铁路矿山法隧道BIM建模标准研究

翟世鸿，姬付全，王潇潇，陈富强，杨　钊

(1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，武汉　430040；2.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，武汉　430012)



铁路矿山法隧道BIM建模标准研究

翟世鸿1，姬付全1，王潇潇2，陈富强1，杨钊1

(1.中交第二航务工程局有限公司技术中心，武汉430040；2.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，武汉430012)

摘要：针对铁路矿山法隧道BIM模型使用需求，研究施工图设计模型的构件命名规则与代码规则，以及建模精度与信息粒度等模型创建要求，建立铁路矿山法隧道施工图设计模型，建模精度、构件信息粒度包含施工工序和传统的二维施工图设计信息。研究成果符合现行的铁路隧道设计规范与标准要求，并结合依托工程得到成功实践。

关键词：铁路隧道；矿山法隧道；BIM；构件命名；构件代码；建模精度；信息粒度

1概述

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)表达了工程规划、设计、施工、运营等全生命周期过程中创建、传递的数字化nD信息模型。主要包括设计阶段的3D模型、施工阶段的进度管理4D模型、进度和造价管理5D模型、运营阶段的信息管理6D模型等[1]。BIM模型传递衍生过程中包含了大量的构件，信息量巨大，若缺乏科学的模型构件分类以及一致的代码规则，将会极大地降低构件识别、信息传递的准确性和效率。因此，根据BIM模型使用需求，定义构件分类、代码的标准十分关键。

欧美、日本和新加坡等国家已制定了相关的国家BIM技术标准，BIM技术普及率达60%～70%[2]。我国从2013年开始规划BIM技术应用标准，国标《建筑工程设计信息模型交付标准》、《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》正处于修订阶段。中国铁路BIM联盟已发布行业级的《铁路工程实体结构分解指南》和《铁路工程信息模型分类与编码标准》[3，4]。因此，有必要对铁路矿山法隧道BIM建模标准进行项目级的应用探索与研究，形成施工图设计模型创建标准，对指导BIM建模与应用具有重要意义。

2相关术语

建筑信息模型(简称BIM模型，本文指隧道施工图设计模型)：包含建筑全生命期或部分阶段的几何信息及非几何信息的数字化模型。建筑信息模型以数据对象的形式组织和表现建筑及其组成部分，并具备数据共享、传递和协同的功能。

模型构件：表示完全或部分实现参数化设计的，构成BIM模型的基本对象或组件。

模型精细度：表示BIM模型包含的信息的全面性、细致程度及准确性的指标。

建模精度：在不同的模型精细度下，BIM模型几何信息的全面性、细致程度及准确性指标。几何精度采用两种方式来衡量，一是反映对象真实几何外形、内部构造及空间定位的精确程度；二是采用简化或符号化方式表达其设计含义的准确性[5]。

信息粒度：在不同的模型精细度下，BIM模型所容纳的几何信息和非几何信息的单元大小和健全程度。

几何信息：表示BIM模型构件的空间位置及自身形状(如长、宽、高等)的一组参数，通常还包含构件之间空间相互约束关系，如相连、平行、垂直等。

非几何信息：表示BIM模型构件除几何信息以外的其他信息，如材料、成本、配筋率、施工班组及工程量等参数信息。

3矿山法隧道BIM模型构件命名与代码规则

3.1　构件命名规则

为保证模型构件的易认知性，并符合隧道设计原则，矿山法隧道BIM模型构件命名应包含构件类别、构件类型(围岩级别、衬砌类型)等信息。

不同围岩级别、不同地质条件下，隧道设计为不同的衬砌类型。隧道围岩级别划分为Ⅰ～Ⅵ六个等级[6]。在每一围岩级别下，按岩石构造、地下水等地质条件划分衬砌类型，以英文字母排序表达[7]。

