基于BIM的水下隧道智能仿真设计初探

吴为东 陈朋亮 王安娜

一、引言

隧道作为重要的交通通道，其设计相对复杂，位于地下的特性对项目的施工和通车运营的安全性提出了更高的要求。为了满足这种要求，需要采用基于BIM的建管养一体化的理念，在隧道的设计过程中就要对施工阶段的需求及通车运营后的隧道的性能和状态有充分的评估和掌控。BIM技术在公路工程中的应用目前也有许多相关研究，内容涉及了协同设计、数据的共享和传递以及项目全生命周期应用等。但在设计阶段的应用仍处于发展研究过程中，存在智能化程度低、BIM与仿真数据共享程度不高、缺乏项目全生命周期设计理念的问题。需要基于BIM的隧道智能仿真设计技术，来提升目前隧道工程的BIM设计效率和质量水平。

二、智能仿真设计需要解决的问题

面向目前隧道工程的BIM技术设计应用，基于BIM技术的智能仿真设计需要研究三方面的问题。

一方面研究基于数据的智能化设计建模方法，解决隧道BIM设计效率较低的问题；另一方面在BIM模型与仿真数据共享的基础上，研究仿真内容如何支撑设计；第三方面，基于“以终为始”的理念，在设计阶段通过仿真模拟等手段，考虑后续施工和运维阶段的需求，使设计能够很好地支持全生命周期的需求。

针对这些问题，需要研究基于BIM的隧道智能仿真设计技术所涵盖的内容和流程。

三、基于BIM的隧道智能仿真设计内容及流程

智能仿真设计技术是在基础资料、规范要求及使用需求的限定下，通过知识库或数据库的支持，可以提供适合特定环境条件的基本方案和设计成果的技术。其研究内容应包括BIM隧道智能设计、协同设计平台、仿真计算分析、全生命周期需求检验和BIM设计成果交付研究等方面开展。

在总结设计核心工作过程和经验的基础上，初步设定智能仿真设计流程如下。

智能仿真设计技术流程和内容

1.智能设计基础资料准备

设计工作就是在基础资料、规范要求及使用需求的基础上开展的信息整合工作。公路隧道BIM设计重要的基础资料包括了三维地形数据、三维地质条件模型、水文条件、相关规范要求、业主使用需求等。其中，三维地形数据、三维地质条件模型、水文条件需要进行测量和勘察确定，测量和勘察方法也是重要的研究任务。

2.公路BIM设计路线初步确定

在基础资料基础上，根据需求初步确定公路BIM设计的路线走向，进行路线的平面设计和纵断面设计。这部分工作需要设计人员确定。

3.隧道结构智能设计

隧道结构智能设计是智能仿真设计的关键技术，目的是解决目前基于BIM建模效率低下的问题。其实施思路如下：首先需要对常用的隧道BIM设计结构类型进行分类，将每一类隧道结构进行参数化建模，形成参数化隧道结构模板；将每一类隧道结构模板与相适应的地质条件进行匹配关联，形成隧道结构断面—地质条件匹配知识库；根据每段隧道区域的地质模型，通过知识库确定相应的隧道结构参数化模板；最后根据路线数据和确定的参数化模板进行公路BIM设计的三维结构模型建模，完成隧道结构智能设计。

4.调整、细化隧道结构设计

在隧道标准路段比较容易根据地质条件和知识库进行的隧道结构智能设计较容易应用在隧道标准路段，但在某些结构细节或特殊路段，需要进行人工隧道结构设计的调整、细化，使之达到满足设计要求的精度水平，完成隧道结构设计。

5.仿真计算

在完成隧道结构的设计之后，将得到的BIM模型进行相关的仿真模拟，可以通过数据接口或开发BIM+仿真一体化平台实现，达到BIM模型数据共享的目的。仿真计算内容至少应包括隧道结构的力学仿真计算、接缝等部位的防渗性能等水力学仿真计算、交通通行能力的交通仿真计算、隧道总体的安全事故等突发事件等仿真模拟。在完成相关的仿真计算之后，根据规范及其他要求，判断设计是否满足，如果满足相关要求，则进行下一流程；如果不满足，则返回调整路线设计或隧道结构设计，再进行仿真计算流程。

6.全生命周期需求检验

在仿真计算结果满足相关要求之后，设计应从项目全生命周期的角度检验设计的合理性。需要从施工过程需求、运行管理需求对设计进行动态和静态检验。施工过程需求检验可以包括施工过程的模拟验证、工法的可行性模拟验证、施工机械的冲突检验等。运行管理阶段的需求检验可以包括运行监控需求检验、设备检修需求满足、设备预留及预埋、结构构件定位编码支持等检验。如检验结果满足要求，则进行下一流程，如不满足，则返回调整路线设计或隧道结构设计，再进行仿真计算流程。

（1）隧道施工过程的虚拟仿真技术

研究在BIM模型数据的基础上，通过隧道信息模型分类编码标准，将施工过程的施工工作分解（WBS）与隧道数字模型进行关联，结合施工组织设计中的时序数据，仿真模拟施工过程和施工工艺。在隧道施工过程的虚拟仿真过程中，检验和发现施工过程中的问题，在设计阶段进行优化调整。

（2）隧道性能仿真技术

采用融合隧道设计BIM模型数据，AR、VR可视化技术，以及微观基于时间间隔和驾驶行为的交通仿真技术为手段，研究隧道性能仿真技术，仿真内容包括可视化验证隧道线形设计、照明、通风能力、各类车辆通行能力及行车舒适性等是否满足要求和预期。

融合隧道设计BIM模型数据与流体力学模拟和微观交通仿真技术，研究隧道突发事件情况下的隧道火灾排烟、交通事故应急救援等仿真模拟技术，实现隧道管养阶段突发事件影响后果的模拟与评估，验证隧道响应性能。根据仿真评定结果，验证并及时调整设计，将建管养一体化理念融入设计。

7.数字化交付

在隧道设计完成仿真计算验证和全生命周期需求检验之后，可以确定最终的隧道BIM设计。之后可以进行设计成果的数字化交付。数字化交付方式可以从四个方面进行研究。

（1）BIM设计成果出图。研究将公路BIM设计三维BIM模型通过剖视图的方式或透视图的方式进行设计表达。

（2）通用三维模型文件。研究将三维BIM设计成果输出为动态三维图形展示格式，如PDF或Bentley imodel格式进行成果交付。

（3）专用格式可视化交付。将BIM设计成果通过某些专用格式进行交付，优势是可以实现灵活的可视化展示和数据查询。

（4）通过云平台在线交付。通过开发在线云平台，可以支持BIM模型数据、GIS数据和其他相关工程数据及流程数据，可实现将最终或阶段性BIM设计成果发布到云平台，方便快捷地交付给相关方进行浏览、查询及反馈功能。

四、结语

以公路隧道为例，从设计技术的需求出发，对隧道智能仿真设计进行了初步的探索和思考，构建了基于BIM的智能仿真设计技术总体实施流程，对今后实现智能设计和基于“以终为始”的设计理念的落实提供了基础。但是在技术实施过程中还存在BIM数据融合共享和数据标准欠缺的问题需要解决，任重而道远。