區(qū)別于房建、水利等點(diǎn)狀工程，鐵路BIM 的發(fā)展無(wú)法完全采用拿來(lái)主義，因此起步較晚。即便如此，在我國(guó)高速鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展的浪潮下，如今鐵路BIM 技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)的建立、平臺(tái)的選取、模型精度的控制、專業(yè)間的協(xié)同、信息共享等方面都有了突破性發(fā)展，甚至部分試點(diǎn)工程已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)全生命周期的管理[3-8]。然而，由于一些限制因素，事實(shí)上鐵路BIM 技術(shù)短時(shí)間內(nèi)仍然難以做到真正的正向設(shè)計(jì)，絕大多數(shù)工程仍然采用二維、三維并行設(shè)計(jì)的方式，BIM 設(shè)計(jì)也僅僅停留在三維翻模及展示的階段。鑒于此種現(xiàn)狀，本文以BIM 技術(shù)在高速鐵路山嶺隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例，提出并討論了采用BIM 技術(shù)指導(dǎo)二維設(shè)計(jì)的方案及方法，以期BIM 技術(shù)能在高速鐵路的設(shè)計(jì)中真正實(shí)現(xiàn)落地，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

1 現(xiàn)階段應(yīng)用概況

山嶺隧道在高速鐵路設(shè)計(jì)中占比較重，也是鐵路工程BIM 技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)與難點(diǎn)?，F(xiàn)階段各鐵路設(shè)計(jì)院也都利用自身既有成果積極開(kāi)展了BIM 技術(shù)在山嶺隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，其中中鐵二院基于達(dá)索平臺(tái)，以寶蘭客運(yùn)專線石鼓山隧道為例，研究了BIM 技術(shù)在初步設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，并詳細(xì)闡述了隧道模型建立、模型信息輸入、工程量統(tǒng)計(jì)及成果展示的方法[9]。中鐵四院采用歐特克平臺(tái)，以福平鐵路新鼓山隧道為例，研究了BIM 技術(shù)在施工圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，并明確了其技術(shù)路線[10]。中鐵一院依托歐特克平臺(tái)，以西成客專清涼山隧道為試點(diǎn)，探索了BIM 技術(shù)在信息管理、施工模擬及輔助出圖等環(huán)節(jié)的應(yīng)用[11]。中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)基于達(dá)索平臺(tái)，以京沈客專李家梁隧道為例，明確了BIM 體系下專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式與方法[12]。此外，中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)設(shè)計(jì)以濟(jì)青高鐵青陽(yáng)隧道為試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了單一隧道全生命周期的管理[13]。由此可見(jiàn)，隨著高速鐵路事業(yè)的不斷推進(jìn)，BIM 技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用已取得了一定的成果。

2 技術(shù)難點(diǎn)與制約因素

然而由于山嶺隧道穿越地帶往往地質(zhì)條件復(fù)雜，建模時(shí)對(duì)地質(zhì)體的精度要求較高，尤其是斷層、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的模型必須依托專業(yè)的地質(zhì)軟件才能實(shí)現(xiàn)[10]。然而由于既有的地質(zhì)軟件與常規(guī)BIM 平臺(tái)往往難以兼容，導(dǎo)入的模型缺乏可編輯性。同時(shí)由于生成三維地質(zhì)體對(duì)勘測(cè)數(shù)據(jù)的要求較高，現(xiàn)階段的山嶺隧道外業(yè)精度往往難以達(dá)到要求，即使生成了地質(zhì)體也與實(shí)際情況脫節(jié)[10]。由于這兩點(diǎn)技術(shù)因素的制約，采用BIM 技術(shù)進(jìn)行山嶺隧道的正向設(shè)計(jì)才遲遲未能實(shí)現(xiàn)。 除技術(shù)因素的制約，傳統(tǒng)的DBB 項(xiàng)目管理模式也是BIM 技術(shù)未能完全落地的一項(xiàng)重要阻礙。由于DBB 項(xiàng)目管理模式的弊端，設(shè)計(jì)單位往往在BIM 技術(shù)的應(yīng)用上缺乏動(dòng)力，即便業(yè)主有明確的BIM 驗(yàn)收要求，設(shè)計(jì)單位也往往采用二維、三維并行設(shè)計(jì)的方式，而實(shí)際施工時(shí)也多采用二維設(shè)計(jì)成果，三維成果僅僅用來(lái)展示，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的全生命周期管理，這就使BIM 技術(shù)的應(yīng)用徹底失去了意義。同時(shí)由于BIM 技術(shù)現(xiàn)階段無(wú)法完全代替二維設(shè)計(jì)，且前期成本投入較高，全生命周期管理需要各方配合，任何一環(huán)出現(xiàn)問(wèn)題皆無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際應(yīng)用中阻力重重。