命名规则如图1所示，构件类别与构件类型之间用连字符“-”连接。

图1　矿山法隧道BIM模型构件命名规则

限于篇幅，本文定义了Ⅴ级围岩和a、 b衬砌类型的构件命名示例，如表1所示。

在表1中，侧沟沟槽、中心盖板沟等构件命名，均直接使用构件类别。隧道内部结构不受围岩级别、衬砌类型的影响，构件命名不需考虑围岩级别、衬砌类型的因素。

3.2　构件代码规则

为表达构件对象在BIM模型中的唯一性，构件代码应包含单位工程名称、构件类别、构件类型(围岩级别、衬砌类型)、里程等信息。

表1　矿山法隧道BIM模型构件命名示例

构件代码规则如图2所示，单位工程名称首字母与构件类别首字母之间用连字符“-”连接，构件类型与里程之间用连字符“-”连接。

图2　矿山法隧道BIM模型构件代码规则

限于篇幅，本文定义了依托工程的BIM模型构件代码示例，如表2所示。

表2　矿山法隧道BIM模型构件代码示例

注：单位工程：清凉山隧道；里程：Dgk58+031

4矿山法隧道BIM模型精细度要求

4.1　模型精细度

目前，国外的模型精细度一般采用LOD等级，LOD被定义为100～500的5个等级，代表从工程的概念模型到竣工模型的整个过程[8]。而我国将BIM全生命期应用的模型精细度划分为七个等级[9]：方案设计模型、初步设计模型、施工图设计模型、深化设计模型、施工过程模型、竣工验收模型和运维管理模型。

其中，施工图设计模型精细度与传统二维施工图设计阶段所要求的设计深度相对应[10，11]。模型构件应表现对应的结构实体的详细几何特征及精确尺寸，应表现必要的细部特征及内部组成。并且应包含在项目后续阶段(如施工算量、材料统计、造价分析等应用)需要使用的详细信息，具体包括：构件的规格类型参数、主要技术指标、主要性能参数及技术要求等。

综上，研究的BIM模型精细度应使用施工图设计模型等级。下面从模型建模精度和构件信息粒度两方面表达施工图设计模型精细度要求。

4.2　模型建模精度与信息粒度

构件单元表达构件在模型中的建模精度，宜结合施工工序管理要求，考虑建模难度，采用榀、纵向长度等单位。模型的信息粒度应符合模型精细度等级的规定，应包含几何信息和非几何信息，其中几何信息应进行参数化设计。

模型的信息粒度与建模精度可不完全一致，应以模型信息作为优先的有效信息。由于技术条件的限制和实际操作的需要，模型的信息不一定能够全部以几何方式可视化表达出来。例如钢筋混凝土，可以省略钢筋构件，但其对应的属性信息可具备更加丰富的信息内容，包括钢筋的型号、配筋率、混凝土的体积、强度等级等。此类情况下，应以模型所承载的信息作为优先的有效信息。

矿山法隧道施工图设计模型的建模精度与信息粒度统计见表3。

(1)超前小导管、中空锚杆、砂浆锚杆、锁脚锚杆、管棚的构件单元，宜按一榀的组件形式，相邻两榀呈梅花状布置；几何信息应包括轴向长度La(m)、钢管型号φ(mm)、外倾角θ(°)、榀间距Ld(mm)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(m)、钢管质量(kg)、钢型号H、里程。超前小导管构件单元见图3。

图3　超前小导管

隧道BIM模型构件构件单元几何信息非几何信息超前支护初期支护二次衬砌防水板超前小导管一榀管棚一榀喷射混凝土纵向长度L=0.5~3.5m中空锚杆一榀砂浆锚杆一榀钢筋网一榀型钢钢架一榀格栅钢架一榀仰拱纵向长度L=6~8m底板纵向长度L=6~8m拱墙纵向长度L=10~12m仰拱部防水板纵向长度L=6~8m拱墙部防水板纵向长度L=10~12m仰拱填充纵向长度L=6~8m中心盖板沟侧沟沟槽沟槽身纵向长度L=6~8m盖板纵向长度L=6~8m沟槽身纵向长度L=6~8m盖板纵向长度L=6~8m1.长度2.截面尺寸3.几何特征1.类别2.类型3.代码4.工程量(单位)5.里程6.材质7.贴图

(2)钢筋网的构件单元，宜按1榀的组件形式；几何信息应包括环向长度Lc(m)、钢筋型号φ(mm)、网格间距Ls(mm)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(kg)、钢型号H、里程。钢筋网构件单元见图4。

图4　钢筋网

(3)型钢钢架、格栅钢架的构件单元，宜按一榀的组件形式，且包含节点连接板、节点螺栓等细部构件；几何信息应包括环向长度Lc(m)、榀间距Ld(mm)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(kg)、型钢型号、钢型号H、里程。型钢钢架构件单元见图5。

