基于BIM技術(shù)的鐵路隧道正向設計研究

張 軒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

國際BIM聯(lián)盟對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]。在項目全生命周期中，BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同參與方、不同應用軟件之間的信息結(jié)構(gòu)化組織管理和信息交換共享，使合適的人在合適的時候得到準確信息，這是行業(yè)賦予BIM的使命[2]。

隨著鐵路建設行業(yè)的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)必將成為鐵路工程建設信息化的核心和發(fā)展方向[3]。盡管鐵路設計領域使用BIM技術(shù)的時機較晚，但隨著鐵路BIM聯(lián)盟陸續(xù)推出鐵路行業(yè)BIM設計相關規(guī)范，以及主管部門的大力推動，BIM技術(shù)在鐵路設計行業(yè)中的應用也越來越廣泛[4]。目前，大多數(shù)鐵路設計院對于BIM的應用還是先進行二維圖紙設計，再進行翻模形成三維模型，最后進行分析、檢查。不但沒有縮短設計周期，反而增加了設計成本[5]。因此，鐵路設計行業(yè)應基于BIM技術(shù)進行正向設計，提高設計效率。隧道作為鐵路工程建設中的重點和難點，在很多項目中是控制工期的重點工程[6]，推行BIM正向設計對提高設計效率意義重大。

2 軟件平臺選取

目前，主流BIM設計平臺有Autodesk、Bentley和Dassault[7]，三大平臺各有其優(yōu)勢領域：Autodesk平臺軟件偏重于建筑設計領域，Bentley平臺軟件偏重于大型基礎設施設計領域，Dassault平臺偏重于航空、汽車制造領域。

鐵路工程呈帶狀分布，長度可達幾十公里到上千公里[8]，Bentley平臺對于大體量模型及三維曲線支持較好，平臺下各軟件模型格式統(tǒng)一，專業(yè)間模型交互的效率較高，且協(xié)同設計管理能力較強。故本次研究選取Bentley平臺進行鐵路隧道正向設計研究。

本次隧道BIM正向設計研究主要使用的軟件見表1。

表1 本次隧道BIM正向設計研究主要使用軟件

3 隧道BIM正向設計研究

3.1 BIM正向設計流程管理

鐵路設計通常會涉及到二十幾個專業(yè)[10]，設計過程中伴隨著方案調(diào)整、資料互提、節(jié)點控制等環(huán)節(jié)[11]。在進行BIM正向設計時，提前做好項目管理及工作流程管理，能夠有效地提高設計效率，降低專業(yè)間的溝通成本。

(1)項目管理

項目管理依托于協(xié)同設計軟件ProjectWise，通過對ProjectWise軟件的二次開發(fā)，將各設計院自身的流程管理系統(tǒng)通過web端和ProjectWise軟件相關聯(lián)，結(jié)合ProjectWise自身的功能，在項目創(chuàng)建后進行專業(yè)配置、專業(yè)人員配置、權(quán)限分配、審簽流程設置等(見圖1)，最終實現(xiàn)審簽流程、計表完成情況與各設計院內(nèi)部的流程管理系統(tǒng)相掛接。通過ProjectWise進行資料互提、模型文件參考關系記錄、多版本設計文件管理，將設計內(nèi)容在服務器中實時共享[12]，合理分解、分配專業(yè)任務，實現(xiàn)專業(yè)間有序作業(yè)，互不沖突。

圖1 ProjectWise中創(chuàng)建的項目

(2) 工作流程管理

通過建立專業(yè)IDM(Information Delivery Manual)進行工作流程管理。IDM全稱是信息交付手冊，對項目的工作流程、各專業(yè)間互提的內(nèi)容和格式進行了規(guī)定和要求。各設計院可根據(jù)專業(yè)要求，梳理出適合各專業(yè)的IDM流程。在ProjectWise中，以IDM作為依據(jù)，實現(xiàn)對整個流程的穩(wěn)定把控和管理。

