基于BIM的铁路隧道附属洞室设计研究与应用

曾 昊，曹 力，赵国强，汪 明，唐雪芹

（中铁二院工程集团有限责任公司 BIM 中心，成都 610031）

随着中国铁路建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）联盟13 项铁路BIM 标准及国家铁路局《铁路工程信息模型统一标准》的发布，BIM 技术应用在铁路工程中的标准与规范日趋完善[1]，各大型铁路项目对BIM 应用的需求也逐步提高。经过多个试点项目应用经验的积累，铁路设计单位逐渐从基于二维设计图纸创建BIM 模型的逆向设计，过渡到基于基础资料完成BIM 设计并结合模型和信息完成二维图纸生产及成果交付的正向设计[2]。

目前，国内已有大量基于BIM 技术的正向设计理论方法及案例，对隧道洞身、洞口的BIM 设计均有一定的研究[3]，而基于BIM 技术的附属洞室设计相关研究还较少，大部分研究成果集中在基于特定平台下的附属洞室建模方法上[4]。本文结合铁路隧道的特点，研究一套基于BIM 技术的铁路隧道附属洞室（简称：附属洞室）设计方法，借助BIM 设计软件二次开发，实现附属洞室快速、精准设计，显著提高隧道设计效率，避免洞室碰撞问题。

1 附属洞室设计现状分析

传统基于计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）的附属洞室设计主要包含2 个阶段：

（1）在参考图设计时，根据项目的需要，设计不同围岩等级地质条件下附属洞室详细尺寸、支护措施及工程数量，形成附属洞室通用参考图；

（2）在工点设计时，由设计人员根据项目设计原则及设计经验预先布置一组洞室，再以洞室宽度为基础，依据洞身衬砌分段、四电专业提资并综合考虑围岩条件，对洞室进行调整优化。

目前，传统设计方法的主要问题集中在附属洞室布置方面，尤其是在开展长大隧道洞室布置时，由于洞身存在复杂的接触网下锚段落、不良地质区域及斜井、横洞、横通道交叉段落，需要布置几十甚至上百个附属洞室，并逐一排查、优化洞室位置，需要花费大量的时间；同时，由于布置过程中需要考虑的因素过多，导致部分洞室位置仍然无法完全满足设计要求，并且此类问题在常规设计审查流程中难以被发现，最终可能会流入施工阶段，造成工程变更，影响项目工期和成本[5]。

造成以上问题的根本原因，是传统设计方法使附属洞室布置的各种信息分散在不同的基础资料和图纸上，需要设计人员将各种信息进行整合后开展附属洞室布置，整合过程中难免出现纰漏。而通过BIM 技术的应用，将完整的设计信息集成在BIM 上，通过分析集成在模型上的信息便可实现附属洞室的自动布置和自动避让，可有效解决上述问题。

2 附属洞室BIM 设计流程

在充分考虑现有隧道二维设计图纸出图规范及铁路BIM 交付精度标准、模型表达标准的基础上，本文结合传统二维CAD 设计流程，提出基于BIM 技术的铁路隧道附属洞室设计流程，如图1所示。

图1 铁路隧道附属洞室BIM 设计流程

（1）基于行业规范及项目设备工作空间要求开展附属洞室内轮廓设计，并根据水文地质条件，通过类似工程经验或有限元分析，在洞室内轮廓设计基础上完成附属洞室结构设计；

（2）在隧道洞身衬砌分段基础上，结合附属洞室布置避让原则及站后专业设施设备布置要求等资料，开展附属洞室布置优化；

（3）根据附属洞室布置结果建立BIM，核查模型与其他结构的碰撞和近接情况进行布置优化；

（4）附加BIM 交付所需的信息并生成二维交付要求的图表，将相关成果移交后续专业使用。

3 铁路隧道附属洞室BIM 设计

3.1 附属洞室BIM 设计

附属洞室类型包含避车洞、余长电缆腔及各类设备专用洞室等，各洞室功能不同结构形式也各不相同。其中，余长电缆腔仅作为存放预留电缆用，洞室满足基本作业空间的需要即可，一般尺寸较小；设备洞室在满足余长电缆腔功能的同时还需考虑存放设备的净空和承载力要求，需设计专用结构存放设备，一般尺寸较大。故在开展隧道工点附属洞室BIM 设计时应首先确定项目洞室类型，分类制作不同的洞室模板。在制作附属洞室模板时，根据设计方式的不同可分为以下2 种方式，在实际设计工作中需要根据整个隧道项目的BIM 设计思路进行选择，如表1所示。

