基于BIM的鐵路隧道附屬洞室設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

曾 昊，曹 力，趙國(guó)強(qiáng)，汪 明，唐雪芹

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 BIM 中心，成都 610031）

隨著中國(guó)鐵路建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）聯(lián)盟13 項(xiàng)鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家鐵路局《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，BIM 技術(shù)應(yīng)用在鐵路工程中的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范日趨完善[1]，各大型鐵路項(xiàng)目對(duì)BIM 應(yīng)用的需求也逐步提高。經(jīng)過(guò)多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，鐵路設(shè)計(jì)單位逐漸從基于二維設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建BIM 模型的逆向設(shè)計(jì)，過(guò)渡到基于基礎(chǔ)資料完成BIM 設(shè)計(jì)并結(jié)合模型和信息完成二維圖紙生產(chǎn)及成果交付的正向設(shè)計(jì)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)已有大量基于BIM 技術(shù)的正向設(shè)計(jì)理論方法及案例，對(duì)隧道洞身、洞口的BIM 設(shè)計(jì)均有一定的研究[3]，而基于BIM 技術(shù)的附屬洞室設(shè)計(jì)相關(guān)研究還較少，大部分研究成果集中在基于特定平臺(tái)下的附屬洞室建模方法上[4]。本文結(jié)合鐵路隧道的特點(diǎn)，研究一套基于BIM 技術(shù)的鐵路隧道附屬洞室（簡(jiǎn)稱：附屬洞室）設(shè)計(jì)方法，借助BIM 設(shè)計(jì)軟件二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)附屬洞室快速、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，顯著提高隧道設(shè)計(jì)效率，避免洞室碰撞問(wèn)題。

1 附屬洞室設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，Computer Aided Design）的附屬洞室設(shè)計(jì)主要包含2 個(gè)階段：

（1）在參考圖設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目的需要，設(shè)計(jì)不同圍巖等級(jí)地質(zhì)條件下附屬洞室詳細(xì)尺寸、支護(hù)措施及工程數(shù)量，形成附屬洞室通用參考圖；

（2）在工點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先布置一組洞室，再以洞室寬度為基礎(chǔ)，依據(jù)洞身襯砌分段、四電專業(yè)提資并綜合考慮圍巖條件，對(duì)洞室進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

目前，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的主要問(wèn)題集中在附屬洞室布置方面，尤其是在開(kāi)展長(zhǎng)大隧道洞室布置時(shí)，由于洞身存在復(fù)雜的接觸網(wǎng)下錨段落、不良地質(zhì)區(qū)域及斜井、橫洞、橫通道交叉段落，需要布置幾十甚至上百個(gè)附屬洞室，并逐一排查、優(yōu)化洞室位置，需要花費(fèi)大量的時(shí)間；同時(shí)，由于布置過(guò)程中需要考慮的因素過(guò)多，導(dǎo)致部分洞室位置仍然無(wú)法完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且此類問(wèn)題在常規(guī)設(shè)計(jì)審查流程中難以被發(fā)現(xiàn)，最終可能會(huì)流入施工階段，造成工程變更，影響項(xiàng)目工期和成本[5]。

造成以上問(wèn)題的根本原因，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使附屬洞室布置的各種信息分散在不同的基礎(chǔ)資料和圖紙上，需要設(shè)計(jì)人員將各種信息進(jìn)行整合后開(kāi)展附屬洞室布置，整合過(guò)程中難免出現(xiàn)紕漏。而通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用，將完整的設(shè)計(jì)信息集成在BIM 上，通過(guò)分析集成在模型上的信息便可實(shí)現(xiàn)附屬洞室的自動(dòng)布置和自動(dòng)避讓，可有效解決上述問(wèn)題。

2 附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)流程

在充分考慮現(xiàn)有隧道二維設(shè)計(jì)圖紙出圖規(guī)范及鐵路BIM 交付精度標(biāo)準(zhǔn)、模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合傳統(tǒng)二維CAD 設(shè)計(jì)流程，提出基于BIM 技術(shù)的鐵路隧道附屬洞室設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

圖1 鐵路隧道附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)流程

（1）基于行業(yè)規(guī)范及項(xiàng)目設(shè)備工作空間要求開(kāi)展附屬洞室內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)，并根據(jù)水文地質(zhì)條件，通過(guò)類似工程經(jīng)驗(yàn)或有限元分析，在洞室內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成附屬洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

