BIM技术在高速铁路隧道设计中的应用

■ 王浩

BIM技术在高速铁路隧道设计中的应用

■ 王浩

BIM技术强调对工程全生命周期的管理，可以有效提高设计效率、控制施工质量和工期，同时可节约成本、方便运营维护。铁道第三勘察设计院集团有限公司隧道专业先后参加了京沈客专、阳大铁路、济青高铁工程，在BIM技术应用方面取得了一定的突破和进展。以京沈客专李家梁隧道为例，阐述BIM技术在铁路设计中取得的成果及存在的问题。对铁路工程设计阶段较为关心的协同设计、参数化设计、工程量计算等问题进行探索性研究。

BIM；高速铁路；隧道；协同设计；模板化；参数化；工程量

近年来，我国高速铁路建设事业不断推进发展。随着项目的不断进行和开展，采用新技术以提高工程建设的质量、缩短过程建设周期、控制投资成本的需求日益增加，而BIM技术在建筑行业的成功应用给铁路行业很好的启发。与传统铁路设计相比，采用BIM技术进行铁路设计在信息共享、设计协同、进度控制等方面具有一定优势。目前BIM设计在规范标准制定和设计软件定制等方面仍处于起步阶段。为了探索BIM技术在铁路行业的应用之路，中国铁路总公司选定几个试验段进行BIM技术的尝试。

1 前期调研与技术准备

1.1 制定信息编码

由于BIM技术强调对工程项目的全生命周期管理，因此要求模型信息在设计、施工、运维阶段能够顺利地传递。而且BIM技术强调设计过程中各专业间的协同设计，要求模型信息在同一阶段不同的设计者之间顺利地传递，因此制定统一的信息标准就成为BIM技术发展的重要步骤。

BIM数据标准和实施标准包含以下要点［1］：

（1）是不同软件之间可以自动进行信息交换的数据标准。

（2）是所有软件都支持的中间文件，软件之间的信息交换通过该中间文件来实现。

（3）该数据标准应具有两大特征：公开的标准（支持所有软件）；结构化的标准（支持自动交换）。

（4）该数据标准由数据存储标准、信息传递标准、信息语义标准3部分组成（见图1）。数据存储标准解决格式兼容的问题，信息传递标准解决有序沟通的问题，信息语义标准解决语义统一的问题。

图1 数据标准的组成

1.2 确定软件平台

由于BIM技术并非起源于铁路行业，因此现在所能够购买到的BIM设计类软件全部都无法完全适应铁路行业的应用。由于铁路行业本身具有工程体量大、呈带状分布、设计结构众多、专业间上下序复杂等特点，对BIM软件的要求较高［2］。首先需要软件平台具有较好的开放性，拥有较强的用户定制以及自主开发能力，并且能够允许不同专业间的多专业协同设计；其次，由于铁路工程体量较大，需要软件平台对于大数据的处理能力较强。

2 建立实体模型

2.1 隧道骨架线

建模采用骨架建模思路，即在项目开始阶段首先确定工程骨架线，然后以骨架线为基础搭建实体模型。由于铁路工程的带状特征，选取线路左线作为骨架线较为合理。

线路左线根据各专业间缺口里程，划分一级骨架线，各专业再将一级骨架线根据内部需要划分为二级或三级骨架线用来定位实体模型。隧道专业骨架线结构树见图2。

图2 隧道专业骨架线结构树

2.2 参数化工程模板

为了减少重复建模的工作量，需要将已经建立好的模型制作为工程模板，即通过建立带有逻辑关系的模板将一类模型归纳，并通过不同的实例化输入条件和参数适应不同的边界条件。虽然建立模板的过程会消耗部分时间，但是在日后模板的重复使用过程中可以节约许多工作量。

由于隧道工程中不同的围岩条件会对应不同的设计参数，如初支、二衬厚度、钢筋直径等。相同的支护形式，不同的设计参数显然应该被包含在同一模板当中以减少模板建立的工作量。因此参数化就成为工程模板建立过程的重要步骤，而在同一模板当中控制不同设计参数的方法就是参数化设计。

