基于BIM技術(shù)的鐵路隧道洞身設(shè)計與應用方法研究

田明陽，曾昊，汪明，曹力

（中鐵二院工程集團有限責任公司 BIM中心，四川 成都 610031）

1 鐵路隧道洞身BIM設(shè)計概述

1.1 設(shè)計流程

自2013年BIM技術(shù)引入我國鐵路工程行業(yè)［1］，依托原中國鐵路總公司16項BIM試點項目，行業(yè)內(nèi)先后針對BIM技術(shù)標準、應用進行了多項探索［2］。然而，針對鐵路隧道工程設(shè)計階段的BIM技術(shù)應用依舊缺乏正向設(shè)計解決方案，實際項目中仍以設(shè)計、翻模平行進行的模式開展。為此選擇Bentley ORD平臺采用C++與C#混合編程的形式進行二次開發(fā)，遵循傳統(tǒng)設(shè)計模式提出鐵路隧道洞身BIM設(shè)計流程（見圖1）。以三維線路、地形模型、地質(zhì)體為基本設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)資料依次開展襯砌分段、工法分段及錨段插入、洞室布置等，縱斷面設(shè)計依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計方式，在二維縱斷面圖表中以交互形式進行設(shè)計，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、二維設(shè)計數(shù)據(jù)、三維設(shè)計模型的動態(tài)同步建立。依據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)實現(xiàn)工程量的自動計算，在洞身工點設(shè)計與工程量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上完成部分洞身設(shè)計圖表的輸出。設(shè)計過程中，利用隧道模型及其附加信息開展隧道施工模擬、圍巖及風險分布等隧道BIM綜合應用輔助設(shè)計。

圖1 鐵路隧道洞身BIM設(shè)計流程

1.2 數(shù)據(jù)準備

通過線路設(shè)計工具對接線路數(shù)據(jù)庫文件中的坡度表、曲線表及斷鏈表等設(shè)計要素，生成隧道三維線路文件（見圖2），該線路文件依據(jù)絕對坐標產(chǎn)生，因此基于該三維線路文件布置的隧道模型也具有真實坐標［3］。

圖2 三維線路文件生成

地質(zhì)信息模型采用EVS軟件建立［4］，由工程地質(zhì)平面圖、地質(zhì)縱斷面圖、鉆孔數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)組成，保證專業(yè)數(shù)據(jù)的完備性和正確性。利用鉆孔數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)進行初步巖性建模，根據(jù)巖性建模結(jié)果和區(qū)域地質(zhì)情況分區(qū)域進行三維層序劃分；根據(jù)層序劃分結(jié)果進行地層建模，然后根據(jù)剖面數(shù)據(jù)、區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)等進行模型修正和細化。得到成果模型后，對模型進行相關(guān)展示，并存儲為所需格式。由EVS創(chuàng)建的模型也可導出為DGN、DWG、SHP等格式文件，在其他軟件中打開操作和編輯，或整合其他地面數(shù)據(jù)信息。導出Bentley平臺地質(zhì)信息模型附加相關(guān)屬性，為隧道洞身設(shè)計開展提供同平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地質(zhì)信息模型生成與導出示意見圖3。

圖3 地質(zhì)信息模型生成與導出示意圖

2 鐵路隧道洞身BIM設(shè)計方法研究

2.1 標準斷面庫創(chuàng)建與維護

標準斷面庫創(chuàng)建分為兩部分：一個是定義斷面組成邏輯，另一個是邏輯結(jié)構(gòu)下幾何參數(shù)設(shè)置。首先根據(jù)項目需要選用數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)模板應用或在此基礎(chǔ)模板上修改構(gòu)成邏輯，構(gòu)成邏輯包含基本邏輯和細節(jié)邏輯，基本邏輯是指單心圓、三心圓、五心圓等隧道內(nèi)輪廓形式；細節(jié)邏輯是指某種輪廓形式下隧道組成方式，如組成邏輯中定義中心管為圓形則輸入?yún)?shù)里中心管參數(shù)為半徑、壁厚等，若組成邏輯中定義其為矩形則參數(shù)為寬、高及壁厚等，以圖形選項的交互方式實現(xiàn)。在定義好斷面組成邏輯后，在預設(shè)參數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)整參數(shù)，完成定義不同類型斷面形式，并按照《鐵路工程信息模型存儲標準（1.0版）》［5-6］對斷面中的結(jié)構(gòu)單元添加通用屬性信息。斷面類型、參數(shù)與數(shù)據(jù)庫同步，并檢查重復和異常的參數(shù)項，檢查通過后儲存在標準斷面數(shù)據(jù)庫中供后續(xù)應用。隧道標準斷面創(chuàng)建示意見圖4。

