基于Bentley平臺的鐵路隧道BIM技術(shù)應(yīng)用研究

張 軒

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 基本概況

1.1 BIM概述

國際BIM聯(lián)盟(Building SMART International)對BIM的定義是：建筑信息模型化(Building Information Modeling)、建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三個不同但相互聯(lián)系的功能[1]。能夠解決項目不同階段、不同參與方、不同應(yīng)用軟件之間的信息結(jié)構(gòu)化組織管理和信息交換共享，使得合適的人在合適的時候能及時得到合適的準(zhǔn)確信息，這是行業(yè)賦予BIM的使命[2]。

相比于BIM技術(shù)應(yīng)用逐漸成熟的建筑業(yè)，鐵路行業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用還處于探索、發(fā)展階段，而鐵路工程相比于民建工程，體量更大、工藝更為復(fù)雜、專業(yè)更多，對BIM技術(shù)的需求也更加迫切[3-5]。隨著鐵路BIM聯(lián)盟陸續(xù)推出《鐵路工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》、《基于信息模型的鐵路工程施工圖設(shè)計文件編制辦法》等標(biāo)準(zhǔn)與辦法，BIM技術(shù)在鐵路工程應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范也日臻完善，鐵路工程信息模型在建設(shè)、傳遞和使用的過程中更加有據(jù)可依。今后的工程設(shè)計將逐步過渡到使用信息模型替代傳統(tǒng)二維圖紙，BIM技術(shù)在將來鐵路工程中必將占據(jù)舉足輕重的地位[6-8]。

1.2 軟件平臺

隨著BIM技術(shù)的大力發(fā)展，對于不同的專業(yè)領(lǐng)域有不同的BIM軟件平臺進(jìn)行支持如Autodesk、Bentley、Dassault，應(yīng)根據(jù)項目自身的特點、多專業(yè)協(xié)同的便捷性、模型后期應(yīng)用的效果選取合適的軟件。本文中配合京張高鐵BIM設(shè)計使用的軟件平臺是Bentley。Bentley平臺下有針對建模的軟件Microstation、針對線路地質(zhì)專業(yè)的PowerCivil、針對建筑專業(yè)的AECOsim Building Designer、協(xié)同管理平臺ProjectWise等，為不同專業(yè)提供了對應(yīng)的專業(yè)軟件。相較于其他BIM軟件平臺，Bentley有以下優(yōu)點。

(1)鐵路工程呈帶狀分布長度可達(dá)幾十千米到上千千米[9]，模型規(guī)模遠(yuǎn)大于民建模型，Bentley模型儲存于硬盤中，使用Bentley對硬件的要求更低，修改使用模型時效率更高。

(2)Bentley對于鐵路線位三維曲線、隧道帶狀模型支持能力強。

(3)Bentley平臺下軟件生成文件格式統(tǒng)一為DGN，并且由ProjectWise協(xié)同管理平臺，使各專業(yè)協(xié)同設(shè)計、二維三維設(shè)計交互的效率大大提高。

綜合以上幾點考慮，Bentley在鐵路工程設(shè)計上具有明顯的優(yōu)勢，符合鐵路工程設(shè)計的特點[10]。因此在京張高鐵項目中，使用Bentley平臺進(jìn)行BIM設(shè)計工作。

2 工程設(shè)計應(yīng)用實例

2.1 工程概況

新建北京至張家口鐵路位于北京西北、河北省北部，起自北京北站，西訖張家口南站，是舉辦2022年冬奧會、促進(jìn)京津冀一體化的重要交通設(shè)施，也是為打造“智能鐵路、精品工程”在鐵路行業(yè)內(nèi)首次開展全線、全專業(yè)、全生命周期BIM設(shè)計應(yīng)用的線路。全線共10座隧道，其中八達(dá)嶺隧道為全線最長隧道，全長12.01 km，八達(dá)嶺長城站作為大型的高鐵地下站，結(jié)合隧道設(shè)置，構(gòu)成國內(nèi)單拱跨度最大的暗挖隧道。作為“智能京張”的一步，應(yīng)用BIM技術(shù)的意義重大。

2.2 三維建模

首先綜合考慮設(shè)計、施工、運維等需要，對鐵路工程各專業(yè)實體工程進(jìn)行劃分，形成適合信息化管理的合理單元[11]。京張高鐵全線根據(jù)專業(yè)劃分為55個單元，其中隧道專業(yè)包含10個單元。根據(jù)《鐵路工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，鐵路工程信息模型應(yīng)由模型單元組成，最小模型單元應(yīng)由模型精度等級衡量。模型精度等級劃分見表1。

表1 模型精度基本等級[6]

