隧道工程三维设计技术中BIM的应用

◎ 向功兴 长江勘测规划设计研究有限责任公司



隧道工程三维设计技术中BIM的应用

◎ 向功兴 长江勘测规划设计研究有限责任公司

本文简要分析了BIM技术在隧道工程中的应用现状，同时简要介绍了BIM技术在隧道建设中的应用。并以某隧道工程为例，从复杂段设计以及结构计算两方面分析了如何在隧道三维设计中应用BIM技术，以期使BIM技术的应用更为普遍，使得我国隧道工程的施工更为便利。

隧道工程 三维设计 BIM技术 公路桥梁

BIM（Building Information Modeling），也称建筑信息模型，其模型建立基础是与建筑工程项目有关的各个类型数据，从而形成建筑人员需要的建筑模型，同时利用数字信息进行建筑物的仿真模拟，使之体现较为真实的信息。BIM技术在土木工程中的应用十分广泛，隧道工程便是其中之一。BIM技术可以有效提高设计人员的设计质量与工作效率，从而保证整体工程的实施质量，也缩短了施工周期。

1.BlM技术的应用现状

BIM技术的普及范围较大，建筑、电子以及机械等行业均需借助BIM技术，而BIM技术的应用也日益成熟，带动各个领域也发生了巨大的变化。如今，我国社会经济逐渐稳定，对隧道工程的要求也有所提高，要求隧道工程的建设发展方向以环保、低碳以及可持续为主，所以BIM技术应用于隧道工程是大势所趋。

2.隧道工程项目中BlM技术的应用特点

2.1包含内容特殊

不同于建筑领域，隧道工程项目中BIM的概念还包含有GIS，三维模型建立还包含有三维地质信息模型、三维地理信息模型以及隧道结果三维模型。这便导致施工阶段需要接收大量信息，同时也需建立相应的规范，从而令专业与阶段之间所形成的信息壁垒逐渐消失。

2.2对设计模型兼容性增强

隧道工程项目分为线上以及线下两部分，按照工程特点之间的差异，设计人员也需要使用相应的应用平台，应用平台之间存在差异，则对模型的兼容性有更高要求。不仅如此，设计环节以及施工环节都需兼容各种类型的设计模型，这也代表平台之间能够协同工作，同时还可以完成格式转换。

2.3可视化管理

隧道工程项目当中含有多个系统：超前地质预报以及监控量测等数个系统，这也证明了隧道工程项目建设对施工安全以及质量的要求极为严格。施工企业在利用BIM技术的过程中，需充分集成不同种类的安全质量管理平台，对各项信息数据实施集中可视化管理。

3.BlM技术在隧道工程三维设计中的设计运用

3.1工程概况

某工程隧道预计隧道总长度为8199m，隧道进口位于某村镇东侧，同该村镇之间的距离达到400m，进口处里程为DK5+095，隧道在DK5+205，DK5+230下穿某环线以及机场高速。市政公路同隧道线位所形成的交叉角度为49o，隧道交叉部分长度为140m左右，复杂段所处位置以进口为起点，重点则为DK5+310，复杂段整体长度为215m。隧址区进口部分分布有厚度值较高的第四系底层，且下伏有燕山晚期第一次侵入花岗闪长岩，形式为F1断层，同时与侏罗系凝灰熔岩相接。进口部分区域分布有人工填土作为道路的路基，路基高度达到0～3m。填土的以冲洪积卵石土为主，粒径范围为60mm～180mm，最大厚度不低于11m。丘坡表面土质为残积粉质黏土，厚度范围为0.5m～4m。穿越段隧道顶部覆土厚度为4.1m～4.9m，全部为Ⅴ级围岩，属于全风化状态下花岗闪长岩。孔隙潜水以及基岩裂隙水分布较广，下穿段埋深不深，难以通过。