图3 隧道钢筋模型及设计参数

如图3所示，钢筋设计中常用的设计参数都已经在结构树上罗列，可供设计者直接选取修改。

参数化设计中的参数可以分为两类：一类为本构件设计者直接设计的参数，如图3中内外侧保护层厚度以及各类型钢筋的直径及间距［3］；第二类为非本构件直接设计参数，如图3中的二衬厚度和仰供厚度，属于其他构件的设计参数，需要在本构件当中引用。此类参数设计者无需修改将会自动参照等于指向构件的设计参数，如二衬厚度会直接与二衬构件当中设计者设定的厚度参数相等。隧道专业目前所有模板遵循数据同源准则，即不同模板内的同一参数来源相同且只需要输入一次，在提高效率的基础上也保证了数据的准确，不会造成二衬构件中的二衬厚度与钢筋构建中的二衬厚度不相等的情况。

3 专业间协同设计与专业内协同设计

3.1 专业间协同设计

铁路工程设计是一个涉及多专业的复杂设计过程，在设计中各个专业之间需要进行频繁的资料交流和共享，因此一个合理的专业间设计协同流程就显得尤为重要［4］。

目前铁道第三勘察设计院集团有限公司采用的方式是：将需要进行交流的资料发布在专业间节点以实现资料的共享。通过发布的命令可以有效地将专业内的修改以及与其他专业的沟通很好地分割开来，不会出现专业内很小的修改都会影响到整个铁路工程的所有专业，只有在修改完成后更新发布，才会对其他专业产生影响。专业间节点见图4。

图4 专业间节点

目前该模式仍然具有一定的局限性。虽然各专业都将所需共享的资料发布，但是并未区分究竟提给哪个专业，各专业只是将自己需要发布的内容用平铺形式发布在专业间节点本专业的小节点下。其他专业在需要使用的时候就在相对应的节点下寻找。各专业更新自己的发布对其他专业并没有实时通知，需要大量的口头交流。另外，专业内部的修改会引起整个工程或其他专业怎样的变化，会不会导致下序专业的模型无法更新等问题，由于经验不足尚未完全得到解决。

3.2 专业内协同设计

铁路工程专业内部设计并不是由同一人完成，因此需要设计流程满足多人同时设计的要求。

专业内协同通过用户角色确定，由负责人将任务分配给各设计者，各设计者可以任意打开浏览所有节点，但只能对自己负责的节点进行修改和保存。

由于目前尚未建立一个可以包含所有专业数据的数据库，因此隧道专业独自编制了一个可以包含隧道设计所需要绝大多数参数的Excel表格。所有的设计参数按要求的格式在表格中选择或填写，各模板或模型所需数据全部来自该设计表格，有效地做到了数据同源。

但是采用Excel表格模式具有较大的缺陷，首先，Excel与数据库相比，在处理大数据方面差距较大。当数据量庞大时Excel难以进行高效管理，只能依靠设计者的经验进行管理。其次，Excel表格在设计时更加容易出错，如设计者在使用过程中误修改或删除某些不应该由设计者修改的单元格，将造成数据链接的错误。

4 BIM技术对设计工作的作用

从设计角度来看，BIM技术对于设计工作的提高主要表现在两个方面，一是提高设计效率，二是提升设计质量。

目前，BIM设计的效率相比传统二维设计还有较大差距，但是可以预见通过模板库的不断完善，设计流程的不断优化，BIM设计的设计效率也会逐步提高。从提升设计质量来讲，目前对于专业最大的进步在于，隧道洞门处边仰坡刷坡与地形的相互关系同传统的二维设计相比，更加准确。对于隧道洞门位置的选取以及洞门排水系统的设计有较大的借鉴意义。

