建筑信息模型(BIM)技术在隧道工程中应用现状与分析

李晓军，田吟雪，陈树汪，王安民

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

建筑信息模型(BIM)技术已在土木工程多个领域得到广泛应用，根据美国国家建筑信息模型标准项目委员会对BIM的定义，BIM是指设施的物理和功能特性的数字化表述[1]。从本质上讲，BIM是一个包含工程项目设计、施工、运营、管理和维护阶段的全寿命共享数据库，能够有效地提高项目进度和效率，控制项目成本，降低项目风险[2]。2012年以来，我国住房与城乡建设部先后发布《关于印发2012年工程建设标准规范制定修订计划的通知》、《关于推进BIM技术在建筑领域应用的指导意见》等文件，明确我国BIM发展的目标，促进建筑工程领域发布一系列BIM标准[3-7]。2017年，交通运输部提出《推进智慧交通发展行动计划》，推动BIM技术在重大交通基础设施项目全寿命周期的应用。截至2018年底，全国共发布40多项BIM相关政策及标准，旨在加速推进BIM技术在土木工程各个领域的应用。

由于隧道工程具有带状分布、与地质条件密切相关等特征[8]，BIM技术在隧道工程中的应用与建筑工程相比还有一定的差距。为了加强BIM技术在隧道工程中的适用性，进一步落实隧道工程信息化管理，从BIM标准、信息建模技术、全寿命周期应用等方面，对BIM技术在隧道工程中的应用现状进行综述与分析，旨在找出BIM技术应用于隧道工程的瓶颈问题，提出建议供同行参考。

1 BIM标准现状与分析

1.1 国内外BIM标准现状

1.1.1 国外BIM标准

隧道工程数据标准是数字化和信息化的基础[9]，包括工程数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式和元数据等标准形式[10]，有助于隧道工程数字化工作高效有序开展[11]。国际数据互用联盟(IAI)1995年提出的IFC数据标准[12]和国际地理信息开放联盟(OGC)2002年制订的数据标准CityGML[13]包含的隧道信息极少，美国设备、基础设施与环境空间数据标准(SDSFIE)[14]和美国环境系统研究所公司(ESRI)制订的交通数据标准中包含了隧道，但仅是对隧道外形轮廓的描述[15]。美国2007年发布国家BIM标准[1]，现已更新至第3版，已成为欧洲、北美、韩国及多个英联邦国家制定BIM标准的基础[16]。英国、挪威、澳大利亚、荷兰、新西兰等国先后发布BIM标准，制订基于IFC模型交换的数据标准，覆盖BIM在建筑工程各阶段的应用要求与功能。新加坡、日本、韩国等国家先后发布BIM指南或手册，涵盖建筑工程领域BIM建模规范和协作程序，国外BIM技术相关标准见表1。总体上，国外BIM技术标准目前尚未包含隧道工程数据标准，负责IFC标准的buildingSMART国际组织计划于2021年6月推出针对隧道工程数据标准IFC Tunnel。

表1 国外BIM技术相关标准Table 1 Foreign standards of BIM technology

1.1.2 国内BIM标准

我国住房和城乡建设部已发布一系列BIM技术国家标准，包括分类和编码标准[3]、设计交付标准[4]、施工应用标准[5]和应用统一标准[6]，如表2所示。这些标准可分为基础技术性标准和实施应用性标准。基础技术性标准又分为分类与编码、存储与交换2个细类；实施应用性标准分为建模、交付和应用3个细类。

表2 国内BIM技术国家标准Table 2 National standards of BIM technology in China

在城市轨道交通工程领域，北京市与深圳市发布了城市轨道交通设施设备分类与编码标准[18-19]，上海申通地铁集团有限公司和上海市住房和城乡建设管理委员会发布了城市轨道交通工程信息模型建模指导意见[20]、城市轨道交通信息模型交付标准[21]和技术标准[22]，规定了地铁隧道工程设施设备的分类与编码要求、建模流程、交付内容以及在工程各阶段中需具备的功能与提交的成果。

在铁路工程领域，中国铁路BIM联盟发布了较为完善的BIM标准体系[23-35]，包括分类与编码、储存与交换、交付和应用等类别，对铁路工程中的BIM技术应用起到了重要的推动作用。该BIM标准体系覆盖了路基、桥梁、隧道等工程对象，对于推动隧道工程BIM技术应用同样起到了重要作用。