圖4 隧道標準斷面創(chuàng)建示意圖

標準斷面庫維護可通過選擇斷面類型改變邏輯類型或調(diào)整參數(shù)，也可導入Excel批量修改多個斷面參數(shù)。

2.2 縱斷面設(shè)計

縱斷面設(shè)計采用“二維設(shè)計—數(shù)據(jù)庫集成—三維設(shè)計”同步開展的模式進行（見圖5）。初始化縱斷面參數(shù)，根據(jù)選擇隧道基礎(chǔ)信息推薦默認比例尺及預設(shè)表頭模型，選定參數(shù)后生成二維縱斷面設(shè)計表格。由地質(zhì)信息及數(shù)據(jù)庫參數(shù)初始化表格自動生成的內(nèi)容包括：根據(jù)圍巖地質(zhì)信息數(shù)據(jù)劃分圍巖分級、根據(jù)坡度表及豎曲線公式自動計算的設(shè)計高程及設(shè)計坡度、根據(jù)地質(zhì)體模型及隧道進出口里程得出的地面高程、根據(jù)分段情況劃分里程標注等。

圖5 縱斷面聯(lián)動設(shè)計

完成縱斷面初始化后，通過插入、移動、合并、修改等基礎(chǔ)設(shè)計工具對襯砌分段進行設(shè)計調(diào)整，該過程中二維設(shè)計結(jié)果與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，同時結(jié)合標準斷面庫與二維襯砌分段生成三維隧道洞身模型，實現(xiàn)“二維設(shè)計—數(shù)據(jù)庫—三維設(shè)計”之間的關(guān)聯(lián)。三維洞身模型采用Mesh形式提高生成效率，結(jié)合地質(zhì)體模型反映縱斷面工點設(shè)計與隧道地層巖性分布、不良地質(zhì)情況分布等地質(zhì)信息間的空間關(guān)系，及時優(yōu)化襯砌分段結(jié)果。在襯砌分段的基礎(chǔ)上，選擇更新功能，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的“支護字典”實現(xiàn)對施工方法與超前支護的自動劃分。在自動劃分的基礎(chǔ)上再對施工方法與超前支護進行二次劃分，其中針對超前支護類型以附加信息的方式可以修改“每環(huán)根數(shù)”“每環(huán)管棚長度”“縱向間距”“延米注漿量”，為隧道洞身工程量計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最后按照下錨段排布規(guī)則，以襯砌組的方式插入下錨段，插入下錨段繼承原有襯砌基本類型。

2.3 附屬洞室布置設(shè)計

對長度大于500 m的鐵路隧道，完成洞身襯砌分段后，均需進行附屬洞室布置設(shè)計（見圖6）。根據(jù)隧道設(shè)計規(guī)范及設(shè)計原則中對避車洞、梯車洞、電纜余長腔等隧道中常規(guī)洞室的布置要求，按照一定間距進行常規(guī)洞室布置，在布置的同時參考襯砌分段結(jié)果，對部分洞室位置進行微調(diào)，避開襯砌分段、輔助坑道交叉口等位置，最后根據(jù)四電專業(yè)提資要求的特殊洞室位置布置特殊洞室，同時按照最優(yōu)布置原則盡量使常規(guī)洞室與特殊洞室合并共用。特殊洞室布置完成后，將附屬洞室布置數(shù)據(jù)存入縱斷面設(shè)計數(shù)據(jù)庫中，并在縱斷面設(shè)計圖上繪制附屬洞室布置圖及洞室表。

圖6 附屬洞室布置流程

結(jié)合縱斷面設(shè)計數(shù)據(jù)庫中的洞室位置，通過各附屬洞室標準單元庫，在洞身模型上完成附屬洞室模型的生成，并完成與正洞的剪切。

2.4 參考模型設(shè)計與工程量計算

隧道縱斷面設(shè)計與附屬洞室布置完成后，對數(shù)據(jù)完備性與正確性進行檢查，檢查通過后進入工程量計算階段。為保證工程量計算結(jié)果能夠滿足設(shè)計要求，提供參考模型與工程量計算表2種算量模式。

參考模型是根據(jù)標準斷面信息庫數(shù)據(jù)，應用參數(shù)化建模和共享單元的方式建立長10 m、精度達LOD350的參考模型（見圖7）。參考模型在準確表達參考圖設(shè)計意圖的同時，也將每延米隧道洞身工程量計算結(jié)果信息添加至對應構(gòu)件，作為計算依據(jù)。參考模型與基本隧道模型擁有共同ID，通過該ID可在基本模型中查看參考模型的幾何和非幾何信息。調(diào)用與襯砌分段信息對應整個隧道洞身的標準斷面類型、分段長度及每延米工程數(shù)據(jù)，可計算得到隧道洞身或部分工區(qū)的工程量。

