基于Autodesk平台的山区隧道BIM应用研究

许利彤, 亓祥成, 崔言继, 鲁 凯, 陈小玮

(中建八局第一建设有限公司， 山东 济南 250100)

0 引言

2017年9月初，为贯彻实施《交通运输信息化“十三五”发展规划》，发挥现代信息技术在工程管理中的作用，国家交通运输部决定开展公路BIM技术应用示范工程建设，以提高公路建设管理水平[1]。目前，房建工程BIM技术已走向成熟，国家相关部门已制定相应国家标准进行指导、实施。但是基础设施工程，如桥梁、隧道等的BIM技术应用还未有相应标准引导，未得到系统性应用，仍处于发展阶段。

BIM即Building Information Modeling，是设施的物理和功能特征的数字化表达，因此是设施的共享信息资源，并且为全生命周期决策提供可靠的基础。它是一种理念，而各种软件是实现这种理念的工具。目前，市场上存在三大主流BIM软件运营商，即A(Autodesk)平台、B(Bentley)平台、D(Dassault)平台。各大平台均有自己成套的BIM解决方案，由概念设计、模型制作、效果展示、设计出图等阶段构成，同时，各大平台也在差异化探索、个性化实施。

随着工程信息化发展，越来越多的隧道工程开始在设计、施工、运维阶段使用BIM技术，在三维建模、碰撞检查、4D模拟、工程量核算等问题上进行深入探索[2-5]。李君君等[6]基于Dassault平台将BIM技术应用于铁路隧道设计阶段，实现由粗放向精细转型。吴继峰等[7]针对Bentley平台在隧道领域设计阶段的主要应用流程和功能点进行了探索。王潇潇等[8]以铁路矿山法为参考，基于Autodesk平台对一些BIM常规应用进行了深入探索。同时，在隧道管理平台的研发过程[9-11]中，储伟伟等[12]从简单实用的角度出发，将BIM模型引入到隧道运维的日常工作中，提供了直观可视化的工作界面，提高了运维工作效率。黄廷等[13]建立了隧道BIM实施规划及公路隧道BIM设备编码规则，并在此基础上构建了基于BIM的公路隧道运维系统。戴林发宝[14]从目前的形势和行业发展趋势分析，提出BIM将是工程建设行业实现工业化和信息化最重要的力量。

综上所述，模型命名规则存在实用性问题，应以模型各方共享为前提，突出命名的可读性、准确性；建模效率、精细度和技术深度有待提高；大多数平台停留在模型可视化阶段，导入模型未能深度开发各部位构件与质量、技术、安全、设计等的问题；平台端口形式(PC端、Android端、IOS端、网页端)较少。本文以邹平县广富隧道为工程实例，以欧特克软件公司的A平台为基础，针对以上问题进一步研究山区隧道BIM技术的深入应用，以期为后续隧道施工提供应用经验。

1 项目介绍

广富隧道工程位于山东省滨州市邹平县青阳镇，它的建成将大大缩短运输距离,造福当地人民。本工程为二级公路工程，设计车速为40 km/h，包含2座单洞对向行驶隧道，共计905 m。其中包含广富1号隧道(K0+345～+970，中隧道)、广富2号隧道(K1+910～K2+190，短隧道)。广富隧道如图1和图2所示。

图1广富1号隧道

Fig. 1 Guangfu No. 1 Tunnel

图2 广富2号隧道

2 BIM技术主要应用点剖析

2.1 BIM应用组织体系

参考房建工程建筑信息模型国家标准和行业标准，结合隧道施工特点，制定本项目隧道建模标准及BIM应用实施方案，为项目施工引领方向。明确建立如图3所示BIM技术应用组织体系，合理划分BIM团队人员职责分工，大大提高各岗位人员工作效率。

