摘要：本文以Bentley平台和二次开发软件为技术支持，对BIM技术的铁路隧道正向设计进行研究。结合新版软件功能，从项目创建、流程管理、参数化设计、三维建模、工程量统计出发，总结出BIM正向设计在可视化、参数化设计、信息化管理、结合地形设计等方面具有的优势。BIM技术还存在部分构件建模过程复杂、二次开发软件不足、出图功能欠缺、参数化数字化设计不完善、审核难度大等缺点。通过本次研究，进一步优化了铁路隧道BIM正向设计流程，为在隧道专业中推广BIM正向设计提供一定建设性的意见。
关键词：铁路工程；隧道；BIM技术；Bentley；BIM正向设计
引言
当前时代的发展日新月异，带动着高速铁路行业的迅速发展，同时人们日常生活对铁路建设质量的需求也在不断提高。当前由于我国实施的依然是传统施工技术和设备，导致在实际施工过程中出现问题，在对施工进度造成影响的同时，对施工质量也产生了无法估量的影响。在这样发展的大环境下，需要采取当前先进的 BIM 技术，通过可视化功能，设计完整的铁路隧道施工方案，保证方案合理性的同时，保障施工的质量[1]。
1、ＢＩＭ的概念
在１９７０年代，建筑业工业化和信息化萌芽初现，美国乔治亚理工大学的Ｃｈｕｎｋ Ｅａｓｔｍａｎ教授及时提出了建筑工业信息化的载体———ＢＩＭ，即建筑信息模型。建筑信息模型从广义上讲分为三个部分：①建筑信息模型，此模型利用计算机模拟真实建筑物的物理几何和非几何信息，客户定义的规划、设计、施工和运维信息可以任意添加。②建筑信息构造，通过已有的建筑相关模型和施工方预先设计的施工方案进行虚拟建造，将传统施工流程预先在计算机上进行模拟，这样对施工的安全、进度和流程的论证更加科学准确。③建筑信息管理，传统的ＣＡＤ制图时代，从规划到最后运维整个建筑全生命过程的信息传递几乎是割裂的、不完整的，通过ＢＩＭ能将信息无障碍的传递到运维过程，运维的管理依据能保证与真实的建筑物相匹配[2]。
2隧道BIM正向设计研究
2.1 BIM正向设计流程管理
铁路隧道设计会涉及到二十几个专业，设计过程中伴随着方案调整、资料互提、节点控制等环节。进行BIM正向设计时，提前做好项目管理及工作流程管理，能够有效地提高设计效率，降低专业间的沟通成本。项目管理项目管理依托于协同设计软件ProjectWise，通过对ProjectWise软件的二次开发，将各设计院自身的流程管理系统通过web端和ProjectWise软件相关联，结合ProjectWise自身的功能，在项目创建后进行专业配置、专业人员配置、权限分配、审签流程设置等（见图1），最终实现审签流程、计表完成情况与各设计院内部的流程管理系统相挂接。通过ProjectWise进行资料互提、模型文件参考关系记录、多版本设计文件管理，将设计内容在服务器中实时共享，合理分解、分配专业任务，实现专业间有序作业，互不冲突。工作流程管理通过建立专业IDM（InformationDeliveryManual）进行，IDM全称是信息交付手册，其对项目的工作流程、各专业间互提的内容和格式进行了规定和要求。各设计院可根据专业要求，梳理出适合各专业的IDM流程。在ProjectWise中，以IDM作为依据，实现对整个流程的稳定把控和管理[3]。
2.2创建施工阶段结构树
在局部BIM到开放BIM的转换过程中，设计与施工模型之间的转换十分必要。设计阶段和施工阶段关注点不同，因此反应在BIM上的信息要求有所区别。在隧道专业设计阶段，模型一般只根据围岩等级对区间进行划分，每个区间的结构一般只划分到初期支护、二衬仰拱、二衬边墙等，这些划分原则大都是依据设计阶段力学分析得出的结果；而在施工阶段，除了关注设计阶段的信息之外，还需要将构件根据施工工艺划分为6m一个节段，便于后期对BIM进行施工阶段的管理[4]。除此之外，施工阶段附加的信息内容也有变动，包括施工进度信息，如混凝土浇筑时间、下一道工序类别时间等；施工成本，如钢筋工程量、混凝土工程量、材料厂家等；施工队伍人员信息，构件对应负责工区、钢筋质量检查主要负责人，混凝土浇筑旁站人员等。根据上述设计与施工阶段的区别，在设计 BIM的基础上，配置土木工程类型和 IFC 关系。通过两者间的关系，获得一种映射渠道。同时，创建施工结构树模板，以便完成两种模型的结构映射。由于施工BIM 划分更加精细，并且与施工组织等非几何信息挂接更加密切，因此创建施工结构树时根据施工工作分解结构（WBS）以 及 EBS 编 码 对 施 工BIM 进行分解，最后完成施工结构树建立，如图1所示。
2.3碰撞检查