3 BIM 技術(shù)應(yīng)用方式的探討

鑒于短時(shí)間內(nèi)以上提及的制約因素可能難以得到有效改善，因此在現(xiàn)有條件下，如何最大程度發(fā)揮BIM 技術(shù)的先進(jìn)性，使其能在鐵路工程山嶺隧道的設(shè)計(jì)中真正發(fā)揮作用，成為一項(xiàng)值得探討的問(wèn)題。

3.1 洞口工程優(yōu)化

洞口工程是山嶺隧道設(shè)計(jì)中的重中之重，在設(shè)計(jì)中合理確定隧道缺口里程、進(jìn)洞位置并采取合適的工程措施能為后續(xù)的施工及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。然而由于二維斷面法設(shè)計(jì)受制于其斷面選取位置、斷面精度等條件的限制，二維地形常難以完整反映隧道洞口的地形信息，因此洞口設(shè)計(jì)方案往往也不能與實(shí)際情況相符，由此而導(dǎo)致的施工變更不計(jì)其數(shù)。

如圖1 所示，以隧道的仰坡設(shè)計(jì)為例，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)往往僅在隧道明暗分界位置進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，明暗分界背后地形起勢(shì)較快，雖然二維設(shè)計(jì)并無(wú)問(wèn)題但實(shí)際施工時(shí)多會(huì)產(chǎn)生高陡邊坡，嚴(yán)重的甚至超出征地紅線，建設(shè)方處理難度極大。除此之外，在洞口工程量核算方面，二維設(shè)計(jì)也存在著先天不足，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需按每個(gè)斷面依次核算，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且精度不高。由此，本文提出在現(xiàn)有技術(shù)條件下，可在開(kāi)展二維設(shè)計(jì)前，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維進(jìn)洞方案比選，確定最優(yōu)的進(jìn)洞方案，以此來(lái)指導(dǎo)二維設(shè)計(jì)，力求避免由于二維斷面法設(shè)計(jì)信息缺失而導(dǎo)致的工程風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)利用三維技術(shù)在洞口工程量核算上的優(yōu)勢(shì)，可以簡(jiǎn)化核算工作，提高設(shè)計(jì)精度。以上提及的BIM 技術(shù)應(yīng)用，實(shí)際設(shè)計(jì)中也僅需要依據(jù)測(cè)繪資料建立精度足夠的三維地形面即可實(shí)施，建模工作量極小，可行性高。

圖1 某高鐵隧道按二維設(shè)計(jì)圖建模后洞口處形成的高陡仰坡

3.2 交叉工程碰撞分析

對(duì)于一些與隧道交叉的風(fēng)險(xiǎn)工程，二維設(shè)計(jì)往往無(wú)法直觀展示空間關(guān)系，設(shè)計(jì)中易疏忽，在實(shí)際施工中可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)與周邊既有工程發(fā)生干涉，造成直接經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于周邊環(huán)境復(fù)雜的隧道，可在二維設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行精細(xì)化建模，明確隧道結(jié)構(gòu)與周邊交叉工程的距離，確保隧道的一切工程措施與周邊工程無(wú)任何干涉，以保證隧道結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全。

3.3 接口設(shè)計(jì)檢查

山嶺隧道接口設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，路隧順接、橋隧順接、橋隧串接條件下其接口設(shè)計(jì)各不相同。如圖2 所示，由于接口設(shè)計(jì)多專業(yè)間的配合，設(shè)計(jì)時(shí)信息極易丟失，造成接口設(shè)計(jì)不連續(xù)。因此在各專業(yè)完成二維設(shè)計(jì)后，在BIM 平臺(tái)上協(xié)同開(kāi)展隧道接口設(shè)計(jì)檢查，可以很好避免由于信息丟失而導(dǎo)致的隧道接口設(shè)計(jì)缺陷。

圖2 某高鐵隧道洞口路隧順接處利用BIM 技術(shù)優(yōu)化不連續(xù)邊坡

3.4 其他應(yīng)用

除了洞口工程優(yōu)化、交叉工程碰撞分析、接口設(shè)計(jì)碰撞檢查外，可以利用BIM 技術(shù)對(duì)一些復(fù)雜的隧道開(kāi)挖工法及輔助工程措施進(jìn)行過(guò)程展示，使建設(shè)方能夠快速、清晰掌握其核心要點(diǎn)，從而保證工程的質(zhì)量及進(jìn)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

BIM 技術(shù)近年來(lái)在鐵路隧道工程方面取得了一定的發(fā)展，但短時(shí)間內(nèi)仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程的全生命周期管理。在現(xiàn)有技術(shù)及外部條件下，BIM 技術(shù)短期內(nèi)無(wú)法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維設(shè)計(jì)。因此認(rèn)清BIM 技術(shù)的現(xiàn)狀，以BIM 技術(shù)作為輔助工具，補(bǔ)足二維設(shè)計(jì)的先天缺陷，發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，使其能真正提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率，促進(jìn)BIM 技術(shù)平穩(wěn)落地。