李 娟，王銳生

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510430）

目前，軌道交通飛速發(fā)展，國家投入軌道交通類的專項資金日益增加，伴隨著國家高速鐵路的“八縱八橫”計劃的全面開展，國家鐵路網(wǎng)絡(luò)日益擴(kuò)大，對于鐵路建設(shè)要求越來越嚴(yán)格。鐵路是交通運輸中不可或缺的一部分，運用BIM技術(shù)進(jìn)行研究對其發(fā)展起著重要作用。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)最早在2000 年就有專家進(jìn)行BIM 方面的研究，2007 年正式提出BIM 這個概念。2007—2012 年國內(nèi)處于BIM 的概念階段，開始有人預(yù)料到BIM 的到來并已做好準(zhǔn)備，到2012 年住建部《關(guān)于印發(fā)2012 年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂修訂計劃的通知》正式宣告BIM 時代的來臨[1]。

BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但就目前國內(nèi)BIM技術(shù)在高速鐵路隧道中的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，國內(nèi)的BIM技術(shù)目前還存在著一些應(yīng)用上的不足，總體呈現(xiàn)出探索的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

1.1 國內(nèi)高速鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

高速鐵路是一項龐大而且復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，在全壽命周期中需要多專業(yè)間密切配合，頻繁地進(jìn)行多種形式的信息交互，以及設(shè)計、施工、監(jiān)理、運營等多個參與方溝通協(xié)作共同完成。因此，高速鐵路在全壽命周期中往往產(chǎn)生了一系列問題，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

1．1．1 各專業(yè)間信息溝通不及時、不對稱、不順暢

高速鐵路各專業(yè)之間接口繁多，目前相當(dāng)一部分的信息共享和交換主要由人工完成，不能實現(xiàn)設(shè)計信息的集成和自動化傳達(dá)，使得各專業(yè)間溝通需要耗費大量時間來處理和理解其他相關(guān)專業(yè)提交的數(shù)據(jù)資料[2]，經(jīng)常發(fā)生由于信息溝通不及時、不對稱等導(dǎo)致人力、時間的浪費現(xiàn)象，大大降低了高速鐵路系統(tǒng)的運作效率。

1．1．2 對整個高速鐵路項目的表達(dá)和理解不明確

高速鐵路項目在勘測設(shè)計過程中需要與業(yè)主、和當(dāng)?shù)卣M(jìn)行設(shè)計方案影響因素的采集和協(xié)商[2]，最終的設(shè)計成果需要施工單位嚴(yán)格地執(zhí)行。只有這樣，才可以確保設(shè)計成果的科學(xué)性和設(shè)計理念的正確實現(xiàn)。設(shè)計方將設(shè)計成果向業(yè)主和施工方交底時，大部分采用的是二維圖紙的形式，施工方不能準(zhǔn)確地理解設(shè)計意圖，這將直接影響到工程建設(shè)的進(jìn)度和質(zhì)量，導(dǎo)致設(shè)計意圖得不到合理實現(xiàn)，并造成人力、物力、財力的浪費。

1．1．3 設(shè)計成果不能有效地服務(wù)于高速鐵路運營、維護(hù)和管理

高速鐵路在建造完成后運營時期長達(dá)幾十年，在此期間需要進(jìn)行經(jīng)常性的大規(guī)模的鐵路養(yǎng)護(hù)和維修。但多數(shù)鐵路問題的發(fā)現(xiàn)和解決還依賴于人力，養(yǎng)護(hù)過程中還需要查找問題路段的設(shè)計資料，但由于設(shè)計單位一般不參與鐵路養(yǎng)護(hù)，設(shè)計成果不能得到正確理解，致使養(yǎng)護(hù)維修工作的效率低下。

1.2 BIM 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，市政道路及房建項目的BIM 技術(shù)及其應(yīng)用已趨于成熟，但高速鐵路BIM 技術(shù)的應(yīng)用總體來看還處于探索階段。例如，在滬通長江大橋項目中，為提升大橋建造和管理水平，搭建BIM 管理系統(tǒng)，首次引入咨詢審核和過程評估，結(jié)合GIS 實現(xiàn)精細(xì)化BIM 建模、可視化交底、圖紙管理、施工計劃編制、三維施工日志、進(jìn)度分析、工程量統(tǒng)計、施工監(jiān)控、鋼橋制造信息化等功能模塊在項目管理中的應(yīng)用[3]。隨著中國高速鐵路戰(zhàn)略空間迅速擴(kuò)張，項目管理可視化、智能化要求提高，工程項目轉(zhuǎn)型升級的需求越來越迫切和廣泛，高速鐵路BIM 技術(shù)的應(yīng)用已迫在眉睫。