3.2 隧道工點設計

(1) 專業(yè)設計策劃

首先根據(jù)設計需要進行工點劃分，形成適合信息化管理的合理單元[13]，根據(jù)項目設計階段和《鐵路工程信息模型交付標準》的規(guī)定，確定本次設計的模型精度等級[14]和專業(yè)設計原則。在協(xié)同平臺上獲取上序資料(如地質(zhì)專業(yè)的地質(zhì)模型，航遙專業(yè)的地形模型，線路專業(yè)的三維曲線模型等基礎設計資料)。

(2)參數(shù)化斷面模板設計

根據(jù)隧道專業(yè)設計原則，創(chuàng)建不同圍巖等級下的隧道標準斷面庫[15]。在OpenRail中使用二次開發(fā)軟件，通過設定隧道斷面圓心位置、半徑、拱部圓弧角度、噴混厚度、襯砌厚度等參數(shù)來生成斷面。將斷面導入OpenRail廊道模板庫中(見圖2)，通過設置元素模板并關聯(lián)特征定義的方式，對斷面模板中各個構(gòu)件加以劃分，為生成隧道洞身做準備(見圖3)。參數(shù)化隧道斷面設計可將不同時速標準的隧道設計參數(shù)作為數(shù)據(jù)信息進行儲存，在其他項目中可直接進行調(diào)用，為實現(xiàn)信息化管理提供了基礎。

圖3 特征定義設置

(3)隧道洞身設計

隧道洞身設計的思路是在不同里程位置，根據(jù)地質(zhì)圍巖等級、地質(zhì)模型和地形模型，選取適宜該里程段的隧道斷面，通過讀取圍巖斷面里程信息，自動生成隧道洞身模型。在傳統(tǒng)二維設計中，對于特殊地質(zhì)等情況，一般通過縱斷面進行設計和特殊措施的處理。在BIM設計中，可以將隧道模型試放入線路中，從三維視角來觀察地質(zhì)情況對隧道的影響(見圖4)，提高了設計的準確性。在發(fā)生變更或需要調(diào)整斷面時，只需將斷面模板進行修改，選取里程刷新模型，即可完成模型的修改。通過建立完整的建模體系，降低了建模的工作量，提升了模型標準化、規(guī)范化水平，從而提高了設計質(zhì)量[16]。

圖4 三維模型下隧道地質(zhì)情況

(4) 輔助措施及特殊構(gòu)件設計

連續(xù)結(jié)構(gòu)(如隧道洞身)可通過斷面沿線路生成，錨桿、臺階、超前小導管、管棚等非連續(xù)性構(gòu)件無法直接通過廊道功能生成，需要對軟件進行二次開發(fā)，即對這些構(gòu)件進行參數(shù)化設計。以錨桿為例，通過輸入錨桿的構(gòu)件參數(shù)及布置參數(shù)(見圖5)，以單元的形式批量生成隧道錨桿構(gòu)件并存入單元庫中，在后續(xù)工作或其他項目中可隨時調(diào)用。

圖5 錨桿參數(shù)化設計界面

(5)隧道洞門設計

以端墻式洞門為例，提取隧道洞門處正洞斷面，輸入洞門厚度、洞門里程等參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)模型調(diào)整臺階級數(shù)、寬度等參數(shù)，可生成簡易洞門模型。在簡易洞門模型上，還需要手動補充地基處理、特殊構(gòu)件等尚未形成參數(shù)化的結(jié)構(gòu)；截水天溝需沿地形模型敷設于地表，通過斷面生成結(jié)構(gòu)。二維設計中橋隧連接處、路隧連接處的截水天溝設計僅作示意，而BIM技術(shù)的協(xié)同設計可直接將路基、橋梁專業(yè)的截水溝相連，使設計更為精確。