图5 京沈客专李家梁隧道洞口防截水天沟原设计

如图5所示，由于在传统二维设计中，洞口边仰坡刷坡边界是由设计者根据经验估计得出，往往与实际相差较大，特别是在坡率较陡的位置。图中所示刷坡为采用BIM设计的刷坡情况，截水天沟为二维设计中的天沟位置，很明显可以看出在红色虚线部位两者发生了干涉碰撞。

BIM设计方法在洞门位置选择方面也可以提供比二维设计更加方便准确的设计思路。如图6所示，图（a）为阳大铁路南岭隧道进口洞门二维设计原始位置，图（b）、图（c）分别为洞门位置向外移5 m、10 m两种情况。通过将洞门刷坡做成模板的方式可以一次性快速将某一位置的刷坡显示出来。之后通过参数的调整使刷坡沿线路前后移动，并显示对应的刷坡情况。可以清晰地看到不同洞口位置所对应的刷坡情况，有效指导洞门位置的选择。

图6 阳大铁路南岭隧道进口洞门位置比选

5 存在的问题

虽然在京沈客专李家梁隧道中应用BIM技术，较好地依靠骨架建模及模板化提高了设计效率，并拥有了一套较为可行的协同设计流程。但是由于铁路行业BIM应用时间较短，目前仍存在许多不足之处。

（1）模板库的建立尚不完善。铁路行业的模板库从京沈客专试验段开始建立，而模板库的建立是一个从无到有、从多到少的漫长过程。不同运行时速、不同支护方式的相互交叉会造成模板库中待建模板的工作量非常巨大。解决这一问题的方式除了依靠时间积累外，还需要提高模板的适用性，使一个模板可以适应更多条件，从而大幅减少模板建立的工作量。

除了模板类型严重不足外，已经建立的模板在参数化程度上也存在不断完善的空间。目前为设计者开放的设计参数仅仅是最基本的设计参数，仅能够满足一般的设计状况，一旦出现特殊状况需要特殊设计时，现有模板就会因为自身局限性无法使用，只能够通过手动修改模型的方式来完成，大大降低了设计效率。

图7 工程量计算输出表格

（2）工程量的自动计算仍无法达到工程要求。工程量的计算是设计过程的重要环节，及时计算出工程量是有效控制工程成本的有效方式，也是设计变更的重要依据。京沈客专试验段探索了工程量的自动计算方法，但是由于编码尚不完善，仅对部分构件进行了试验。结果输出的工程量虽然较为准确，但是输出格式不符合工程要求，为平铺式罗列（见图7）。系统自动将所有构件依次罗列在表格第一列，无论是否需要计算其工程量，并且各构件间没有从属及逻辑关系，与实际应用的工程量表格（见图8）有较大差距。两者之间如何结合仍然是需要解决的问题。

图8 实际应用的工程量表格

6 结束语

以京沈客专李家梁隧道为案例，阐述目前BIM技术在铁路行业应用取得的成果以及存在的问题。对铁路工程设计阶段较为关心的协同设计、参数化设计、工程量计算等问题进行探讨并提出未来研究方向。在短期内，BIM技术急需解决的问题应该是提高工作效率及工作质量，只有让使用BIM技术的人员意识到BIM技术带给自己的提高和便利，才会使更多的人主动学习并使用BIM技术，才能够将BIM技术深入推广开来。

［1］ 何关培. 实现BIM价值的三大支柱——IFC/IDM/IFD［J］.土木建筑工程信息技术， 2011（3）：108-116.

［2］ 石耀勇，兰婷. 浅析BIM技术在铁路建设中的应用［J］.铁路工程造价管理，2014（5）：65-67.

［3］ 李丽，马婷婷，袁竹. BIM技术在铁路隧道设计中的应用［J］. 铁路技术创新，2014（5）：45-48.

［4］ 刘延宏. EBS在铁路工程建设管理中的应用探讨［J］.中国铁路，2015（7）：62-65.

王浩：铁道第三勘察设计院集团有限公司，助理工程师，天津，300251

责任编辑 卢敏

U452；TP319

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1672-061X（2016）03-0075-05