图5　型钢钢架

(4)喷射混凝土的构件单元，宜按循环开挖纵向长度，不同围岩级别差别较大，一般为0.5～3.5 m；几何信息应包括纵向长度L(m)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(m3)、混凝土强度等级C、里程。喷射混凝土构件单元见图6。

图6　喷射混凝土

(5)仰拱构件单元，宜按模筑纵向长度，一般为6～8 m；几何信息应包括纵向长度L(m)、厚度δ(cm)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(m3)、混凝土强度等级C、钢筋型号φ(mm)、钢型号H、配筋率ρ(kg/m3)、里程。仰拱构件单元见图7。

图7　仰拱

(6)仰拱填充、底板的构件单元，宜按模筑纵向长度，一般为6～8 m；几何信息应包括纵向长度L(m)、厚度δ(cm)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(m3)、混凝土强度等级C、里程。仰拱填充构件单元见图8。

图8　仰拱填充

(7)拱墙构件单元，宜按模筑纵向长度，一般为10～12 m；几何信息应包括纵向长度L(m)、厚度δ(cm)；非几何信息应包括类别、类型、代码、工程量(m3)、混凝土强度等级C、钢筋型号φ(mm)、钢型号H、配筋率ρ(kg/m3)、里程。拱墙构件单元见图9。组合模型构件单元如图10所示。

图9　拱墙

图10　组合模型

5结语

当前国内BIM技术在铁路工程中的应用标准仍处于研究阶段，尚未形成统一的标准体系。根据依托工程的BIM模型使用需求，对铁路矿山法隧道BIM建模标准进行项目级的应用探索与研究，形成施工图设计模型创建标准。

铁路矿山法隧道BIM模型构件命名规则：构件类别-构件类型(围岩级别、衬砌类型)；构件代码规则：单位工程名称-构件类别-构件类型(围岩级别、衬砌类型)-里程。通过定义两位的构件命名规则和三位的构件代码规则，取得了很好的BIM模型使用效果。

建立了铁路矿山法隧道施工图设计模型，其建模精度、构件信息粒度满足施工工序和传统的二维施工图设计信息要求，具有很好的工程管理实用性。

参考文献：

[1]何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息技术，2010，2(4)：110-117.

[2]郑国勤，邱奎宁.BIM国内外标准综述[J].土木建筑工程信息技术，2012，4(1)：32-34.

[3]中国铁道科学研究院.铁路工程实体结构分解指南[J].铁路技术创新，2014(6)：1-334.

[4]中国铁道科学研究院.铁路工程信息模型分类与编码标准[J].铁路技术创新，2015(1)：1-111.

[5]刘厚强，易旭鹏，朱聪.基于BIM的三维铁路路基建模应用研究[J].铁道标准设计，2015(7)：20-22.

[6]铁道第二勘察设计院.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7]铁道部经济规划研究院.通隧[2008]0201时速250公里客运专线铁路双线隧道复合式衬砌[Z].北京：铁道部经济规划研究院，2008.

[8]刘占省，王泽强，张桐睿，等.BIM技术全寿命周期一体化应用研究[J].施工技术，2013，42(18)：91-95.

[9]中建《建筑工程施工BIM应用指南》编委会.建筑工程施工BIM应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[10]逯宗田.铁路设计应用BIM的思考[J].铁道标准设计，2013(6)：140-143.

[11]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.

Research on Standards for Building Information Model of Mining Railway Tunnel

ZHAI Shi-hong1， JI Fu-quan1， WANG Xiao-xiao2， CHEN Fu-qiang1， YANG Zhao1

(1.Technical Center of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430040， China;

2.No.5 Branch of CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430012， China)

Abstract：In view of the requirements for Building Information Model (BIM) of mining railway tunnel， this paper studies the naming and coding rules of components， the accuracy of modeling， and the granularity of information to establish the model of construction drawing design. The model contains the process of construction and the information of the traditional two-dimensional construction drawing design. The research results conform to the design specifications for railway tunnel and are proved practical in engineering.

Key words：Railway tunnel; Mining tunnel; BIM; Name of component; Code of component; Accuracy of modeling; Granularity of information

作者简介：翟世鸿(1969—)，男，教授级高级工程师，1991年毕业于重庆交通学院，工学学士，E-mail：844366838@qq.com。

收稿日期：2015-05-18； 修回日期：2015-06-18

中图分类号：U455

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.023

文章编号：1004-2954(2016)01-0107-04