圖7 參考模型小導管信息

工程量計算表的形式是導出數(shù)據(jù)庫中縱斷面設(shè)計所形成的工點數(shù)據(jù)，調(diào)用工程量計算表轉(zhuǎn)譯到程序內(nèi)的計算公式，計算得出選定工區(qū)范圍內(nèi)工程量結(jié)果，并按相應格式輸出Excel表格。若出現(xiàn)計算方式變化或需獲取中間計算的情況，也可通過導入計算Excel表格的方式完成工程量計算。計算結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫，以便完成相關(guān)圖表數(shù)據(jù)的生成，同樣也可導出含有計算結(jié)果的Excel表格，以傳統(tǒng)方式完成相關(guān)工作。

3 鐵路隧道洞身BIM應用方法研究

3.1 圍巖及風險分布

隧道設(shè)計方案在三維場景中實時呈現(xiàn)可為隧道工點設(shè)計、參考圖設(shè)計提供設(shè)計參考。隧道洞身BIM設(shè)計完成后，可結(jié)合GIS平臺，利用BIM技術(shù)可視化、信息集成的特點，實現(xiàn)隧道設(shè)計方案的多方位展示與分析。在隧道地質(zhì)體模型、三維線路模型基礎(chǔ)上，讀取數(shù)據(jù)庫中的隧道設(shè)計信息，在GIS平臺中動態(tài)生成簡化隧道模型，并根據(jù)選擇設(shè)計信息類型對簡化隧道模型進行類別區(qū)分，可實現(xiàn)隧道圍巖等級、隧道風險分布（見圖8）、襯砌類型、施工方法、超期支護措施等多類設(shè)計信息的可視化表達。輸入里程樁號或選擇襯砌段落，獲取區(qū)間地質(zhì)信息、隧道斷面類型及相應參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)信息模型完成對隧道設(shè)計方案的輔助優(yōu)化，同時在GIS平臺三維場景中對隧道工程的工程概況、地質(zhì)條件、設(shè)計方案、主要風險、技術(shù)支撐等信息進行管理和展示。

圖8 標準斷面創(chuàng)建工具

3.2 隧道施工組織模擬

傳統(tǒng)二維設(shè)計中，隧道施工組織需進行抽象的進度計算和圖形處理［7］，難以直觀反映隧道施工組織設(shè)計內(nèi)容。利用BIM技術(shù)可實現(xiàn)隧道施工組織設(shè)計的控制，并為后續(xù)施工管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。導入BIM模型或在GIS平臺中動態(tài)生成簡化隧道模型，通過施工組織設(shè)計模塊完成施工速度、施工時長的設(shè)置（見圖9），再結(jié)合縱斷面設(shè)計結(jié)果完成三維BIM構(gòu)件的時間定義。在GIS平臺中對BIM 4D數(shù)據(jù)進行整合，完成三維構(gòu)件定位及時間線關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)隧道施工組織動態(tài)模擬（見圖10）。

圖10 隧道施工組織動態(tài)模擬

利用該功能開展隧道施工組織會審，綜合了隧址區(qū)三維地形、地質(zhì)體模型及正洞與輔助坑道洞口傾斜攝影、主體結(jié)構(gòu)等模型，結(jié)合計劃進度指標、工期安排等信息，形象展示各工點施工范圍、完成時間、貫通位置、洞口場地情況，為隧道施工組織提供會審服務。

4 結(jié)束語

在我國鐵路隧道智能化發(fā)展的背景下［8-9］，BIM技術(shù)將會更多應用到鐵路隧道建設(shè)的各個環(huán)節(jié)，只有更深入地將開發(fā)方向與設(shè)計需求相結(jié)合，才能切實推動BIM技術(shù)在設(shè)計階段的落地。

基于Bentley平臺研究了基于BIM技術(shù)的隧道洞身工程設(shè)計與應用方法，在Bentley原生功能基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計實際需求進行二次開發(fā)，通過“二維設(shè)計—數(shù)據(jù)庫集成—三維設(shè)計”的模式開展鐵路隧道洞身縱斷面設(shè)計、附屬洞室布置及工程量計算等工作?，F(xiàn)階段基于BIM技術(shù)的隧道三維設(shè)計還不能完全取代傳統(tǒng)二維設(shè)計方式，采用該模式在完成二維設(shè)計過程中同步完成隧道三維模型，利用BIM設(shè)計的信息集成、可視化等特點，實現(xiàn)提升縱斷面設(shè)計效率、改善附屬洞室方案布置、更新隧道施工組織方案設(shè)計思路。采用數(shù)據(jù)庫的方式對二維設(shè)計信息及三維模型數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合，避免傳統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)分散的問題，同時也為三維設(shè)計提供數(shù)據(jù)接口。