基于Bentley平台的铁路隧道BIM技术应用研究

张 轩

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 基本概况

1.1 BIM概述

国际BIM联盟(Building SMART International)对BIM的定义是：建筑信息模型化(Building Information Modeling)、建筑信息模型(Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三个不同但相互联系的功能[1]。能够解决项目不同阶段、不同参与方、不同应用软件之间的信息结构化组织管理和信息交换共享，使得合适的人在合适的时候能及时得到合适的准确信息，这是行业赋予BIM的使命[2]。

相比于BIM技术应用逐渐成熟的建筑业，铁路行业的BIM技术应用还处于探索、发展阶段，而铁路工程相比于民建工程，体量更大、工艺更为复杂、专业更多，对BIM技术的需求也更加迫切[3-5]。随着铁路BIM联盟陆续推出《铁路工程信息模型交付标准》、《铁路工程信息模型表达标准》、《基于信息模型的铁路工程施工图设计文件编制办法》等标准与办法，BIM技术在铁路工程应用中的标准与规范也日臻完善，铁路工程信息模型在建设、传递和使用的过程中更加有据可依。今后的工程设计将逐步过渡到使用信息模型替代传统二维图纸，BIM技术在将来铁路工程中必将占据举足轻重的地位[6-8]。

1.2 软件平台

随着BIM技术的大力发展，对于不同的专业领域有不同的BIM软件平台进行支持如Autodesk、Bentley、Dassault，应根据项目自身的特点、多专业协同的便捷性、模型后期应用的效果选取合适的软件。本文中配合京张高铁BIM设计使用的软件平台是Bentley。Bentley平台下有针对建模的软件Microstation、针对线路地质专业的PowerCivil、针对建筑专业的AECOsim Building Designer、协同管理平台ProjectWise等，为不同专业提供了对应的专业软件。相较于其他BIM软件平台，Bentley有以下优点。

(1)铁路工程呈带状分布长度可达几十千米到上千千米[9]，模型规模远大于民建模型，Bentley模型储存于硬盘中，使用Bentley对硬件的要求更低，修改使用模型时效率更高。

(2)Bentley对于铁路线位三维曲线、隧道带状模型支持能力强。

(3)Bentley平台下软件生成文件格式统一为DGN，并且由ProjectWise协同管理平台，使各专业协同设计、二维三维设计交互的效率大大提高。

综合以上几点考虑，Bentley在铁路工程设计上具有明显的优势，符合铁路工程设计的特点[10]。因此在京张高铁项目中，使用Bentley平台进行BIM设计工作。

2 工程设计应用实例

2.1 工程概况

新建北京至张家口铁路位于北京西北、河北省北部，起自北京北站，西讫张家口南站，是举办2022年冬奥会、促进京津冀一体化的重要交通设施，也是为打造“智能铁路、精品工程”在铁路行业内首次开展全线、全专业、全生命周期BIM设计应用的线路。全线共10座隧道，其中八达岭隧道为全线最长隧道，全长12.01 km，八达岭长城站作为大型的高铁地下站，结合隧道设置，构成国内单拱跨度最大的暗挖隧道。作为“智能京张”的一步，应用BIM技术的意义重大。

2.2 三维建模

首先综合考虑设计、施工、运维等需要，对铁路工程各专业实体工程进行划分，形成适合信息化管理的合理单元[11]。京张高铁全线根据专业划分为55个单元，其中隧道专业包含10个单元。根据《铁路工程信息模型交付标准》中的要求，铁路工程信息模型应由模型单元组成，最小模型单元应由模型精度等级衡量。模型精度等级划分见表1。

表1 模型精度基本等级[6]

京张高铁隧道主要采用的是LOD3.0精度建立模型，其中部分重要工点采用的是LOD3.5精度模型。如图1所示，以隧道暗洞为例LOD3.0和LOD3.5在模型精度上的区别。

图1 LOD3.0和LOD3.5包含模型单元

模型建立过程具体如下。

(1)导入线路资料，通过PowerCivil在平面上设定基准点、长度、半径等参数，在纵断面上设定高程、长度、坡度等参数，建立正线与斜井三维曲线线位。如图2所示，以斜井为例建立三维曲线线位。

图2 斜井线位三维曲线模型

(2)根据铁路隧道时速、限界、净空等要求确定隧道断面参数，由于京张高铁BIM设计晚于二维设计开展，因此断面参数使用京张高铁二维设计中参考图的数据。依据地质围岩等级划分和LOD等级的模型单元要求，建立不同围岩等级的超前支护、初期支护、二次衬砌、管沟、仰拱填充等单元构件。盾构隧道部分构件如图3所示。