京張高鐵隧道主要采用的是LOD3.0精度建立模型，其中部分重要工點采用的是LOD3.5精度模型。如圖1所示，以隧道暗洞為例LOD3.0和LOD3.5在模型精度上的區(qū)別。

圖1 LOD3.0和LOD3.5包含模型單元

模型建立過程具體如下。

(1)導(dǎo)入線路資料，通過PowerCivil在平面上設(shè)定基準(zhǔn)點、長度、半徑等參數(shù)，在縱斷面上設(shè)定高程、長度、坡度等參數(shù)，建立正線與斜井三維曲線線位。如圖2所示，以斜井為例建立三維曲線線位。

圖2 斜井線位三維曲線模型

(2)根據(jù)鐵路隧道時速、限界、凈空等要求確定隧道斷面參數(shù)，由于京張高鐵BIM設(shè)計晚于二維設(shè)計開展，因此斷面參數(shù)使用京張高鐵二維設(shè)計中參考圖的數(shù)據(jù)。依據(jù)地質(zhì)圍巖等級劃分和LOD等級的模型單元要求，建立不同圍巖等級的超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌、管溝、仰拱填充等單元構(gòu)件。盾構(gòu)隧道部分構(gòu)件如圖3所示。

(3)根據(jù)地質(zhì)情況在線路的三維曲線模型上敷設(shè)不同圍巖等級的隧道單元構(gòu)件，沿線路方向拉伸形成整條隧道模型。圖4為拉伸后的一段隧道模型。

2.3 信息附加

BIM中的I(Information)可以說是BIM的靈魂，脫離了信息的三維模型不能稱之為BIM模型[12-13]。模型的信息包含幾何信息和非幾何信息，幾何信息如長度、面積、體積等可通過模型直觀地表達(dá)出來，非幾何信息如混凝土強度等級、環(huán)境等級、IFD編碼等無法通過模型直觀表達(dá)，需要將這些附加信息賦在模型上。

根據(jù)《鐵路工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，對于隧道模型的幾何信息和非幾何信息有明確的要求，表2為以超前支護(hù)為例的隧道模型基本信息。

圖3 清華園盾構(gòu)隧道部分構(gòu)件模型

圖4 八達(dá)嶺隧道LOD3.5模型

表2 隧道模型超前支護(hù)基本信息[6]

其中IFD編碼為針對構(gòu)件不同空間位置、專業(yè)需求進(jìn)行的編碼，構(gòu)件以被賦予的這一串編碼作為自己的“身份標(biāo)識”。其目的是為了使程序能夠通過檢索IFD編碼，找到目標(biāo)構(gòu)件，使整套模型更易于使用、管理[14-15]。信息附加過程具體如下。

(1)BIM軟件具有開放的數(shù)據(jù)接口，可通過使用二次開發(fā)工具為模型附加非幾何信息[16]。如圖5所示。

(2)將整體隧道模型按照不同襯砌斷面分為更適合信息化管理的合理單元，以里程范圍作為區(qū)分。使用二次開發(fā)軟件將同一里程范圍內(nèi)的所有構(gòu)件編為一組，形成以整體模型→不同斷面里程模型→內(nèi)部構(gòu)件為架構(gòu)的模型樹系統(tǒng)，在管理、使用模型時可以迅速找到目標(biāo)區(qū)段的目標(biāo)構(gòu)件，也可選取部分里程段或構(gòu)件單獨顯示，如圖6所示。

圖5 附加非幾何信息界面

圖6 模型樹區(qū)段選擇界面

2.4 模型整合

在完成建模與信息附加之后，建立一個新的模型文件，將隧道范圍內(nèi)的各專業(yè)模型全部參考到新模型文件中進(jìn)行整合，形成可以隨時根據(jù)各專業(yè)文件更新的全專業(yè)全內(nèi)容的隧道BIM模型，負(fù)責(zé)最后總裝的專業(yè)同時在這一步驟對模型進(jìn)行初步的檢查。圖7為祁家莊隧道總裝文件及參考界面。

圖7 總裝文件及參考界面

3 BIM應(yīng)用研究

3.1 碰撞檢測

BIM三維可視化的優(yōu)勢使碰撞檢測作為BIM最基本的應(yīng)用為人們所熟知。通過碰撞檢測，可以減少設(shè)計過程中的錯誤和引起變更的可能性，可以優(yōu)化諸如中心管溝、側(cè)溝等本專業(yè)模型的布置，或是對各專業(yè)間模型布置的勘誤。從設(shè)計階段到施工階段全面減少了錯誤的發(fā)生，反向檢驗設(shè)計成果，優(yōu)化了工程設(shè)計，提高了施工質(zhì)量。如圖8所示，八達(dá)嶺車站三連拱段落水溝與襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。

