基于BIM的鐵路隧道輔助設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

田明陽，曾 昊，曹 力

（中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031）

隨著中國鐵路總公司智能鐵路總體框架的提出，設(shè)計階段建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）應(yīng)用成為智能鐵路中智能建造的重要一環(huán)[1]。BIM已在工程行業(yè)取得各方認可，其價值早已不再局限于建筑行業(yè)本身[2]。然而，相較于建筑行業(yè)BIM技術(shù)的應(yīng)用，鐵路隧道因其帶狀分布、與地質(zhì)情況結(jié)合緊密、數(shù)據(jù)量巨大等特點[3]，難以做到設(shè)計意圖的精確快速表達，導(dǎo)致正向設(shè)計推行困難。國內(nèi)各大設(shè)計院陸續(xù)在鐵路工程設(shè)計階段開展BIM技術(shù)深入研究，力求推動鐵路行業(yè)的BIM正向設(shè)計[4-5]。在鐵路隧道BIM應(yīng)用的探索階段，以寶（雞）蘭（洲）客運專線石鼓山隧道為代表，基于達索平臺進行隧道三維設(shè)計，實現(xiàn)了模型建立、信息附加、工程量計算及二維出圖等應(yīng)用[6]；以福（州）平（潭）鐵路新鼓山隧道為代表，基于歐特克平臺的Iventor和Civil 3D進行山嶺隧道BIM應(yīng)用，通過三維開挖工具建立復(fù)雜洞口開挖模型[7]；在公路隧道應(yīng)用方面，相關(guān)單位進行了基于Revit和Dynamo的參數(shù)化隧道模型體系的探索[8]。

前期隧道BIM在設(shè)計階段做出了許多重要的探索，但仍然存在許多問題，例如：隧道模型數(shù)據(jù)量巨大，每千米隧道模型存儲量往往在1 GB以上；模型編碼信息沒有統(tǒng)一的標準，甚至沒有編碼附加；設(shè)計階段與施工階段模型不能通用，導(dǎo)致模型重復(fù)建立。本文在Bentley PowerCivil的基礎(chǔ)上，研究BIM技術(shù)在鐵路隧道設(shè)計階段中的進一步應(yīng)用，開發(fā)隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)，如圖1所示，同時驗證相應(yīng)鐵路隧道BIM標準。以拉（薩）林（芝）鐵路扎莫隧道為試點，解決鐵路隧道BIM應(yīng)用中編碼自動附加、與地質(zhì)結(jié)合和階段模型自動轉(zhuǎn)換等問題。

圖1 鐵路隧道輔助設(shè)計實現(xiàn)流程

1 隧道輔助設(shè)計實現(xiàn)

1.1 數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)準備分為模型準備和工程信息準備，其中，模型準備主要包括隧道斷面模板庫和隧道結(jié)構(gòu)樹模板[9]。在隧道參數(shù)化模板菜單中輸入模板樣式、輪廓樣式、斷面參數(shù)等二維參數(shù)生成相應(yīng)隧道廊道形式，如圖2所示。輪廓樣式包括三心圓、五心圓、曲墻式、馬蹄形等，輸入?yún)?shù)類型受輪廓樣式限制，根據(jù)選擇樣式及鐵路隧道凈空、限界等要求，輸入相應(yīng)的參數(shù)，建立參數(shù)化斷面模板。生成隧道廊道模板后組建成庫，并可隨時調(diào)用修改。另外，在模板庫中自動形成隧道結(jié)構(gòu)樹，根據(jù)模型構(gòu)成可以自定義結(jié)構(gòu)樹模板文件。

圖2 隧道廊道參數(shù)化創(chuàng)建

工具信息準備包括工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）/國際字典框架（IFD）配置和隧道工程屬性定義模板（EC Schema）。目前，鐵路行業(yè)還缺乏類似于建筑行業(yè)IFC這樣的權(quán)威信息標準。韓國的SH Lee等人在IFC的基礎(chǔ)上進行拓展，研發(fā)了針對于新奧法隧道設(shè)計階段的數(shù)據(jù)框架，提高了隧道數(shù)據(jù)交互效率[10]。國內(nèi)相關(guān)人員在鐵路BIM聯(lián)盟的組織下，根據(jù)隧道構(gòu)件的分類和構(gòu)件屬性的定義，發(fā)布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[11]。本文在此基礎(chǔ)上，利用Bentley的Class Editor工具創(chuàng)建隧道的工程屬性定義模板文件，即EC Schema文件。在創(chuàng)建隧道模型時讀取該文件，根據(jù)配置文件綁定工程屬性定義到相應(yīng)的隧道構(gòu)件上。在IFC/IFD配置中設(shè)定隧道構(gòu)件與IFC對象的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。其中，“部件名稱”為隧道對象的顯示名稱，“匹配關(guān)鍵字”是該對象在創(chuàng)建時內(nèi)部使用的命名，“IFC class名稱”為來自隧道EC Schema中定義的IFC，“IFD值”為該構(gòu)件缺省的IFD編碼。在創(chuàng)建隧道模型時，根據(jù)構(gòu)件的關(guān)鍵字自動匹配相應(yīng)的IFC對象類，對IFD屬性賦予設(shè)定的初始值。