在公路工程领域，江苏省发布了公路工程信息模型分类和编码规则[36]，包含公路隧道分项工程的分类方法与编码规则，为BIM技术在公路隧道工程的应用奠定了基础。

我国隧道工程相关领域信息模型规范与标准见表3。相比于铁路工程和城市轨道交通工程，目前公路工程领域的BIM标准体系制订工作相对滞后。

表3 我国隧道工程相关领域信息模型规范与标准Table 3 Specifications and standards of information model in related fields of tunnel engineering in China

1.2 隧道工程领域BIM标准发展分析

综合国内外相关领域信息模型标准，可以看出，我国隧道工程技术标准较为领先，对BIM技术在隧道工程中的应用起到重要推动作用。但是，现有标准仍存在一定局限性。1)与隧道工程密切相关的地质信息模型标准尚不完善，例如《铁路工程信息模型数据存储标准》[26]指出，岩土体类型使用动态扩展的方法引用《铁路工程信息模型分类和编码标准》[24]中“表60-地理信息”的相关条目进行定义，实质上是将地质信息模型的工作留给使用人员自行补充。2)铁路工程信息模型标准体系虽然较为全面，但其中隧道工程的信息模型标准主要适用于设计阶段，而不适用于施工阶段；对于隧道工程而言，地质条件变化经常导致设计变更，因此，设计阶段的BIM应用若要延伸到施工阶段，则还需要做大量的工作。3)不同领域的隧道工程信息模型标准体系的完善程度不同；与铁路工程相比，城市轨道交通工程建筑领域缺少存储与交换类别的标准，公路工程领域的信息模型标准则更少。4)现有的标准未能覆盖隧道工程的全寿命周期。

针对上述问题，现阶段应根据隧道工程的特点，不断完善现有信息模型标准，补充隧道地质信息模型和施工阶段信息模型的内容，形成专门针对隧道工程的信息模型标准，促进不同行业隧道工程的BIM技术应用。从长期来看，还需要推进隧道运营维护阶段信息模型标准的制订。

2 隧道工程信息建模技术现状与分析

2.1 隧道工程信息建模技术现状

2.1.1 隧道结构BIM建模

现有的隧道结构BIM建模方法可分为：1) 提取隧道轴线、建立参数化模型单元、将模型单元沿轴线拼接；2) 开发隧道辅助设计系统，根据轴线坐标和参数化断面设计，建立一体化隧道结构模型。目前主流的BIM建模软件缺少隧道结构所需的模型族库，直接建立隧道结构模型存在诸多不便。

1)在山岭隧道方面，文献[37]基于IFC Alignment 1.0标准，对铁路工程常用缓和曲线统一参数表达、里程系统和非几何属性等进行扩充与修改，实现隧道中心线数据精确传递，自动生成线路中心线对象;文献[38]利用Microstation软件建立能够重复使用、参数驱动的隧道三维模型单元，提高设计效率和模型标准化程度;文献[39]将不同围岩等级的参数化单元构件模型根据地质情况，沿三维轴线拉伸和拼装形成整条隧道模型。2)针对隧道中存在的横通道等附属结构，文献[40]开发了洞室与暗洞相交点的自动剪切程序，提高隧道接口处建模的效率。3)在盾构隧道方面，文献[41-42]建立盾构隧道管片参数化模型，根据隧道线路自动计算每环管片安装位置坐标和方向向量，通过拼装形成盾构隧道整体结构模型。除通过拼接模型单元建立完整隧道外，文献[43]基于BIM软件开发隧道辅助设计系统，通过坐标数据生成三维轴线，经参数化断面设计后建立洞身模型，并附加构件属性信息，最后对横通道进行自动识别和剪切，得到一体化隧道结构模型。

上述建模方法均已较为成熟，能够方便且较为准确地建立隧道结构BIM模型。然而在一些结构特殊部位，例如结构形式改变处、横通道处等，一般需要进行较多的人工处理。

2.1.2 BIM与GIS集成

隧道工程信息模型需要将结构信息模型与地形地质信息模型相结合，以保证其完全性。结构信息模型主要在BIM软件中建立，地形地质信息模型主要在GIS软件中建立[2]，两者集成在一起有3种做法：1)将GIS数据载入BIM。例如，文献[44]采用PowerCivil软件建立隧道模型与地形地质三维模型，通过IFD编码实现结构和地质属性信息的附加，将地质模型与隧道结构模型集成于BIM平台；文献[45]通过二次开发，将GIS空间分析得到的地质风险评估结果显示在BIM平台上，实现对GIS数据的管理。2)将BIM模型载入GIS。文献[46]在GIS中集成隧道BIM模型、三维地形地质模型，利用数据库存储隧道线形定位坐标与地质岩溶信息，实现隧道定位、岩溶病害查询等功能。3)将BIM与GIS数据导入第三方平台集成，利用ID建立2个模型之间的准确映射，将几何模型和属性数据关联[47]，集成于Web等平台综合分析隧道安全风险[45]。