隧道洞門過渡段結(jié)構(gòu)使用OpenRail的廊道功能進行創(chuàng)建?？芍苯舆x取過渡段的起終點，設置兩種斷面形式并自動生成過渡模型。邊仰坡設計可使用廊道模板中的點控制功能，將放坡的邊界自動與地質(zhì)模型擬合。二維設計通過斷面來確定放坡邊界高程，再將高程點相連；BIM技術(shù)增加了設計的準確性，使洞門設計能更好地與地質(zhì)模型、地形模型相結(jié)合。

(6)屬性附加

根據(jù)《鐵路工程信息交換模板編制指南(終稿)》中屬性集交換模板的要求[17]，梳理出本專業(yè)所需要附加的屬性信息，通過OpenRail軟件中的ItemType功能將屬性信息存入(見圖6)，設置元素模板關聯(lián)ItemType，修改構(gòu)件所屬的元素模板，就可以為構(gòu)件附加不同的屬性。配置好的元素模板可保存在專業(yè)配置的工作空間中(作為統(tǒng)一標準，在不同的項目中都可使用)，相較于二次開發(fā)的賦屬性工具， OpenRail軟件的ItemType可直接在界面操作，有效降低了修改和學習的成本，提高了設計效率。

圖6 ItemType屬性存儲

(7)工程量統(tǒng)計

使用OpenRail進行工程量統(tǒng)計主要分為以下三類：

①對于廊道功能創(chuàng)建的構(gòu)件(如洞身襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱填充等)，可以通過廊道自帶的工程量統(tǒng)計功能進行統(tǒng)計。

②對于直接建立的構(gòu)件，可通過二次開發(fā)軟件提取構(gòu)件體積、長度等參數(shù)，進行工程量統(tǒng)計。

③對于不需要建模的構(gòu)件，可通過ItemType將每延米單量作為一項信息附加在相關構(gòu)件上。以防水材料為例，將防水材料單量作為一條屬性信息附加在襯砌結(jié)構(gòu)上，在統(tǒng)計時通過提取單量和里程長度來計算工程量。

3.3 問題與建議

(1)鐵路行業(yè)交付設計成果還是以二維圖紙為主，若想實現(xiàn)使用BIM技術(shù)進行正向設計，需要軟件能滿足二維出圖要求。目前，Bentley軟件通過二次開發(fā)，解決了部分圖框、標注的問題，但由于軟件自身的原因，還存在如剖切模型的剖面無法提取標注等問題。還需要各設計院進行二次開發(fā)，或與軟件公司進行合作，以實現(xiàn)二維出圖功能。

(2)提升鐵路設計的信息化水平是大勢所趨[18]，隧道BIM正向設計中使用的參數(shù)化設計僅僅是數(shù)字化設計的一小部分。在BIM三維協(xié)同設計中，不應拘泥于傳統(tǒng)的二維約束和算法，應結(jié)合專業(yè)間接口(如地質(zhì)、地形模型)，以三維設計的思路進行參數(shù)化設計，提升參數(shù)化設計水平。

(3)使用BIM技術(shù)進行隧道正向設計，交付方式由原本的二維圖紙交付轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虜?shù)字化交付，數(shù)字化成果文件為后期智能化應用需求提供了數(shù)據(jù)基礎，但同時增加了文件審核的工作量和難度。因此，應同步考慮與審核步驟相關的二次開發(fā)工作，優(yōu)化BIM成果的文件審核流程，通過軟件實現(xiàn)對模型屬性、碰撞、分組等基礎信息的遍歷及糾錯，提高審核效率，降低審核工作量。

4 展望

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革孕育興起，伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、北斗衛(wèi)星導航等新技術(shù)的應用，智能高鐵已成為全球鐵路的前沿發(fā)展方向[19]。BIM技術(shù)作為智能建造的重要組成部分[20]，在智能高鐵的發(fā)展中起到舉足輕重的作用。使用BIM技術(shù)進行隧道正向設計是隧道工程信息化、智能化的基礎，隨著技術(shù)水平的發(fā)展和設計軟件的優(yōu)化，BIM正向設計的優(yōu)勢會被不斷放大，并為隧道工程設計帶來巨大變革。