（2）在隧道洞身襯砌分段基礎(chǔ)上，結(jié)合附屬洞室布置避讓原則及站后專業(yè)設(shè)施設(shè)備布置要求等資料，開(kāi)展附屬洞室布置優(yōu)化；

（3）根據(jù)附屬洞室布置結(jié)果建立BIM，核查模型與其他結(jié)構(gòu)的碰撞和近接情況進(jìn)行布置優(yōu)化；

（4）附加BIM 交付所需的信息并生成二維交付要求的圖表，將相關(guān)成果移交后續(xù)專業(yè)使用。

3 鐵路隧道附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)

3.1 附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)

附屬洞室類型包含避車洞、余長(zhǎng)電纜腔及各類設(shè)備專用洞室等，各洞室功能不同結(jié)構(gòu)形式也各不相同。其中，余長(zhǎng)電纜腔僅作為存放預(yù)留電纜用，洞室滿足基本作業(yè)空間的需要即可，一般尺寸較??；設(shè)備洞室在滿足余長(zhǎng)電纜腔功能的同時(shí)還需考慮存放設(shè)備的凈空和承載力要求，需設(shè)計(jì)專用結(jié)構(gòu)存放設(shè)備，一般尺寸較大。故在開(kāi)展隧道工點(diǎn)附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定項(xiàng)目洞室類型，分類制作不同的洞室模板。在制作附屬洞室模板時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)方式的不同可分為以下2 種方式，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中需要根據(jù)整個(gè)隧道項(xiàng)目的BIM 設(shè)計(jì)思路進(jìn)行選擇，如表1所示。

表1 兩種附屬洞室參數(shù)化模板設(shè)計(jì)方法優(yōu)缺點(diǎn)及采用建議

3.2 附屬洞室布置設(shè)計(jì)

附屬洞室布置是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)下的難點(diǎn)，也是需要利用BIM 技術(shù)重點(diǎn)優(yōu)化的環(huán)節(jié)，在開(kāi)展BIM 設(shè)計(jì)時(shí)需在充分考慮附屬洞室布置原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)附屬洞室的批量自動(dòng)布置。

3.2.1 布置原則

對(duì)長(zhǎng)度大于500 m 的隧道，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及具體項(xiàng)目對(duì)洞內(nèi)附屬設(shè)施布置的要求，附屬洞室布置需滿足隧道運(yùn)營(yíng)及檢修要求，其主要原則如下。

（1）隧道內(nèi)需要按照一定間距布置常規(guī)洞室，如余長(zhǎng)電纜腔、避車洞、梯車洞等。同時(shí)，根據(jù)通信、信號(hào)、供電等站后專業(yè)提資要求布置設(shè)備專用洞室，如變壓器洞室、直放站洞室、探測(cè)站洞室等。

（2）設(shè)備專用洞室一般可兼作余長(zhǎng)電纜腔等常規(guī)洞室，故從經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)安全性方面考慮，設(shè)備專用洞室在布置時(shí)盡量根據(jù)專業(yè)提資與常規(guī)洞室進(jìn)行合并布置。

（3）洞室應(yīng)盡量選擇圍巖條件較好處布置，避免在斷層破碎帶、軟巖大變形等不良地質(zhì)段落布置。

（4）洞室不能跨過(guò)襯砌斷面和圍巖分級(jí)變化處、施工縫、伸縮縫、變形縫，并需保持一定距離。

3.2.2 布置優(yōu)化

本文提出2 種附屬洞室布置的優(yōu)化方法。

（1）進(jìn)行洞室預(yù)布置后，逐一排查附屬洞室與邊界條件的關(guān)系，若發(fā)現(xiàn)沖突，計(jì)算洞室需要移動(dòng)的最小距離，將預(yù)布置洞室整體移動(dòng)后重新排查，直到所有洞室均未與邊界條件發(fā)生沖突；

（2）在發(fā)現(xiàn)沖突后僅移動(dòng)沖突位置及后續(xù)的洞室，并對(duì)移動(dòng)后的洞室重新排查直到所有洞室滿足布置要求。2 種優(yōu)化方式如圖2所示。