圖8 水溝與襯砌結(jié)構(gòu)沖突

3.2 正向設(shè)計

以隧道襯砌結(jié)構(gòu)為例，通過建立襯砌內(nèi)結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，使隧道斷面成為具有邏輯性、關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)，根據(jù)測量資料、地質(zhì)條件等因素確定參數(shù)，通過調(diào)整參數(shù)使隧道結(jié)構(gòu)能根據(jù)自身的邏輯性和關(guān)聯(lián)性自動調(diào)整為所需斷面，使隧道模型成為參數(shù)化模型。加強二次開發(fā)，通過軟件錄入隧道初支等結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系、布置原則等設(shè)計依據(jù)，實現(xiàn)根據(jù)不同參數(shù)自動生成對應(yīng)模型，提高設(shè)計效率。

3.3 協(xié)同合作

基于ProjectWise平臺進(jìn)行了針對鐵路項目的優(yōu)化，規(guī)范了各專業(yè)文件提交的名稱、格式，根據(jù)鐵路項目情況創(chuàng)建項目，進(jìn)行工區(qū)劃分并配置各工區(qū)專業(yè)，通過實際使用，建立了符合鐵路項目特點的ProjectWise平臺使用規(guī)則，為各專業(yè)高效協(xié)同合作創(chuàng)造了條件。在線路專業(yè)確定好線位并生成三維曲線之后，其他各專業(yè)以此為基礎(chǔ)在ProjectWise平臺上開展各專業(yè)的設(shè)計，各個專業(yè)可以共享模型，從而避免了重復(fù)建模[17]。實時更新的各專業(yè)進(jìn)度，使各專業(yè)間接口變得更加方便容易，如隧道專業(yè)可以直接參考部分已完成地質(zhì)設(shè)計文件進(jìn)行隧道設(shè)計，設(shè)備專業(yè)可以直接在已建立好的輔助洞室模型上進(jìn)行設(shè)計。加強二次開發(fā)，使隧道在設(shè)計時能直接參考地質(zhì)設(shè)計文件的圍巖參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整斷面，可以大幅優(yōu)化設(shè)計流程。

3.4 存在問題及解決對策

(1)目前基于Bentley平臺的BIM技術(shù)，在隧道專業(yè)的應(yīng)用模式主要以作為二維設(shè)計圖紙的輔助參考模型為主，并未達(dá)到直接使用三維模型進(jìn)行設(shè)計施工的地步，所以現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)計單位的研究方向是如何使用BIM模型直接成圖進(jìn)而簡化設(shè)計流程。以隧道縱斷面為例，Bentley平臺的軟件通過線或面剖切、投影手段建立縱斷面圖[18]，但當(dāng)平面線位為曲線時，無法通過自帶剖切工具沿曲線形成隧道縱斷面[19]。即使成功將模型沿隧道中線剖切，也無法選定一個視角將曲線隧道拉直形成縱斷面。目前只能通過二次開發(fā)解決這一問題，同時在成圖過程中還需要根據(jù)二維圖紙的成圖模式和規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，效率上并不一定優(yōu)于二維出圖。從長遠(yuǎn)來看，加強對BIM模型表達(dá)信息的要求、制定相應(yīng)的規(guī)范，再配合模型樹等輔助工具的使用，BIM模型是能夠替代二維圖紙應(yīng)用到施工和運維上的，從而省略了使用BIM模型生成二維圖紙的步驟。

(2)工程量的計算也是BIM模型應(yīng)用中重要一環(huán)，但現(xiàn)在使用BIM軟件在計算隧道專業(yè)工程量還面臨許多問題。首先，目前通過Bentley平臺下的軟件能直接提取出的隧道工程量極其有限，并且其中還有部分軟件不自帶算量工具，需要加大二次開發(fā)的投入，使用二次開發(fā)軟件協(xié)助出量。其次，在不同的設(shè)計階段建立的模型精度不同，如圖1所示，初步設(shè)計階段采用LOD3.0精度，防排水構(gòu)件是不需要建立的，但是在算量的時候需要包含防排水構(gòu)件的數(shù)量。針對這種情況，需要根據(jù)襯砌長度等參數(shù)結(jié)合單量計算出所需數(shù)量，對二次開發(fā)有了更高的要求。最后，在京張高鐵隧道建模過程中，使用的部分二次開發(fā)軟件并不能滿足工程量準(zhǔn)確度的要求，以二次襯砌鋼筋為例，拱腳處的鋼筋在不同的斷面下會出現(xiàn)間距不均勻布置的情況，而使用軟件布筋一般為等間距或固定數(shù)量兩種布置方法布置鋼筋，無法直接實現(xiàn)設(shè)計意圖，通過這種方法計算的工程量與實際有所偏差。通過與專業(yè)從事Bentley平臺軟件二次開發(fā)公司溝通了解到，目前Bentley軟件二次開發(fā)還很少涉及鐵路隧道領(lǐng)域，也未按照鐵路工程的特點進(jìn)行，他們也希望多了解鐵路行業(yè)的需求，開發(fā)出能適用于鐵路行業(yè)的軟件。在今后的二次開發(fā)過程中，設(shè)計單位應(yīng)多與Bentley公司和二次開發(fā)公司交流溝通，開發(fā)出具有鐵路行業(yè)特點、符合需求的一套成熟系統(tǒng)及相關(guān)配套軟件。