圖3 隧道IFC對象配置

1.2 隧道輔助設(shè)計工具

避免信息孤島，聯(lián)動多專業(yè)設(shè)計是BIM技術(shù)的一大優(yōu)勢。通過隧道輔助設(shè)計工具，對接線路數(shù)據(jù)庫文件生產(chǎn)三維線路軸線，如圖4所示，并基于該三維線路進行隧道布置，實現(xiàn)模型按真實坐標生成，避免坐標轉(zhuǎn)換的問題。

圖4 三維線路生成與導(dǎo)入

生成洞身時聯(lián)動地質(zhì)模型，根據(jù)地質(zhì)縱斷面圖標識的圍巖級別自動篩選對應(yīng)的隧道廊道模板，在人工核對正確無誤后進行洞身的生成，如圖5所示。同時，讀取之前定義好的EC Schema文件，自動關(guān)聯(lián)IFC/IFD對象和屬性，完成隧道洞身模型的建立。隧道輔助洞室由模型庫中模板與線路里程點等信息生成，同時與洞身進行布爾剪切。模型生成后，依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)樹模板生成模型結(jié)構(gòu)樹，展開模型結(jié)構(gòu)樹對構(gòu)件信息進行查看。

圖5 隧道洞身模板的自動選擇

工程量統(tǒng)計同時也是對模型構(gòu)件信息完備性的檢驗。在模型創(chuàng)建前需要配置每種類型構(gòu)件對象的材料屬性。模型創(chuàng)建時，輔助設(shè)計工具自動對構(gòu)件的材料名稱及混凝土、鋼筋等數(shù)量進行賦值。模型建成后對構(gòu)件信息進行檢查，對未缺失信息的對象，如鋼筋，自動創(chuàng)建一個空單元與結(jié)構(gòu)樹節(jié)點（即IFC對象）相關(guān)聯(lián)。每個構(gòu)件對象最終應(yīng)包含與工程量相關(guān)的屬性字段，如鋼筋型號、數(shù)量及重量等。模型信息齊全后，遍歷模型得到與工程量統(tǒng)計相關(guān)的IFC對象，并彈出窗口輸入相關(guān)屬性字段的值，如圖6所示。最后逐個對相關(guān)構(gòu)件及材料進行匯總統(tǒng)計，并將統(tǒng)計結(jié)果輸出到相應(yīng)的Excel表中。

圖6 隧道工程量統(tǒng)計

1.3 標準驗證方法

在輔助設(shè)計及模型生成歸檔的過程中，分別驗證鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程實體分解指南》[12]（簡稱：《分解指南》）、《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》（簡稱：《分類編碼標準》）、《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》[13]（簡稱：《存儲標準》）、《鐵路工程信息模型交付標準》[14]（簡稱：《交付標準》）4個與隧道BIM技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的標準。

《分解指南》驗證即工程分解結(jié)構(gòu)（EBS）驗證，針對隧道工程開展實體結(jié)構(gòu)分解，對分解結(jié)果進行詳細的分析、排查，對標準中不存在的結(jié)構(gòu)進行添加、重復(fù)的結(jié)構(gòu)進行合并、單位和名稱錯誤的進行修正、結(jié)構(gòu)之間層次關(guān)系存在問題的進行更正。

《分類編碼標準》驗證即IFD驗證，將鐵路建設(shè)活動全生命周期中涉及的所有信息模型分為4個大類：建設(shè)資源、建設(shè)過程、建設(shè)成果和其它。編碼組合靈活多樣，在編碼的上下源追查縱向及橫向邏輯關(guān)系。

《存儲標準》驗證即IFC驗證，通過比對模型結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)樹與IFC，查找重復(fù)或缺失項。

《交付標準》驗證是采用定性分析的方法進行驗證，對于在隧道工程中出現(xiàn)的細目逐一對照，驗證方法以對照為主，綜合分析驗證。驗證內(nèi)容包括交付精度標準與存儲標準、表達標準及分類標準。