图3 BIM技术应用组织体系

2.2 模型建立

根据设计院提供的隧道设计图纸进行模型精确建立。值得注意的是，合理划分构件命名规则，是BIM模型搭建的重中之重，也为后期BIM扩展应用，如合模、4D进度模拟、3Dmax动画制作等奠定基础。本项目根据隧道施工特点，以施工工序为依据，将各施工构件按施工单元划分，然后将其命名，达到命名精确、细分合理的原则。最终确定以“围岩等级+项目+构件名称+构件参数(包括标号、公称直径等特征规格、型号参数)”进行命名。隧道模型部分构件命名见表1。

表1 隧道模型部分构件命名

建模软件采用Civil 3D+Revit+Dynamo参数化建模。Revit针对房建这种规则构件应用较多，应用效果较好，但是，对于基础设施这种线性工程来说，路线中心线存在平曲线、纵曲线、横坡和超高的情况，Revit无法完成基于抛物线的建模。因此，采用专门针对基础设施开发的Civil 3D软件进行建模，该软件准确考虑路线平、纵，能够绘制精确的三维道路中心线。本项目平、纵断面均包含缓和曲线，所导出三维曲线的精度决定后续模型精度，在Civil 3D中，通过软件自带功能进行逐桩坐标导出，形成Excel文件并包含坐标信息。需要指出的是，对于三维空间曲线需要提前进行桩号加密，设置其间隔单位为0.5 m甚至更小，以直代曲，满足计算精度要求。通过Dynamo将坐标参数导入Revit建模环境中，加密段采用NurbsCurve数据库节点进行线路拟合(见图4)，最终形成隧道三维中心线。

隧道内各部件参数化构件族的制作以设计图纸为依据(见图5)，利用Revit软件自带功能即可实现参数化族的定义，添加构件族各种参数控制信息。绘制完成后，采用中建八局BIM族库平台(见图6)将参数化族共享至云端，其他BIM工程师可进行下载，从而减少文件传递时间，提高工作效率。

图4 线路拟合

图5 隧道构件分解

(a)

(b)

中心线及参数化族确定好以后，通过Dynamo驱动参数进行修改；然后，利用Dynamo将设置好的参数化族像搭积木一样进行模型拼接，最终实现隧道模型的建立如图7所示。此方法大大提高了模型搭建速度及准确性，建模流程体系如图8所示。

(a) 隧道整体模型

(b) 各级围岩隧道样板段模型

图8 建模流程体系

2.3 BIM施工方案与技术交底

传统施工方案与技术交底编制是文字与二维Cad图组合编制。考虑到分包班组人员大部分为大龄技术工人，认知能力相比项目管理人员较差；更严重的是，部分工人不识字，看不懂Cad图，这将导致工人干活效率大大降低，现场进度跟不上。

通过管棚三维技术交底与BIM结合(见图9)能真实再现施工过程，将每个施工细节展现出来，从而提高工人的工作效率，使工程施工变得更加简单，能有效地将施工技术通过三维模型传递给现场技术工人。其次，能保证施工质量，有了工程施工BIM三维模型的帮助，能确保施工计划有序执行，避免一些危险事故的发生。

图9 管棚施工三维技术

2.4 BIM深化设计

采用Dynamo参数化驱动Revit建立样板段钢筋模型，检验各部位钢筋，如二次衬砌、电缆槽、仰拱、检查井等部位钢筋在空间内的安置协调关系，校核钢筋相对位置，细部节点出具钢筋深化节点图；同时，钢筋模型与结构模型(包括钢拱架、锚杆等)进行整合，及时发现空间位置协调关系。Dynamo参数化驱动与钢筋节点深化模型如图10所示。

(a)

(b)

Fig. 10 Dynamo parameterized drive and reinforcement node deepening model

Dynamo是欧特克公司基于可视化的一款编程软件，结合Revit可进行复杂结构创建，Dynamo除自带节点外，可进行专用软件包下载，满足个性需求。此次钢筋建模，采用如图11所示Rebar节点包2大核心节点Rebar.FollowingSurface、Rebar.ByCurve，通过软件内置节点共同作用，完成隧道钢筋建模。隧道钢筋建模流程如图12所示。