(3)設(shè)計過程中，隨著設(shè)計階段的不斷深入，需求的精度也不斷提高，需要在上階段模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、補充，以滿足新階段的精度要求。但以二次襯砌為例，在低精度的要求下二次襯砌只需要建立一個模型就能進(jìn)行表達(dá)，在高精度的要求下，則要分為拱墻、仰拱兩部分。這就導(dǎo)致了上一階段的模型資料無法繼承使用，只能重新建模來滿足新設(shè)計階段的需要，增加了工作量?，F(xiàn)在的模型交付標(biāo)準(zhǔn)對于精度的要求也隨著在BIM項目中的應(yīng)用得以驗證，也會根據(jù)各個設(shè)計單位的意見進(jìn)行調(diào)整，最后形成更加合理、實用的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計單位在設(shè)計的過程中，也應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行分析，可在上一階段以稍高于標(biāo)準(zhǔn)的要求完成模型的建立，為下階段打下基礎(chǔ)。

(4)BIM的特點之一就是貫通項目的設(shè)計、施工、運維全階段。但設(shè)計、施工、運維這三階段的主體分別是設(shè)計院、施工單位、運營單位，他們在各自階段對BIM模型的應(yīng)用需求和側(cè)重點各不相同。設(shè)計院側(cè)重于使用BIM技術(shù)生成帶有信息的三維可視化模型，施工單位側(cè)重于模擬施工工法、策劃實施方案，運營單位側(cè)重于實現(xiàn)對工程的智能化管理。這就導(dǎo)致在一階段完成后模型提交給下一階段需要再進(jìn)行修改與補充，另一方面現(xiàn)在對于BIM平臺的使用沒有明確要求和規(guī)定，不同的設(shè)計單位、施工單位、運營單位可能都有各自擅長的軟件平臺，使用上一階段的模型可能比重新構(gòu)建模型還要繁瑣。綜上所述，在項目初期應(yīng)確定統(tǒng)一的BIM平臺，并且三方單位應(yīng)加強溝通，在每階段建模的時候都能留下接口，形成多階段、多專業(yè)一體化大型BIM平臺，提高全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用效率。

3.5 未來展望

隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、測繪、GIS、遙感、虛擬現(xiàn)實等先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，與BIM技術(shù)結(jié)合使用的鐵路數(shù)字化選線、虛擬現(xiàn)實實景生成等相關(guān)研究也取得了一定成果[20]，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)中的重要性日益提高。在鐵路主管部門的大力推動和支持下，以打造京張高鐵“智能鐵路”為契機，BIM技術(shù)的使用勢必要覆蓋全部鐵路路網(wǎng)。BIM技術(shù)也會逐漸成為鐵路設(shè)計的必備技術(shù)，越早掌握BIM技術(shù)便能越早適應(yīng)即將到來的鐵路設(shè)計技術(shù)革命。

4 結(jié)語

通過在京張高鐵全線、全專業(yè)、全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用，依托Bentley平臺進(jìn)行全線隧道的BIM設(shè)計，對鐵路BIM聯(lián)盟提出的各項標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗證并反饋問題與建議。結(jié)合此次BIM設(shè)計過程，研究了BIM技術(shù)在鐵路隧道設(shè)計中碰撞檢測、正向設(shè)計、協(xié)同合作等應(yīng)用和在使用BIM技術(shù)出圖、計算工程量、全生命周期使用等方面遇到的問題及解決方向。本次BIM應(yīng)用研究為之后解決BIM技術(shù)替代傳統(tǒng)二維設(shè)計而進(jìn)行的二次開發(fā)提供了研發(fā)方向，為完善鐵路隧道相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)提供了實際案例，為建立更符合鐵路行業(yè)的多專業(yè)協(xié)同合作平臺提供了依據(jù)，為鐵路BIM設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗，為以后鐵路隧道設(shè)計中BIM技術(shù)應(yīng)用與推廣打下良好的基礎(chǔ)。