圖2中粉色區(qū)域?yàn)楦鶕?jù)隧道襯砌分段等信息形成的邊界條件，若在根據(jù)洞室布置的間距要求形成附屬洞室預(yù)設(shè)計(jì)方案后，發(fā)現(xiàn)第3 個(gè)洞室進(jìn)入了邊界條件，則該方案不滿足布置要求，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。方法 1 是將所有洞室均向前移動(dòng)一個(gè)距離，調(diào)整后所有洞室仍為等間距；方法 2 是僅移動(dòng)第3 個(gè)及以后的洞室，調(diào)整后僅第 2 和第 3 個(gè)洞室的間距縮短。2 種方法均滿足了布置要求，其中，方法 1 最大程度地利用洞室布置間距，可有效減少最終洞室的布置數(shù)量，但難以完成邊界條件復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道布置，更適合短隧道洞室布置；而方法 2 僅調(diào)整沖突后的洞室，可適應(yīng)任何復(fù)雜的邊界條件，適用于長(zhǎng)大隧道的洞室布置。

圖2 附屬洞室布置的2 種優(yōu)化方式

3.3 附屬洞室模型建立

目前，業(yè)內(nèi)主流的BIM 設(shè)計(jì)軟件僅提供基礎(chǔ)的三維造型和布爾運(yùn)算功能，導(dǎo)致BIM 設(shè)計(jì)工作中設(shè)計(jì)人員耗費(fèi)在建模上的時(shí)間遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)本身，難以在有限的設(shè)計(jì)周期內(nèi)充分利用BIM 的優(yōu)勢(shì)優(yōu)化設(shè)計(jì)成果、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。而針對(duì)附屬洞室設(shè)計(jì)，為了滿足最終三維模型的交付，需通過(guò)設(shè)計(jì)軟件二次開(kāi)發(fā)著重提高附屬洞室批量建模及洞室模型與正洞模型剪切的效率[6]，減少附屬洞室設(shè)計(jì)過(guò)程中耗費(fèi)在三維建模上的時(shí)間，讓設(shè)計(jì)人員專注于附屬洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置優(yōu)化上。

由于不同BIM 設(shè)計(jì)軟件建模及二次開(kāi)發(fā)方法各有差異，本文僅以Bentley 平臺(tái)為例，介紹基于該平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)附屬洞室建模的4 個(gè)重點(diǎn)。

（1）剪切規(guī)則的可配置性。不同項(xiàng)目在不同階段對(duì)建模的精度要求各不相同，為更好地適應(yīng)不同項(xiàng)目的具體需求，需提供洞室與正洞襯砌剪切規(guī)則的配置功能，如剪切位置正洞和洞室各自需要保留的部分、洞室水溝與正洞水溝順接方法、洞室鋪裝的類型和坡度等。

（2）模型剪切的效率。為提高模型之間的剪切效率，需將建模時(shí)的參數(shù)信息直接附加在模型上，當(dāng)洞室與正洞剪切時(shí)通過(guò)讀取建模參數(shù)快速重構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)模型間的布爾運(yùn)算。針對(duì)信息的讀寫(xiě)，Bentley 平臺(tái)下有ECSchema、ItemeType 及Xdata 這3 種形式，經(jīng)大量測(cè)試表明，Xdata 的讀寫(xiě)速度高于其他形式，在批量進(jìn)行附屬洞室建模時(shí)能大幅提高模型剪切效率。

（3）建模穩(wěn)定性。在隧道BIM 設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往需要一次性處理幾十處洞室建模，為了提高批量建模的穩(wěn)定性，在二次開(kāi)發(fā)時(shí)需要注重對(duì)建模異常情況的處理和追蹤能力。當(dāng)某一處洞室與正洞剪切失敗時(shí)，提取異常信息并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)洞室建模，當(dāng)所有洞室模型建立完成后整理形成建模反饋表，便于設(shè)計(jì)人員定位并分析異常原因。

（4）設(shè)計(jì)信息的保留。隧道模型的設(shè)計(jì)信息以ItemType 形式存入模型，在執(zhí)行布爾運(yùn)算時(shí)會(huì)丟失，因此需在剪切前提取模型的所有信息并在剪切后重新附加，以確保信息不丟失。

4 附屬洞室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文對(duì)鐵路隧道附屬洞室的設(shè)計(jì)已應(yīng)用于鐵路工程隧道三維BIM 正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)V1.0 項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)的效果如下。