图11 核心节点展示

图12 隧道钢筋建模流程

2.5 BIM商务管理

模型细度合规是商务精确出量的前提，本项目在模型建立之初就考虑到这个因素，将各构件详细划分，也保证了后续BIM应用的开展。

通过精确建立不同围岩等级状态的10 m样板段模型，内含隧道建造用材，可以在Revit中按分类形式创建明细表，得到最终耗材工程量(如图13所示)，可作为项目商务部门计量参考依据。同时，将模型工程量与商务统计实际耗材工程量对比(见表2)，进行原因分析，进一步降低误差百分比。各级围岩产生误差的主要原因如下：

1)对相关规范理解不够深入，忽略部分结构构造要求，例如图纸中钢筋搭接长度未按规范要求进行建模；

2)由于施工队伍不同，实际操作水平也有所不同，导致钢筋加工、运输、安置等操作存在一定偏差。

所产生钢筋废料可进行二次利用，如制作马镫筋、模板加固筋、锁脚锚杆U型联接锁等辅助钢筋。

图13 Ⅴ级加强围岩10 m样板段钢筋明细表

Fig. 13 Grade V reinforcement of 10 m model section of surrounding rock

表2模型工程量与实际工程量比较(10m样板段)

Table 2 Comparison between model engineering quantity and actual engineering quantity

围岩等级围岩类型10 m钢筋工程量/kg模型实际误差/%Ⅲ级一般2 017.402 069.132.5Ⅳ级一般16 754.7417 308.623.2Ⅳ级加强16 354.7816 983.163.7Ⅴ级一般21 136.9322 063.604.2Ⅴ级加强22 938.1123 968.774.3

3 BIM+信息化协同管理平台

3.1 平台架构

目前，网络信息化协同平台众多，基于BIM技术的信息化平台存在弄虚作假现象，单纯上传模型到云端，以浏览为主。这类平台是将模型云端浏览与OA协同办公组在一起，而不是进行融入。真正的BIM协同平台是BIM构件信息与大数据信息交互，使BIM模型脱离信息孤岛，实现数据云端交互、共享，各方协同工作，这正是BIM理念的需求。对此，项目采用中建八局BIM协同平台进行项目信息化管理，平台架构如图14所示。

图14 平台架构

3.2 平台主要亮点

本平台主要以施工单位现场实际需求为基准，融合业主单位、监理单位、设计单位、各专业分包单位，共同进行云端数据共享使用。

本项目将前期建立好的精细化模型上传到云端，将模型轻量化展示，使现场管理人员或者施工人员登录该平台就能查看。这符合公司提倡的“质量样板”做法，将实体样板虚拟化，更为轻便、快捷。同时，以基于Autodesk平台所建立的精细模型各构件为信息源，将BIM模型构件与质量、安全、设计、联系单等专项内容直接挂钩，真正实现模型与现场联动，提高各方工作效率。基于信息源的问题创建如图15所示。

图15 基于信息源的问题创建

平台在接口方面具有多样性，目前与720云、设备监控完美交互，且在设备监控方面，平台支持监控点反向定位(见图16)，根据所选监控点快速定位到模型中，实时查看监控位置，便于指挥、调度。与Navisworks软件功能相仿，具备云端剖切、测量、第三人称碰撞、重力式漫游功能，可以不通过软件直接进行线上操作，方便快捷。平台云端漫游如图17所示。

平台PC端、网页端及手机端(Android、IOS)三端齐全，功能强大；平台所有内容均在三端显示(见图18)，数据保持动态同步；在BIM协同管理平台上，各模型均携带软件建模完整信息。项目部管理人员可随时通过手机端登录账号查询各施工段的构件信息，如工程量、施工状态、里程桩号等；同时，以各构件为基础，创建质量、安全、设计、联系单等问题，下发各分包队伍，实现施工问题整改良性循环，及时闭合。