2 隧道設(shè)計模型與施工模型自動轉(zhuǎn)換

2.1 創(chuàng)建施工階段結(jié)構(gòu)樹

在局部BIM到開放BIM的轉(zhuǎn)換過程中，設(shè)計與施工模型之間的轉(zhuǎn)換十分必要[15]。眾所周知，設(shè)計階段和施工階段關(guān)注點不盡相同，因此反應(yīng)在BIM上的幾何信息要求有所區(qū)別。在隧道專業(yè)設(shè)計階段，模型一般只根據(jù)圍巖等級對區(qū)間進行劃分，每個區(qū)間的結(jié)構(gòu)一般只劃分到初期支護、二襯仰拱、二襯邊墻等，而這些劃分原則大都是依據(jù)設(shè)計階段力學(xué)分析結(jié)果；而在施工階段，除了關(guān)注設(shè)計階段的信息之外，還需要將構(gòu)件根據(jù)施工工藝劃分為6 m一個節(jié)段，便于后期對BIM進行施工階段的管理。除此之外，施工階段附加的信息內(nèi)容也有些變動，包括施工進度信息，如混凝土澆筑時間、下一道工序類別時間等；施工成本，如鋼筋工程量、混凝土工程量、材料廠家等；施工隊伍人員信息，構(gòu)件對應(yīng)負責(zé)工區(qū)、鋼筋質(zhì)量檢查主要負責(zé)人，混凝土澆筑旁站人員等。

根據(jù)上述設(shè)計與施工階段的區(qū)別，在設(shè)計BIM的基礎(chǔ)上，配置土木工程類型和IFC關(guān)系，其配置方法同圖3。通過配置土木構(gòu)件和IFC的關(guān)系，獲得一種映射渠道。同時，創(chuàng)建施工結(jié)構(gòu)樹模板，以便完成兩種模型的結(jié)構(gòu)映射。由于施工BIM劃分更加精細，并且與施工組織等非幾何信息掛接更加密切，因此創(chuàng)建施工結(jié)構(gòu)樹時根據(jù)施工工作分解結(jié)構(gòu)（WBS）以及EBS編碼對施工BIM進行分解，最后完成施工結(jié)構(gòu)樹建立，如圖7所示。

圖7 隧道施工階段結(jié)構(gòu)樹

2.2 階段模型自動轉(zhuǎn)換技術(shù)

兩階段結(jié)構(gòu)樹與BIM之間存在的關(guān)系，如圖8所示，包括：（1）相同階段結(jié)構(gòu)樹是BIM信息掛接的內(nèi)容索引；（2）相同階段BIM是其結(jié)構(gòu)樹配置的載體；（3）施工階段結(jié)構(gòu)樹繼承了設(shè)計階段BIM的所有信息；（4）施工階段BIM作為信息下游，可以檢索統(tǒng)一構(gòu)件不同階段信息變化；（5）設(shè)計階段結(jié)構(gòu)樹根據(jù)構(gòu)件IFC配置關(guān)系自動映射更新到施工階段結(jié)構(gòu)樹。

圖8 結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換關(guān)系

完成設(shè)計BIM結(jié)構(gòu)樹和施工BIM結(jié)構(gòu)樹的映射關(guān)系后，可通過軟件功能進行映射，并自動創(chuàng)建施工階段BIM。據(jù)此創(chuàng)建的施工BIM，其變更包括幾何和非幾何信息，即幾何構(gòu)件劃分精細度和掛接信息內(nèi)容的變化。設(shè)計階段的相關(guān)信息可以全部遷移到施工模型上，對于有模型拆分的構(gòu)件，拆分后子構(gòu)件同樣具備拆分前的所有屬性。同時，轉(zhuǎn)換后的施工BIM自動添加了施工階段的各種信息。模型轉(zhuǎn)換工具可讀取其設(shè)計信息，通過人工輸入施工切分信息，進行設(shè)計模型到施工模型的轉(zhuǎn)換，并繼承IFC屬性信息，如圖9所示。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 項目概況

扎莫隧道屬拉林線拉薩端DK82～DK94，隧道位于雅魯藏布江以南的高山寬谷區(qū)。隧道起訖里程DK83+910～DK85+142，全長1 232 m，均為單線隧道，隧道最大埋深約122 m，線路縱坡為10.4‰/1 414 m、2‰/401 m的單面坡。選取該隧道作為輔助設(shè)計工具、階段模型轉(zhuǎn)換工具的應(yīng)用工程與標準驗證工程，具有一定借鑒與推廣意義。

圖9 創(chuàng)建隧道施工模型

3.2 應(yīng)用實現(xiàn)

根據(jù)扎莫隧道地質(zhì)條件及設(shè)計時速等信息，制作隧道斷面模板，再通過線路數(shù)據(jù)庫生成三維線路。在三維線路及地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，通過輔助設(shè)計工具分別生成隧道洞身、輔助洞室及洞口等結(jié)構(gòu)模型，并利用IFC配置工具將模型與IFC信息掛接，如圖10所示。