ＢＩＭ可通过构件的信息模型进行硬碰撞和软碰撞，硬碰撞指的是构件之间的碰触问题，不同专业的设计师在设计时所利用的空间由于信息不对称经常导致构件交叉，通过Ｒｅｖｉｔ或者Ｎａｖｉｓｗｏｒｓ可对模型进行碰撞检测，找出碰撞点同时导出碰撞报告，方便设计师及时进行施工前设计方案修改。软碰撞指设计师所做的设计是否符合设计规范、相关技术标准及业主施工单位的其他要求。通过碰撞后的设计优化能够降低施工阶段的设计变更、控制成本。
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图1 隧道施工阶段结构树
Fig.1Structure tree during tunnel construction
2.4 3D模型协同设计
在实施模型协同设计过程中，其自身具备基本的理念：第一，需要以现场施工环境，建立合适的环境模型，形成虚拟真实的环境设计。第二，在建立结构模型过程中，需要将未来施工中的对象融入到现有施工环境中。第三，在环境模型作业的范围内，需要实际施工需求，在同一设计环境中，开展施工设备模型的可视化设计，最终有效实现施工方案模型协同设计的效果[5]。另外，实现隧道仰拱和仰拱填充施工方案设计的可视化展示，需要采取网络技术，需要建立环境模型和隧道初期支护以及前方拱底土石方这3个方面。因此，通过BIM技术，利用其自身具备的3D模型系统设计工作，在确保施工进度的同时，满足人们对铁路施工建设的需求，进一步实施铁路隧道施工方案的发展，最终实现铁路隧道施工方案可视化的设计。
2.4基于BIM的明挖基坑围护结构设计
基于BIM的明挖基坑围护结构设计为明挖隧道所特有的技术，其主要设计流程包括：根据开挖及地质情况确定不同段落隧道支护参数；基于隧道开挖面模型生成隧道围护结构骨架；建立围护结构模板，生成围护结构模型；对于有内支撑的情况需基于围护结构模型生成内支撑骨架；建立内支撑模板，生成内支撑模型。围护结构模型体量较大，为了便于方案比选，需实现围护结构骨架及模型的参数化。此外，由于围护结构模型基于开挖面模型生成，而开挖面模型又基于隧道结构模型生成，所以当隧道结构或开挖面模型调整时，围护结构模型联动，极大提高了模型建立、修改以及优化效率。
2.5隧道洞身设计
隧道洞身设计的思路是在不同里程位置，根据地质围岩等级、地质模型和地形模型，选取适宜该里程段的隧道断面，通过读取围岩断面里程信息，自动生成隧道洞身模型。在传统二维设计中，对于特殊地质等情况，一般通过纵断面进行设计和特殊措施的处理。在BIM设计中，可以将隧道模型试放入线路中，从三维视角来观察地质情况对隧道的影响，提高了设计的准确性。在发生变更或需要调整断面时，只需将断面模板进行修改，选取里程刷新模型，即可完成模型的修改。
3结语
综上所述，在通过 BIM 技术的实施，实现 3D 可视化设计环境和 4D 虚拟仿真环境，建立 BIM 辅助施工方可视化设计的方法和流程。另外，还可以设计三维数字模型，其中主要包含环境模型和结构模型以及施工设备模型。通过 BIM 模型设计技术，采取 4D 虚拟现实的技术，对施工方案进行全面直观的展示，最终将施工档案进行全面优化。BIM 技术还可以帮助隧道仰拱和仰拱填充施工的可视化设计，并取得良好的效果和成绩。因此，在铁路隧道实际施工过程中，只有打破传统施工技术和方案，采取先进的 BIM 技术，满足人们对铁路隧道行业需求的同时，确保施工的质量，最终推进铁路隧道施工行业的进一步发展。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．建筑信息模型施工应用标准：GB/T51235—2017［S］．北京：中国建筑工业出版社，2018．
[2]卢祝清 ．ＢＩＭ 在铁路建设项目中的应用分析［ Ｊ ］ ． 铁道标准设计，２０１１（１０）：４ － ７.
[3]王浩. BIM技术在高速铁路隧道设计中的应用[J].铁路技术创新，2016（3）：75 - 79 .
[4]李延. 宝兰客专石鼓山隧道BIM技术的研究及应用[J]. 铁路技术创新，2014（5）：64 - 65 .
[5]翟世鸿，姬付全，王潇潇，等. 铁路矿山法隧道BIM建模标准研究[J]. 铁道标准设计，2016（1）：107 - 110
论文作者:郭富强
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/21
标签：模型论文; 隧道论文; 结构论文; 铁路论文; 信息论文; 阶段论文; 技术论文; 《基层建设》2020年第1期论文;