考虑到联系单、物料单、整改通知单等的格式模板不统一，来回上传、下载费时，本平台化繁为简，实现基于云端的表单自定义模板，根据提供基础字段、增强字段、成员字段、布局控件4大核心内容，以拖拽形式完成表单可视化设计；同时，考虑到部分流程的临时性，也可以进行自定义流程设置，操作界面基于Visio视口，以各流程图框为审批节点，赋予各节点审批人、抄送人、审批设置、审批意见等内容，实现工作流程的灵活性、可操作性。云端表单模板和工作流程的自定义如图19所示。

(a) 监控画面

(b) 反向定位模型

图17 云端漫游

基于模型质量、安全、设计等问题创建流程的步骤简单；同时，施工管理人员根据施工单位反馈意见进行全方位考虑，确定以质量问题、质量描述、质量问题图片、发送人、参与人、截止日期、关联模型、附件为基准，直接发起线上问题整改，施工人员手机App端实时接收整改信息，查看相关整改内容，最后进行反馈。手机App端整改反馈如图20所示。

(a) PC端

(b) 网页端

(c) 手机App端

图18平台三端展示

Fig. 18 Three port display of platform

(a) 图钉法式

(b) Visio视口式

图19云端表单模板和工作流程的自定义

Fig. 19 Form templates and workflow customization

相关管理人员也可在网页端进行操作。本平台支持模型一键更新，在模型中，漫游到里程准确位置，建立相应桩号导向板参数化族，并及时更新同步到云端模型，方便管理人员快速定位。通过现场人员发起的质量、安全等问题，直接选择关联模型，进入模型视口，所提问题将逆向精确定位在隧道内，提供具体里程桩号位置、围岩信息等内容，为管理人员提供可视化解决方案。网页端问题定位如图21所示。

最后，隧道中同时出现的质量、安全等问题，还可以通过问题图钉方式展示在三维模型空间中，不同部门人员可相互查看问题处理情况，提高部门联动效率。问题图钉展示如图22所示。

(a) 问题发起

(b) 问题定位模型追踪展示

图22 问题图钉展示

4 结论与建议

本文以邹平县广富隧道工程为依托，基于Autodesk平台将BIM技术应用于项目施工建造阶段，对其进行深入探索得出以下结论。

1)本项目在前期建立隧道模型时，各级围岩段命名不规范，导致合模出现大量问题，BIM拓展应用停滞。所以，精准划分各模型构件命名规则，以此进行系统性建模，为后续BIM技术应用奠定基础。

2)考虑路线平纵影响，模型建立比较繁杂，采用A平台Civil 3D+Revit+Dynamo建模体系为主线，实现模型精确建立；创新性地采用云端BIM族库，一端分享，各端使用，方便、实用。再通过Dynamo可视化编程参数化驱动，实现模型一键生成，提高建模效率，节约大量时间。

3)以往BIM平台模型只是停留在模型浏览、查看构建属性阶段，未能真正做到与施工相结合，本项目采用基于模型的信息化协同平台，项目管理人员与各分包人员云端办公，隧道各部位参数信息清晰明了。尤其，可基于模型各部位构件即信息源创建安全、质量、设计等的整改通知单，在云端发送给各分包队伍进行整改，快捷、高效，真正能够使BIM管理协同平台落地。

但是，在进行Dynamo驱动逐桩坐标点生成三维空间曲线的操作时，用到曲线拟合就会出现精度偏差。理论上，通过加密桩号，间隔设置为0.1 m甚至更小，可以有效提高精度问题，但是会带来电脑计算量增加，这将对电脑配置有更高的要求；在问题定位方面，需进行模型更新操作，导致不能第一时间进行问题反馈，这将浪费一些时间。

通过对以上3大核心内容的研究，为后续隧道施工BIM技术在基础设施领域的应用提供了经验。后续可以深入研究利用不同软件的Dynamo模块交互生成三维空间曲线，研究成果还可以应用在道路、综合管廊等；同时，在BIM信息化协同管理平台上，可试图寻求基于网页端所创建的虚拟点第一时间发起问题的方法，更进一步优化资源配置，减少重复操作，给现场管理人员提供高效、便捷的服务平台。