(3)根据地质情况在线路的三维曲线模型上敷设不同围岩等级的隧道单元构件，沿线路方向拉伸形成整条隧道模型。图4为拉伸后的一段隧道模型。

2.3 信息附加

BIM中的I(Information)可以说是BIM的灵魂，脱离了信息的三维模型不能称之为BIM模型[12-13]。模型的信息包含几何信息和非几何信息，几何信息如长度、面积、体积等可通过模型直观地表达出来，非几何信息如混凝土强度等级、环境等级、IFD编码等无法通过模型直观表达，需要将这些附加信息赋在模型上。

根据《铁路工程信息模型交付标准》中的要求，对于隧道模型的几何信息和非几何信息有明确的要求，表2为以超前支护为例的隧道模型基本信息。

图3 清华园盾构隧道部分构件模型

图4 八达岭隧道LOD3.5模型

表2 隧道模型超前支护基本信息[6]

其中IFD编码为针对构件不同空间位置、专业需求进行的编码，构件以被赋予的这一串编码作为自己的“身份标识”。其目的是为了使程序能够通过检索IFD编码，找到目标构件，使整套模型更易于使用、管理[14-15]。信息附加过程具体如下。

(1)BIM软件具有开放的数据接口，可通过使用二次开发工具为模型附加非几何信息[16]。如图5所示。

(2)将整体隧道模型按照不同衬砌断面分为更适合信息化管理的合理单元，以里程范围作为区分。使用二次开发软件将同一里程范围内的所有构件编为一组，形成以整体模型→不同断面里程模型→内部构件为架构的模型树系统，在管理、使用模型时可以迅速找到目标区段的目标构件，也可选取部分里程段或构件单独显示，如图6所示。

图5 附加非几何信息界面

图6 模型树区段选择界面

2.4 模型整合

在完成建模与信息附加之后，建立一个新的模型文件，将隧道范围内的各专业模型全部参考到新模型文件中进行整合，形成可以随时根据各专业文件更新的全专业全内容的隧道BIM模型，负责最后总装的专业同时在这一步骤对模型进行初步的检查。图7为祁家庄隧道总装文件及参考界面。

图7 总装文件及参考界面

3 BIM应用研究

3.1 碰撞检测

BIM三维可视化的优势使碰撞检测作为BIM最基本的应用为人们所熟知。通过碰撞检测，可以减少设计过程中的错误和引起变更的可能性，可以优化诸如中心管沟、侧沟等本专业模型的布置，或是对各专业间模型布置的勘误。从设计阶段到施工阶段全面减少了错误的发生，反向检验设计成果，优化了工程设计，提高了施工质量。如图8所示，八达岭车站三连拱段落水沟与衬砌结构发生冲突。

图8 水沟与衬砌结构冲突

3.2 正向设计

以隧道衬砌结构为例，通过建立衬砌内结构的约束关系，使隧道断面成为具有逻辑性、关联性的系统，根据测量资料、地质条件等因素确定参数，通过调整参数使隧道结构能根据自身的逻辑性和关联性自动调整为所需断面，使隧道模型成为参数化模型。加强二次开发，通过软件录入隧道初支等结构逻辑关系、布置原则等设计依据，实现根据不同参数自动生成对应模型，提高设计效率。

3.3 协同合作

基于ProjectWise平台进行了针对铁路项目的优化，规范了各专业文件提交的名称、格式，根据铁路项目情况创建项目，进行工区划分并配置各工区专业，通过实际使用，建立了符合铁路项目特点的ProjectWise平台使用规则，为各专业高效协同合作创造了条件。在线路专业确定好线位并生成三维曲线之后，其他各专业以此为基础在ProjectWise平台上开展各专业的设计，各个专业可以共享模型，从而避免了重复建模[17]。实时更新的各专业进度，使各专业间接口变得更加方便容易，如隧道专业可以直接参考部分已完成地质设计文件进行隧道设计，设备专业可以直接在已建立好的辅助洞室模型上进行设计。加强二次开发，使隧道在设计时能直接参考地质设计文件的围岩参数实现动态调整断面，可以大幅优化设计流程。

3.4 存在问题及解决对策

(1)目前基于Bentley平台的BIM技术，在隧道专业的应用模式主要以作为二维设计图纸的辅助参考模型为主，并未达到直接使用三维模型进行设计施工的地步，所以现在大多数设计单位的研究方向是如何使用BIM模型直接成图进而简化设计流程。以隧道纵断面为例，Bentley平台的软件通过线或面剖切、投影手段建立纵断面图[18]，但当平面线位为曲线时，无法通过自带剖切工具沿曲线形成隧道纵断面[19]。即使成功将模型沿隧道中线剖切，也无法选定一个视角将曲线隧道拉直形成纵断面。目前只能通过二次开发解决这一问题，同时在成图过程中还需要根据二维图纸的成图模式和规则进行调整，效率上并不一定优于二维出图。从长远来看，加强对BIM模型表达信息的要求、制定相应的规范，再配合模型树等辅助工具的使用，BIM模型是能够替代二维图纸应用到施工和运维上的，从而省略了使用BIM模型生成二维图纸的步骤。