表1 两种附属洞室参数化模板设计方法优缺点及采用建议

3.2 附属洞室布置设计

附属洞室布置是传统二维设计下的难点，也是需要利用BIM 技术重点优化的环节，在开展BIM 设计时需在充分考虑附属洞室布置原则的基础上，结合优化算法实现附属洞室的批量自动布置。

3.2.1 布置原则

对长度大于500 m 的隧道，依据《铁路隧道设计规范》及具体项目对洞内附属设施布置的要求，附属洞室布置需满足隧道运营及检修要求，其主要原则如下。

（1）隧道内需要按照一定间距布置常规洞室，如余长电缆腔、避车洞、梯车洞等。同时，根据通信、信号、供电等站后专业提资要求布置设备专用洞室，如变压器洞室、直放站洞室、探测站洞室等。

（2）设备专用洞室一般可兼作余长电缆腔等常规洞室，故从经济性和结构安全性方面考虑，设备专用洞室在布置时尽量根据专业提资与常规洞室进行合并布置。

（3）洞室应尽量选择围岩条件较好处布置，避免在断层破碎带、软岩大变形等不良地质段落布置。

（4）洞室不能跨过衬砌断面和围岩分级变化处、施工缝、伸缩缝、变形缝，并需保持一定距离。

3.2.2 布置优化

本文提出2 种附属洞室布置的优化方法。

（1）进行洞室预布置后，逐一排查附属洞室与边界条件的关系，若发现冲突，计算洞室需要移动的最小距离，将预布置洞室整体移动后重新排查，直到所有洞室均未与边界条件发生冲突；

（2）在发现冲突后仅移动冲突位置及后续的洞室，并对移动后的洞室重新排查直到所有洞室满足布置要求。2 种优化方式如图2所示。

图2中粉色区域为根据隧道衬砌分段等信息形成的边界条件，若在根据洞室布置的间距要求形成附属洞室预设计方案后，发现第3 个洞室进入了边界条件，则该方案不满足布置要求，需要对其进行优化。方法 1 是将所有洞室均向前移动一个距离，调整后所有洞室仍为等间距；方法 2 是仅移动第3 个及以后的洞室，调整后仅第 2 和第 3 个洞室的间距缩短。2 种方法均满足了布置要求，其中，方法 1 最大程度地利用洞室布置间距，可有效减少最终洞室的布置数量，但难以完成边界条件复杂的长大隧道布置，更适合短隧道洞室布置；而方法 2 仅调整冲突后的洞室，可适应任何复杂的边界条件，适用于长大隧道的洞室布置。

图2 附属洞室布置的2 种优化方式

3.3 附属洞室模型建立

目前，业内主流的BIM 设计软件仅提供基础的三维造型和布尔运算功能，导致BIM 设计工作中设计人员耗费在建模上的时间远大于设计本身，难以在有限的设计周期内充分利用BIM 的优势优化设计成果、提升设计质量。而针对附属洞室设计，为了满足最终三维模型的交付，需通过设计软件二次开发着重提高附属洞室批量建模及洞室模型与正洞模型剪切的效率[6]，减少附属洞室设计过程中耗费在三维建模上的时间，让设计人员专注于附属洞室结构设计及布置优化上。

由于不同BIM 设计软件建模及二次开发方法各有差异，本文仅以Bentley 平台为例，介绍基于该平台进行二次开发时附属洞室建模的4 个重点。

（1）剪切规则的可配置性。不同项目在不同阶段对建模的精度要求各不相同，为更好地适应不同项目的具体需求，需提供洞室与正洞衬砌剪切规则的配置功能，如剪切位置正洞和洞室各自需要保留的部分、洞室水沟与正洞水沟顺接方法、洞室铺装的类型和坡度等。