3.2复杂段设计

按照该隧道进口部分的实际地质条件以及该部分地形，根据开挖边仰坡所具有的稳定性以及洞口对排水的需求，设计人员应按照早进晚出的原则确认隧道进口所在位置，同时使用科学的隧道洞门形式。隧道进口处应使用斜切式洞门，与长为55m的下穿公路段相接。明洞段长度为75m，同时在DK5+300至DK5+310部分安设管棚工作井，并通过该工作井达到向小里程以及大里程施工方向施工的目的。上述内容的设计都可利用BIM技术进行设计。不仅如此，设计人员往往在三维设计时运用BIM技术建立开挖模型，该模型的建立实质是对土方进行计算。故而，工作人员可直接利用BIM模型计算土方量。

设计人员在传统设计环节中，对施工的模拟都是运用绘制施工工序图这一方式进行。该方式针对较为简单的结构，可以满足设计以及施工需求，能够清晰表达设计人员的意图，也可达到预期设计目的。但如果隧道工程项目施工区域的结构较为复杂，设计需涉及的内容增多，含有基坑、维护结构、导向墙等工作。若设计人员依旧使用绘制施工序图这一方式，往往无法将设计意图准确传达至施工人员，导致施工进度受到影响，施工质量也难以保证。

就该项目而言，施工人员可使用BIM技术进行设计，利用动态施工模型以及模型自动剖分两项功能制作施工工序图。通过BIM技术制成的图纸能够更为清晰地显示出构件在施工过程中所处时间以及空间状态，从而便于施工人员理解。不仅如此，施工人员还可通过漫游BIM模型，对工程各个构建有更为清晰地了解，并根据实际情况对其进行调节。图1为该工程的施工模拟动画截屏。

图1　某工程施工动画截屏

3.3BIM隧道结构模型计算

隧道中有许多暗埋段以及敞开段，设计人员可利用BIM建立模型所用的软件，如Revit，利用其楼板、圆柱体以及墙体等建立该隧道的整体物理结构模型。除了建立三维立体物理模型之外，BIM技术还可帮助设计人员建立结构分析模型，设计人员利用RevitStructure可以将建立构件边界条件、梁体分析模型以及柱体分析模型等，含有上述数据信息的模型便是结构分析模型。事实上，RevitStructure软件本身并不具备结构分析的功能，需要设计人员结合Robot实现结构分析。

结构分析模型是Revit软件传输数据的主要载体，Revit不仅建立了实体模型，同时也会建立同实体模型完全一致的结构分析模型，利用一定可见性设置，施工人员便能够对分析模型进行检测以及完善。从而便于检测人员隧道工程的位置等进行确认。

BIM技术不仅可以建立模型及分析模型，还可以对所建立的模型进行计算。隧道结构计算模型多种多样，其中应用较为广泛的两种模型为地基反力模型和弹性地基模型。

地基反力模型认为，结构自身重量以及外部向结构施加竖向荷载相加，同时对地基表面单位面积之上的基底形成基底压力，该压力同地基土施加于底板底面的地基反力形成了作用力与反作用力的关系。

弹性地基模型认为，因为底板放置于地基之上，使底板上的作用存在荷载。结构底板由于受到荷载的作用，会同地基土层同时产生形成变形，底板底同地基土层形成的相互作用的反力，反力的大小同土层变形值有一定关系。设计人员利用该模型进行计算，避免了大量计算，且由于概念清晰不会出现失误。设计人员可使用该模型对部分软土地区的结构进行计算。

4.结束语

通过实际应用可以发现，设计人员在三维设计工作中应用BIM技术进行设计，能为设计人员的工作提供较多便利，而且使设计人员的设计质量也有了较大提升，图纸更为准确，从而提升了企业施工水平，保证了隧道施工质量。

［1］李俊松，董凤翔，叶明珠.基于达索平台的铁路隧道工程全生命周期BIM技术应用探讨［J］.铁路技术创新，2014，02：53-56.

［2］李君君，李俊松，王海彦.基于BIM理念的铁路隧道三维设计技术研究［J］.现代隧道技术，2016，01：6-10+51.

［3］马婷婷，吴林，李丽.石鼓山隧道附属洞室BIM三维建模设计应用［J］.铁路技术创新，2014，05：59-63.

［4］沈亮峰.基于BIM技术的三维管线综合设计在地铁车站中的应用［J］.工业建筑，2013，06：163-166+159.