2 BIM 技術(shù)在高速鐵路上的發(fā)展?fàn)顩r

BIM 技術(shù)的應(yīng)用與研究離不開計算機(jī)軟件的支持，目前為止，幾乎所有BIM 軟件公司都不是從事鐵路行業(yè)的軟件開發(fā)商。各個軟件公司所提供的BIM 軟件都不能很好地適用于高速鐵路工程，要在鐵路行業(yè)進(jìn)行BIM 運用，必須要做鐵路行業(yè)的產(chǎn)品定制和專用模塊開發(fā)[4]。

2.1 BIM 軟件支持及其應(yīng)用情況

當(dāng)前比較活躍及成熟的BIM軟件公司有Autodesk公司、Dassault 公司、Bentley 公司及i3 聯(lián)盟等。

Autodesk 公司的Revit 軟件主要適用于房建工程。

設(shè)計：包含了建筑、結(jié)構(gòu)及MEP（Revit Architecture，Revit Structure，Revit MEP）， 應(yīng)用此軟件建模，產(chǎn)生出來的文件格式為rvt。

模型發(fā)布文檔格式：Revit 檔案可以發(fā)布為nwc 文件，nwc 文件是只讀的檢視文件，包含Revit 模型的外模和屬性數(shù)據(jù)。

審查：Autodesk 公司的BIM 審閱軟件是NavisWorks，NavisWorks 讀取nwc 文件后，可以讀取此檢視文件的3D 模型及所有的屬性信息。NavisWorks 對nwc 文件所做的任何動作，例如意見標(biāo)注、碰撞檢查、視點儲存、模型剖分等這些審查作業(yè)的操作產(chǎn)出，都另存在一個nwf 文件中，nwf 文件不含模型和屬性，NavisWorks 軟件會依據(jù)文件儲存的位置文件夾，自動將模型文件nwc和意見文件nwf建立連結(jié)關(guān)系。

模型校對：審查人員收到設(shè)計人員發(fā)布的nwc 文件后，審查制作nwf 意見文件，只要將nwf 審查文件傳遞給設(shè)計人員，設(shè)計人員開啟審查人員的nwf 文件，就能清楚審查人員對模型設(shè)計的哪些地方有意見并進(jìn)行修改。

Bentley 公司的BIM 設(shè)計軟件是以AECOsimBuilding Desinger 為主，包含了建筑、結(jié)構(gòu)及MEP 三個模塊，產(chǎn)生的文件格式為dgn。

模型發(fā)布文檔格式：AECOsim 可以發(fā)布為.i.dgn 文件，.i.dgn 文件是只讀的檢視文件，包含外模和屬性數(shù)據(jù)。

審查：Bentley 公司的BIM 審閱軟件Navigator 和Autodesk 公司的NavisWorks 作用原理類似，Navigator 軟件讀取.i.dgn 文件后，可以讀取此檢視文件的3D 模型及其他屬性信息，但不能進(jìn)行修改。Navigator 對.i.dgn 文件做的動作為：針對模型特定位置的意見標(biāo)注、碰撞檢查、視點儲存、模型剖分、繪制輔助像素等附加的信息，都另外存在一個.overlay.dgn 文件中，.overlay.dgn 文件同樣不含模型及屬性信息，Navigator 軟件會依據(jù)文件儲存的位置文件夾，將模型文件.i.dgn 與意見文件.overlay.dgn 建立一個連結(jié)關(guān)系。

模型校對：審查人員收到設(shè)計人員的.i.dgn 文件后，審查制作一個.overlay.dgn 意見文件，只要將.overlay.dgn 審查文件給設(shè)計人員，設(shè)計人員打開審查人員的審查意見文件，就能夠了解審查人員對模型設(shè)計的哪些地方有意見并進(jìn)行修改。

Autodesk 公司的Inventor 軟件以及Dassault 公司的Catia軟件較適用于機(jī)械工程制造，其中Dassault 公司的Catia 軟件主要用于汽車飛機(jī)船舶行業(yè)，建筑、家電行業(yè)也有Catia軟件的應(yīng)用實例，其應(yīng)用非常廣泛。

2.2 BIM 技術(shù)在高速鐵路上的應(yīng)用情況

當(dāng)前很多BIM 軟件都不適用于高速鐵路工程，高速鐵路需求的各專業(yè)在很多BIM 軟件上都沒有明顯體現(xiàn)。主要因為軟件的服務(wù)對象和建模思路與高速鐵路工程不相同。鐵路工程相比于普通建筑和機(jī)械工程有一個很大的特點是工程規(guī)模的巨大，同時數(shù)據(jù)量也特別龐大。在建模方面，Revit不能滿足其復(fù)雜的建模要求，建模思路上也難以靠近；而Inventor、Catia 軟件因為具有更加靈活的幾何建模功能，可以適用于隧道橋梁方面，但相對而言Catia 具有更加出眾的建模能力和數(shù)據(jù)處理功能。BIM 技術(shù)在高速鐵路中應(yīng)用的困難點主要是處理格式不同，各大BIM 軟件還沒有涉及鐵路方面的數(shù)據(jù)尺寸格式，同時，還有建模方面的不同和一些鐵路專有構(gòu)件的建立。這些都是BIM 在鐵路方面面臨的問題。