以上方法通过ID映射关联几何与属性信息，均能有效地将隧道工程BIM模型与GIS数据集成，避免数据丢失。当关注协同设计、仿真模拟、工程量计算与出图等应用时，将GIS数据载入BIM平台的做法更具优势；当关注施工进度管理、地质灾害与风险评估等功能时，将BIM模型载入GIS的做法更具优势。

2.1.3 LOD分级与模型轻量化

在展示隧道高精度模型时，特别是对于长隧道和特长隧道，往往难以保证其可视化效率[48]，会影响BIM在隧道工程应用的用户体验。《城市轨道交通信息模型技术标准》[22]与《铁路工程信息模型交付精度标准》[30]根据隧道的阶段和用途划分了模型精度与细节层次(LOD,Level of Detail)，并明确规定各级模型应包含的构件内容，为模型轻量化提供基础。文献[39]采用LOD3.0精度建立完整隧道模型，在重要工点采用LOD3.5精度模型，在保证关键节点精度的同时缩减完整隧道的数据量。文献[49]提供隧道全景模型、隧道实景和变电所3个不同LOD的情境体验，分别展示整条隧道的土建结构和周边地理信息、隧道结构构件和周边道路、变电所内设备的基本信息和工作动态，实现了隧道模型轻量化。文献[50]定义了不同LOD所包含的隧道构件及精细程度，根据用户视角与隧道模型的距离的变化，动态加载不同LOD等级的隧道模型，有效提高了隧道模型的可视化效率。文献[51]提出了盾构隧道多尺度几何信息模型的表达方法，将盾构隧道的IFC模型与LOD结合，提高了可视化效率，并且在低LOD模型上做出的修改可以自动更新高LOD模型[52]。

目前，隧道模型的LOD分级的做法已逐渐普及，有利于实现工程应用的标准化和一致性。但是如何将模型LOD分级与模型轻量化展示相结合，更多地需要依赖可视化软件技术的实现。

2.2 隧道工程信息模型建模技术分析

尽管主流的BIM建模软件缺少隧道结构所需的模型族库，但是通过二次开发或辅助设计系统，隧道结构BIM建模技术已基本成熟。下一步需要重点解决结构形式改变处、横通道处等特殊位置的高效建模问题，以及设计变更时隧道模型的自动更新问题。在结构信息模型与地形地质信息模型集成方面，目前技术已日趋成熟且有多种实现方式，应根据应用需求特点来选择具体采用哪种集成方式。在隧道模型LOD分级方面，目前已基本达成共识，但在模型轻量化展示上，更多需要软件技术支持。

3 BIM技术在隧道工程中应用现状与分析

3.1 BIM技术在隧道工程各阶段中的应用现状

3.1.1 规划与勘查阶段

美国国家建筑科学研究院在国家标准中总结了BIM技术在项目中的应用，其中包括规划阶段，2013年上海市规划国土资源局发布了《上海市建设工程三维审批规划管理试行意见》，明确了BIM在规划方面应用的作用与地位[53]，然而BIM技术在隧道等地下工程规划与勘查阶段的应用案例仍然少见报道[54]。

3.1.2 设计阶段

隧道工程设计阶段一项重要工作是通过计算确定隧道结构的设计尺寸和材料用量。1)基于隧道工程BIM模型，通过提取模型中的几何与属性等关键数据，能够自动生成有限元计算模型[55-56]，并对结构设计进行优化，在保证安全的同时降低工程成本。文献[57]提出了用于盾构隧道掘进过程信息建模、结构分析和可视化设计的SATBIM平台，开发了全自动隧道建模器，建立不同LOD的数值模型，实现了高度自动化的模型生成、设置和执行功能，有效提高计算效率。2)文献[58]通过提取地层数据与隧道几何数据，生成隧道BIM模型，结合二次开发，进行网格划分，导入FLAC软件实现有限元计算，并将计算结果导入BIM模型进行渲染，实现基于BIM的有限元计算结果可视化。3)隧道结构BIM模型能够实现正洞、附属洞室、辅助坑道等工程量的自动计算与输出，提高建设成本计算的精度和效率[59]。4)在BIM软件中修改三维模型能够自动更新二维图纸，实现二维辅助出图，在设计变更时提高工作效率[60]。5)隧道BIM模型可以和通风、机电、给排水等集成在一起，实现各专业的协同设计与信息共享[61]，在工程施工前进行碰撞检查，避免出现空间矛盾等问题[62]。文献[52]建立了盾构隧道多尺度协作平台，支持多个用户同时修改模型，实现隧道工程协同设计，有效提高建模与设计效率。在铁路工程领域，已有多项研究探索BIM技术在隧道工程中的应用。文献[43]基于Bentley平台开发隧道辅助设计系统，根据围岩状况精确建立隧道设计模型，并结合IFC/IFD编码标准，实现自动附加工程信息，建立完整的铁路隧道辅助设计流程。