(2)工程量的计算也是BIM模型应用中重要一环，但现在使用BIM软件在计算隧道专业工程量还面临许多问题。首先，目前通过Bentley平台下的软件能直接提取出的隧道工程量极其有限，并且其中还有部分软件不自带算量工具，需要加大二次开发的投入，使用二次开发软件协助出量。其次，在不同的设计阶段建立的模型精度不同，如图1所示，初步设计阶段采用LOD3.0精度，防排水构件是不需要建立的，但是在算量的时候需要包含防排水构件的数量。针对这种情况，需要根据衬砌长度等参数结合单量计算出所需数量，对二次开发有了更高的要求。最后，在京张高铁隧道建模过程中，使用的部分二次开发软件并不能满足工程量准确度的要求，以二次衬砌钢筋为例，拱脚处的钢筋在不同的断面下会出现间距不均匀布置的情况，而使用软件布筋一般为等间距或固定数量两种布置方法布置钢筋，无法直接实现设计意图，通过这种方法计算的工程量与实际有所偏差。通过与专业从事Bentley平台软件二次开发公司沟通了解到，目前Bentley软件二次开发还很少涉及铁路隧道领域，也未按照铁路工程的特点进行，他们也希望多了解铁路行业的需求，开发出能适用于铁路行业的软件。在今后的二次开发过程中，设计单位应多与Bentley公司和二次开发公司交流沟通，开发出具有铁路行业特点、符合需求的一套成熟系统及相关配套软件。

(3)设计过程中，随着设计阶段的不断深入，需求的精度也不断提高，需要在上阶段模型基础上进行修改、补充，以满足新阶段的精度要求。但以二次衬砌为例，在低精度的要求下二次衬砌只需要建立一个模型就能进行表达，在高精度的要求下，则要分为拱墙、仰拱两部分。这就导致了上一阶段的模型资料无法继承使用，只能重新建模来满足新设计阶段的需要，增加了工作量。现在的模型交付标准对于精度的要求也随着在BIM项目中的应用得以验证，也会根据各个设计单位的意见进行调整，最后形成更加合理、实用的标准。设计单位在设计的过程中，也应结合具体情况进行分析，可在上一阶段以稍高于标准的要求完成模型的建立，为下阶段打下基础。

(4)BIM的特点之一就是贯通项目的设计、施工、运维全阶段。但设计、施工、运维这三阶段的主体分别是设计院、施工单位、运营单位，他们在各自阶段对BIM模型的应用需求和侧重点各不相同。设计院侧重于使用BIM技术生成带有信息的三维可视化模型，施工单位侧重于模拟施工工法、策划实施方案，运营单位侧重于实现对工程的智能化管理。这就导致在一阶段完成后模型提交给下一阶段需要再进行修改与补充，另一方面现在对于BIM平台的使用没有明确要求和规定，不同的设计单位、施工单位、运营单位可能都有各自擅长的软件平台，使用上一阶段的模型可能比重新构建模型还要繁琐。综上所述，在项目初期应确定统一的BIM平台，并且三方单位应加强沟通，在每阶段建模的时候都能留下接口，形成多阶段、多专业一体化大型BIM平台，提高全生命周期BIM技术应用效率。

3.5 未来展望

随着计算机、互联网大数据、测绘、GIS、遥感、虚拟现实等先进技术不断发展，与BIM技术结合使用的铁路数字化选线、虚拟现实实景生成等相关研究也取得了一定成果[20]，BIM技术在铁路行业中的重要性日益提高。在铁路主管部门的大力推动和支持下，以打造京张高铁“智能铁路”为契机，BIM技术的使用势必要覆盖全部铁路路网。BIM技术也会逐渐成为铁路设计的必备技术，越早掌握BIM技术便能越早适应即将到来的铁路设计技术革命。

4 结语

通过在京张高铁全线、全专业、全生命周期BIM技术应用，依托Bentley平台进行全线隧道的BIM设计，对铁路BIM联盟提出的各项标准进行验证并反馈问题与建议。结合此次BIM设计过程，研究了BIM技术在铁路隧道设计中碰撞检测、正向设计、协同合作等应用和在使用BIM技术出图、计算工程量、全生命周期使用等方面遇到的问题及解决方向。本次BIM应用研究为之后解决BIM技术替代传统二维设计而进行的二次开发提供了研发方向，为完善铁路隧道相关BIM标准提供了实际案例，为建立更符合铁路行业的多专业协同合作平台提供了依据，为铁路BIM设计积累了宝贵经验，为以后铁路隧道设计中BIM技术应用与推广打下良好的基础。