3 BIM 技術(shù)在高速鐵路隧道上的實際案例研究

以貴陽至南寧高速鐵路某隧道為例，運用BIM 技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用研究，闡述取得的成果及存在的問題。為了建立高速鐵路隧道模型，需要建立高速鐵路隧道的可視化信息庫、與其協(xié)同的數(shù)據(jù)格式與完整的環(huán)境系統(tǒng)，引進(jìn)了BIM軟件的部分功能，對BIM 軟件進(jìn)行二次開發(fā)運用，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.1 工程環(huán)境設(shè)定

為了建立實際的隧道開挖環(huán)境，建立了如圖1 所示的地形、時間、氣候及場地模擬系統(tǒng)。地形包含實際地質(zhì)地貌與地形特征；時間及氣候系統(tǒng)包括一年日期選項、一天時刻選項、光照等級、降雨等級、風(fēng)速等級模擬等；場地模擬包括項目部、混凝土攪拌站、鋼筋加工棚、材料庫房、空氣壓縮站、變電所、油庫、炸藥庫、雷管庫、蓄水池模擬等。

圖1 隧道開挖環(huán)境模型

3.2 工程施工設(shè)定

通過邁達(dá)斯隧道設(shè)計等類型軟件數(shù)據(jù)庫，分析對應(yīng)的地形地質(zhì)地貌、圍巖等級及土體壓力等因素，對應(yīng)采取不同的襯砌類型及隧道施工方法模擬。

案例：某隧道位于桂北巖溶山區(qū)，峰叢洼地地貌，地形起伏較大，測區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡洪積礫砂土、碎石土、粉質(zhì)黏土、坡殘積粉質(zhì)黏土。洞身淺埋及出口段覆土厚；下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r夾硅質(zhì)巖地層，下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，隧道地層巖性單一，構(gòu)造為穩(wěn)定的單斜構(gòu)造區(qū)，局部受區(qū)域構(gòu)造影響，局部巖層層面扭曲，隧區(qū)節(jié)理產(chǎn)狀多為陡傾角垂直節(jié)理，發(fā)育兩三組節(jié)理，主要地質(zhì)問題為巖溶，危巖溶石、淺埋及緩傾地層。

圍巖級別分別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

對應(yīng)的襯砌類型：雙耳墻加強(qiáng)明洞、Ⅳb、Ⅳa、Ⅲb、Ⅴb、Ⅴc。

施工方法：明挖法、臺階法、臺階法+臨時仰拱、CRD法，如圖2 所示。

工法模擬：暗挖處置施工是隧道建設(shè)的高風(fēng)險階段，也是施工控制的主要難點。通過開挖支護(hù)施工工藝進(jìn)行三維動態(tài)演示，實現(xiàn)了可視化動畫施工技術(shù)交底。

進(jìn)度模擬：利用BIM 技術(shù)輔助進(jìn)度管理，先模擬后施工，能夠有效避免或減緩因施工圖紙設(shè)計缺陷、設(shè)計變更、進(jìn)度計劃中遺漏工作項、邏輯錯誤、動態(tài)碰撞等造成的進(jìn)度延誤。

3.3 使用模式設(shè)定

3D 模擬使用：結(jié)合三維虛擬引擎和BIM 軟件優(yōu)勢開發(fā)3D 使用模式。

VR 外設(shè)仿真全景體驗：軟件提供VR 端口結(jié)合VR 外設(shè)進(jìn)行全景體驗。

4 結(jié)束語

以貴陽至南寧高速鐵路某隧道為例，闡述BIM 技術(shù)在鐵路中取得的成果及存在的問題。主要針對工程案例進(jìn)行分析研究，介紹了應(yīng)用功能和方法，促進(jìn)BIM 技術(shù)的發(fā)展。BIM 技術(shù)近年來在建筑工程方面取得了一定的成績，但在鐵路工程短時間內(nèi)仍無法實現(xiàn)工程的全生命周期管理。在國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)政策及外部條件下，BIM 技術(shù)短期內(nèi)無法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維設(shè)計，BIM 技術(shù)在高速鐵路工程中仍有很長一段路需要去探索發(fā)展。