圖10 扎莫隧道結(jié)構(gòu)模型及其設(shè)計結(jié)構(gòu)樹

在深化設(shè)計方面，扎莫隧道采用隧道初期支護設(shè)計程序，如圖11所示，將斷面初期支護標準構(gòu)件參考至模型中，根據(jù)所選線路，設(shè)置其縱向間距和縱向長度，一次性完成整個線路的單一支護的建模工作。最后生成深化模型，包括導(dǎo)向墻、超前小導(dǎo)管、格柵鋼架、型鋼鋼架等，如圖12所示。

扎莫隧道轉(zhuǎn)換施工模型輸入切分精細顆粒度、施工模型表達式以及橫斷面模板等內(nèi)容，生成轉(zhuǎn)換施工模型，同時繼承設(shè)計階段IFC/IFD屬性，如圖13所示。

3.3 驗證結(jié)果

對扎莫隧道進行BIM應(yīng)用，驗證《分解指南》，具體問題包括：

圖11 隧道初期支護設(shè)計工具

圖12 扎莫隧道深化模型構(gòu)件

圖13 扎莫隧道模型轉(zhuǎn)換輸入內(nèi)容及生成模型

鋼支撐中，型鋼鋼架的原材料為工字鋼鋼材，而格柵鋼架為鋼筋焊接而成，二者單價不一；支護中新增鎖腳錨管，在臺階法開挖時，用于穩(wěn)定上臺階部位的鋼支撐，且一般為錨管；用于連接型鋼鋼架的螺栓為單獨的配件，在算量時單獨計價，需新增支護的子節(jié)點。

驗證《分類編碼標準》，結(jié)果如表1所示。

驗證《存儲標準》，結(jié)果包括：

仰拱填充屬于襯砌結(jié)構(gòu)的一部分，應(yīng)作為其子節(jié)點。鋼架中無類型(Type)的屬性定義，應(yīng)新增，其值為枚舉值，包括型鋼鋼架、三肢格柵鋼架和四肢格柵鋼架。在初期支護中新增導(dǎo)向墻（IFC：GuideWall），其作用是固定管棚的方向，為混凝土結(jié)構(gòu)。在初期支護中新增堵頭墻（IFC：PlugWall），其作用是穩(wěn)定洞門，為混凝土結(jié)構(gòu)。在初期支護中新增背墻（IFC：BackupWall），為混凝土結(jié)構(gòu)。在初期支護中新增門框墻(IFC：FrameWall)，為混凝土結(jié)構(gòu)。

表1 《分類編碼標準》驗證結(jié)果

驗證《交付標準》，結(jié)果包括：

（1）溝槽中應(yīng)新增“水溝蓋板”的定義；

（2）新增編號9 附屬洞室；

（3）新增子節(jié)點9.1 大避車洞、9.2 避車綜合洞室、9.3 電纜余長腔；

（4）洞門結(jié)構(gòu)中新增子節(jié)點4.9 加固樁、4.10 混凝土換填。

4 結(jié)束語

本文以拉林鐵路扎莫隧道為項目依托，研究了以正向設(shè)計思路為指導(dǎo)的鐵路隧道BIM在設(shè)計、施工階段的應(yīng)用，并在輔助設(shè)計軟件開發(fā)、標準驗證、階段模型轉(zhuǎn)換等方面取得了大量成果：（1）基于Bentley PowerCivil進行二次開發(fā)，結(jié)合地質(zhì)模型、線路數(shù)據(jù)的隧道三維輔助設(shè)計工具，使得隧道模型能夠快速建立，并可自動附加IFC/IFD信息，加快了隧道三維設(shè)計的進程。（2）梳理了設(shè)計階段和施工階段隧道專業(yè)信息結(jié)構(gòu)樹，開發(fā)模型信息轉(zhuǎn)換工具，實現(xiàn)了階段模型的自動轉(zhuǎn)換，為鐵路工程建設(shè)全生命周期的BIM應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。（3）通過拉林鐵路扎莫隧道工程，驗證了鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》等4項標準，并提出了大量建議。

結(jié)合本次試點應(yīng)用成果，將更加深入地開展鐵路隧道BIM正向設(shè)計的相關(guān)研究工作：（1）本文研究了基于BIM技術(shù)實現(xiàn)隧道輔助設(shè)計，最終成果交付仍為傳統(tǒng)二維圖紙交付，下階段擬將BIM技術(shù)融入隧道設(shè)計的整個流程中，實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的隧道全過程正向設(shè)計。（2）研究隧道模型的進一步輕量化技術(shù)，為川藏鐵路BIM精細化制作提供技術(shù)支撐。（3）在本文基礎(chǔ)上，開展與施工及運維階段的聯(lián)合應(yīng)用，研究全生命期的鐵路隧道BIM技術(shù)應(yīng)用，進一步發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)點及價值。