（2）模型剪切的效率。为提高模型之间的剪切效率，需将建模时的参数信息直接附加在模型上，当洞室与正洞剪切时通过读取建模参数快速重构模型，实现模型间的布尔运算。针对信息的读写，Bentley 平台下有ECSchema、ItemeType 及Xdata 这3 种形式，经大量测试表明，Xdata 的读写速度高于其他形式，在批量进行附属洞室建模时能大幅提高模型剪切效率。

（3）建模稳定性。在隧道BIM 设计过程中，往往需要一次性处理几十处洞室建模，为了提高批量建模的稳定性，在二次开发时需要注重对建模异常情况的处理和追踪能力。当某一处洞室与正洞剪切失败时，提取异常信息并继续执行后续洞室建模，当所有洞室模型建立完成后整理形成建模反馈表，便于设计人员定位并分析异常原因。

（4）设计信息的保留。隧道模型的设计信息以ItemType 形式存入模型，在执行布尔运算时会丢失，因此需在剪切前提取模型的所有信息并在剪切后重新附加，以确保信息不丢失。

4 附属洞室设计实现及应用

4.1 设计实现

本文对铁路隧道附属洞室的设计已应用于铁路工程隧道三维BIM 正向设计系统V1.0 项目，实现的效果如下。

（1）在附属洞室模板设计方面，由于搭载了完整的隧道设计数据库，采用了3.1 中完全数据化的附属洞室模板设计方式，将附属洞室结构设计参数存入隧道设计数据库，提高了模板在洞室布置、建模、出图、算量中的调用效率，也为后续实现铁路行业元数据交付[7]提供支持。

（2）在附属洞室布置方面，综合了3.2 中2 种优化算法，开发了集成智能附属洞室布置工具，通过设置布置模式、布置间距、避让距离等参数，结合设计数据库中的洞身分段、辅助坑道、不良地质等里程数据实现洞室批量布置及自动优化，在初步布置完成后还可根据需要对布置后的洞室位置、类型进行调整以满足站后专业预留的要求。

（3）在附属洞室建模方面，依据3.3 中的重点要求，开发了高效的洞室建模工具。通过结合模板设计和布置设计成果，可实现附属洞室的批量建模，并可自动与隧道洞身模型进行剪切并根据交付精度标准[8-9]的要求完成设计信息附加。根据测试，利用该工具批量完成40 座洞室的建模时间由原来的4 h缩减至15 s，显著提高了洞室的建模、剪切及信息附加效率。

4.2 方法应用

本文已将铁路隧道附属洞室的布置方法应用于一条处于施工图设计阶段的长约9 200 m 的铁路双线隧道。按照布置要求，隧道左右侧需分别布置专用洞室和余长电缆腔且单侧间距不大于500 m，同时在固定里程布置4 处变压器洞室，并避开活动断裂带、破碎带等不良地质段落。

为验证布置方法的准确性及效率，同步开展了基于CAD 的二维附属洞室设计工作。利用洞室智能布置工具，将不良地质及辅助坑道位置信息导入设计数据库形成边界条件，基于前期洞身纵断面设计工具[10]形成的衬砌分段BIM 成果，总计布置洞室40 处，其中余长电缆腔17 处、专用洞室19 处、变压器洞室4 处，总用时约15 min；同步开展的基于CAD 的二维设计，总计布置洞室42 处，其中1 处余长电缆腔布置在活动断裂带内，洞室布置用时约1 h。经对比，采用BIM 正向设计进行附属洞室设计，在洞室的布置效率和经济性上均优于传统方法，最终该隧道附属洞室采用BIM 正向设计的布置方案进行交付，设计成果如图3所示。

图3 附属洞室BIM 设计成果

5 结束语

本文提出的基于BIM 技术的铁路隧道附属洞室设计，在不打破原有CAD 二维设计流程的基础上，利用BIM 技术对附属洞室模板、布置方式及成果交付等设计环节进行优化，串联上下游设计数据，保证了BIM 设计成果能充分满足现有工程设计环境下对二维及三维图的交付要求。通过在Bentley 平台下开展正向设计软件研发并应用于施工图设计，证明该研究能在提高设计效率的同时显著提高设计质量，相关研究成果也为其他平台下附属洞室BIM 设计软件的研发提供了理论依据，为推进铁路隧道BIM 正向设计提供支撑。