BIM技术在隧道工程设计阶段已日趋成熟，逐步应用于有限元模型的自动生成和计算结果可视化、工程量统计、二维辅助出图、碰撞检查等多个方面。

3.1.3 施工阶段

施工安全与风险管控、进度和质量管理是隧道施工阶段的重要关注点，BIM技术的应用对此有着重要的推动作用。

1)采用基于BIM的4D虚拟施工技术，在施工前通过施工方案模拟，有助于确定最佳施工顺序和时间节点，使施工人员更加直观地掌握施工技术[63]。

2)基于BIM的施工进度管理，通过填报施工组织计划和电子施工日志，能够生成格式化施工进度报表，实现施工进度计划编制、施工进度形象跟踪、施工进度对比等三维可视化监控与分析[64]。文献[65]提出了基于BIM的盾构隧道施工可视化辅助系统，结合传感设备进行数据实时采集与处理，从数据层、模型层、服务层和应用层展开对隧道工程中设备、材料、进度、人员、质量与安全的动态化和智能化管理，在保证隧道整体施工质量和安全风险防范等方面取得了良好效果。文献[66]开发了隧道BIM移动端应用平台，现场作业人员通过手机移动端将施工进度、施工质量和施工安全等信息上传和发布至平台，实现施工进度、施工质量、施工安全的可视化管理和信息共享。

3)结合超前地质预报的风险评估信息，建立隧道施工安全风险识别系统和预警系统[67]，能够对施工安全状态进行监控[68]，实现施工安全风险控制。文献[45]集成了地铁隧道结构模型和地质模型，实时反馈隧道施工中遇到的岩性变化、可能遭遇的地质灾害及其危险程度，并整合施工进度、隧道结构变形、地面沉降、建筑物沉降倾斜等实时监测数据，综合分析地铁隧道施工安全。文献[69]以京张高铁清华园隧道工程为例，建立隧道BIM质量管理平台，实现可视化进度管理、施工动态监控、动态风险三维预警等应用，提高工程建设信息化管理水平。

由此可见，BIM技术在隧道施工阶段已成功应用于隧道施工方案模拟、施工进度可视化监控、施工质量管理、工程风险预警等多个方面，并发挥出越来越重要的作用。隧道在施工中的地质条件变化和不良地质体是重要风险源，由此引起的设计变更较为常见，如何基于BIM技术实现超前地质预报和掌子面地质素描等地质信息综合管理、安全风险分析、施工变更处理、模型自动更新等工作的高效信息化处理，对于提高隧道工程信息化管理水平具有重要的作用，BIM在这方面的应用需要进一步加强。此外，隧道施工过程中的自动化和智慧化决策程度较低，未来应将BIM技术与大数据和机器学习等技术相结合，建立能够自主判断和决策的隧道施工风险管理系统。

3.1.4 运营维护阶段

隧道在运营维护阶段易出现裂缝和渗漏水等病害，传统上病害以展开图、调查表等方式记录和展示[70]，可视化和信息化程度较低。BIM技术的应用能够有效提高运营维护阶段中隧道监测与病害数据管理的效率，目前在隧道工程领域已取得以下成果：1)通过BIM模型和动态监测预警，显示结构变形、渗水和破坏等情况的位置，有助于及时采取措施控制危险源[60]；2)将病害图像导入隧道BIM模型，实现隧道病害三维可视化效果展示，能够有效提高隧道的安全状况评定、日常维护和管理等工作的效率[71]，基于BIM模型开发虚拟巡检功能，管理人员能全面掌握隧道内部情况，对隧道病害做出在线诊断和快速响应[49]；3)将隧道设施设备录入隧道工程BIM模型，绑定其编号和名称，有助于快速获取设施设备的资料信息，实现设施设备的定期检查和管理[72]，同时，设施设备的定期检查和维护会产生大量数据，在BIM基础上开发设施设备管理模块，储存和管理维修记录，形成完整闭合的信息流，有助于避免信息在保存过程中流失[73]；4)基于BIM开发隧道应急预案系统，有利于迅速确定和发布灾害位置信息，及时切断受损设备，防止受影响范围的进一步扩大[73]。