（1）在附屬洞室模板設(shè)計(jì)方面，由于搭載了完整的隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用了3.1 中完全數(shù)據(jù)化的附屬洞室模板設(shè)計(jì)方式，將附屬洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)存入隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高了模板在洞室布置、建模、出圖、算量中的調(diào)用效率，也為后續(xù)實(shí)現(xiàn)鐵路行業(yè)元數(shù)據(jù)交付[7]提供支持。

（2）在附屬洞室布置方面，綜合了3.2 中2 種優(yōu)化算法，開(kāi)發(fā)了集成智能附屬洞室布置工具，通過(guò)設(shè)置布置模式、布置間距、避讓距離等參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的洞身分段、輔助坑道、不良地質(zhì)等里程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)洞室批量布置及自動(dòng)優(yōu)化，在初步布置完成后還可根據(jù)需要對(duì)布置后的洞室位置、類型進(jìn)行調(diào)整以滿足站后專業(yè)預(yù)留的要求。

（3）在附屬洞室建模方面，依據(jù)3.3 中的重點(diǎn)要求，開(kāi)發(fā)了高效的洞室建模工具。通過(guò)結(jié)合模板設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)成果，可實(shí)現(xiàn)附屬洞室的批量建模，并可自動(dòng)與隧道洞身模型進(jìn)行剪切并根據(jù)交付精度標(biāo)準(zhǔn)[8-9]的要求完成設(shè)計(jì)信息附加。根據(jù)測(cè)試，利用該工具批量完成40 座洞室的建模時(shí)間由原來(lái)的4 h縮減至15 s，顯著提高了洞室的建模、剪切及信息附加效率。

4.2 方法應(yīng)用

本文已將鐵路隧道附屬洞室的布置方法應(yīng)用于一條處于施工圖設(shè)計(jì)階段的長(zhǎng)約9 200 m 的鐵路雙線隧道。按照布置要求，隧道左右側(cè)需分別布置專用洞室和余長(zhǎng)電纜腔且單側(cè)間距不大于500 m，同時(shí)在固定里程布置4 處變壓器洞室，并避開(kāi)活動(dòng)斷裂帶、破碎帶等不良地質(zhì)段落。

為驗(yàn)證布置方法的準(zhǔn)確性及效率，同步開(kāi)展了基于CAD 的二維附屬洞室設(shè)計(jì)工作。利用洞室智能布置工具，將不良地質(zhì)及輔助坑道位置信息導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)形成邊界條件，基于前期洞身縱斷面設(shè)計(jì)工具[10]形成的襯砌分段BIM 成果，總計(jì)布置洞室40 處，其中余長(zhǎng)電纜腔17 處、專用洞室19 處、變壓器洞室4 處，總用時(shí)約15 min；同步開(kāi)展的基于CAD 的二維設(shè)計(jì)，總計(jì)布置洞室42 處，其中1 處余長(zhǎng)電纜腔布置在活動(dòng)斷裂帶內(nèi)，洞室布置用時(shí)約1 h。經(jīng)對(duì)比，采用BIM 正向設(shè)計(jì)進(jìn)行附屬洞室設(shè)計(jì)，在洞室的布置效率和經(jīng)濟(jì)性上均優(yōu)于傳統(tǒng)方法，最終該隧道附屬洞室采用BIM 正向設(shè)計(jì)的布置方案進(jìn)行交付，設(shè)計(jì)成果如圖3所示。

圖3 附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)成果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于BIM 技術(shù)的鐵路隧道附屬洞室設(shè)計(jì)，在不打破原有CAD 二維設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上，利用BIM 技術(shù)對(duì)附屬洞室模板、布置方式及成果交付等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，串聯(lián)上下游設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，保證了BIM 設(shè)計(jì)成果能充分滿足現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)環(huán)境下對(duì)二維及三維圖的交付要求。通過(guò)在Bentley 平臺(tái)下開(kāi)展正向設(shè)計(jì)軟件研發(fā)并應(yīng)用于施工圖設(shè)計(jì)，證明該研究能在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，相關(guān)研究成果也為其他平臺(tái)下附屬洞室BIM 設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)提供了理論依據(jù)，為推進(jìn)鐵路隧道BIM 正向設(shè)計(jì)提供支撐。