在隧道运营维护阶段，BIM技术主要应用于实时动态监测预警、病害信息可视化、设施设备维护管理、突发事故应急预案管理等方面，实现了不同专业之间的信息共享，有利于提高管理人员工作效率，保障隧道安全运营。未来BIM技术应与运营维护阶段大数据管理和智能分析相结合，为结构性能评定、维护养护方案制订和优化等提供辅助决策依据，为隧道的智慧运营维护奠定基础。

3.1.5 全寿命周期

隧道BIM模型作为工程全寿命信息的载体，应当在全寿命周期中得到持续应用。文献[74]基于BIM平台验证和完善铁路工程IFC与IFD标准，实现BIM模型由设计阶段向施工阶段的转换，为BIM技术在铁路工程全生命周期的应用提供技术支撑。文献[75]遵循全寿命理念提出隧道协同管理平台，覆盖规划、设计、施工和运营维护4个阶段，包含构件库、模型、地形、进度、成本、质量、能耗和安全等系统，然而该平台目前尚未应用于实际工程。文献[76]提出铁路工程建设信息化全寿命周期管理平台，建立基于BIM技术的行业统一私有云平台，在深化设计、施工和运营维护等阶段实现铁路工程质量、进度、安全等全方位管理。文献[77]提出基础设施智慧服务iS3系统，基于信息流的思想，将信息化过程分为采集、处理、建模、表达、分析和服务等组成部分，通过建立与GIS和BIM等软件开放式接口，实现全寿命周期阶段信息的集成，并提供面向工程应用的智慧化服务[78]。

上述研究表明，BIM技术在隧道工程全寿命周期中的持续应用已经得到城市轨道交通、铁路、公路等行业的高度重视，但目前公开发表的成功案例还比较少，多数是如何打通设计与施工或施工与运营维护等2个不同阶段的障碍。这与隧道工程涉及单位多、信息种类多、数据格式多、信息分散等多方面因素有关。随着BIM技术在行业内的进一步普及应用，应加强全寿命周期集成平台的开发，实现多来源、多类型信息集成与应用。

3.2 BIM技术在隧道工程中的应用分析

现有研究表明，BIM技术在隧道工程的设计、施工和运营维护中已经得到较为广泛的应用，其中在设计阶段的应用最为成熟，在施工阶段和运营维护阶段的应用也越来越深入。目前，BIM技术在施工阶段应在多源地质信息综合管理、施工安全信息综合管理与风险动态分析、设计变更、模型自动更新等方面继续深入，为隧道动态设计与施工提供信息化技术支撑，使BIM真正成为业主、设计、施工、监理和监测等单位之间的高效信息共享平台。BIM技术还要加强全寿命周期集成平台的研发，推进从设计、施工到运营维护的全寿命持续应用。未来BIM技术还要与大数据和智能分析相结合，实现隧道设计、施工和运营维护的智能化辅助决策。

4 结论与建议

BIM技术在隧道工程中具有广阔的应用前景，也是当前非常活跃的研究方向。本文对BIM技术在隧道工程中的研究和应用现状进行系统综述，从信息模型标准、建模技术、全寿命周期等方面的应用进行总结和分析，并对今后的发展提出如下建议。

1)现阶段，我国在隧道工程信息模型技术标准上较为领先，对BIM技术在隧道工程中的应用起到了重要的推动作用。下一步应将BIM标准从设计阶段延伸至施工阶段和运营维护阶段，同时提升对地质信息模型标准的重视度，建立与完善相关地质信息模型标准。此外，形成专门针对隧道工程的信息模型标准，对于促进不同行业中隧道工程的BIM应用将有着重要的作用。

2)隧道结构BIM建模技术已基本成熟，下一步重点需要解决隧道附属结构等特殊部位在高效建模设计变更时模型自动更新和不同精度模型同步更新的问题。隧道模型LOD分级目前已基本达成共识，但在模型轻量化展示上，更多需要软件技术支持。

3)BIM技术在隧道工程的设计、施工和运营维护等阶段均已得到较为广泛的应用，下一步要在隧道动态设计与施工等方面进一步深化BIM技术的支撑作用，打通隧道工程各阶段之间的信息障碍，推进隧道工程全寿命周期BIM平台的研发与持续应用。此外，BIM技术还需进一步结合大数据和智能分析等技术，为隧道的智能设计、施工和运营维护奠定基础。