李俊松，汪明，曹力

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

我國國土面積約3/4為山嶺和重丘，國家規(guī)劃的鐵路干線常穿越崇山峻嶺，橋梁和隧道工程既是解決艱險地區(qū)選線問題的重要技術手段，也是該類干線設計工作的重點和難點。在隧道工程中，傳統(tǒng)二維設計雖然可有效解決常規(guī)隧道的設計表達，但存在表達方式平面單一、信息傳遞不暢、專業(yè)信息互通阻礙大、信息集成度不高等缺點，難以有效表達復雜隧道洞門結(jié)構、防災救援通道立體交叉、多專業(yè)銜接界面等情況。

BIM技術在建筑行業(yè)的成功應用，給鐵路隧道行業(yè)帶來較大的啟發(fā)。利用BIM技術的形象、多維、協(xié)同等優(yōu)勢，能有效解決隧道工程復雜設計問題。自2012年起，中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心就致力于鐵路行業(yè)BIM技術的研究與應用，其牽頭建立的鐵路BIM聯(lián)盟至今已頒布16部BIM相關標準與規(guī)范［1］；國家鐵路局也于2021年3月發(fā)布了鐵路工程建設標準TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標準》［2］。在鐵路BIM聯(lián)盟帶領下，我國各大設計、施工單位從不同維度深入開展BIM技術的應用與研究，大力推進各類鐵路BIM試點應用，例如：中鐵第一勘察設計院集團有限公司基于Revit對鐵路隧道BIM設計進行了研究，并將其與GIS技術相結(jié)合［3-4］；中鐵二院工程集團有限責任公司相繼在Dassault Systemes、Bentley等平臺下開展鐵路隧道BIM正向設計研究與應用［5］；中國鐵路設計集團有限公司在3D Experience平臺下對鐵路全專業(yè)的BIM設計與協(xié)同進行了研究［6］。

結(jié)合鐵路隧道BIM設計方面的研究與實踐經(jīng)驗，以Bentley平臺OpenRail Designer（簡稱ORD）為基礎，系統(tǒng)開展高速鐵路隧道工程的BIM正向設計研究，建立適用于設計階段的標準體系與參數(shù)化族庫，利用二次開發(fā)技術開發(fā)符合隧道設計流程的BIM正向設計系統(tǒng)，利用BIM技術實現(xiàn)高速鐵路隧道的輪廓力學分析及參數(shù)化入庫、參考圖設計、工點方案設計及詳細設計、工程量計算、二維出圖及三維模型生成等功能，初步實現(xiàn)高速鐵路隧道工程BIM正向設計。

1 整體規(guī)劃

實現(xiàn)高速鐵路隧道工程BIM正向設計，需要兼容設計單位的測繪、地質(zhì)、線路等現(xiàn)有文件，符合傳統(tǒng)設計習慣，還應在BIM成果交付方面滿足鐵路BIM聯(lián)盟頒布的一系列BIM標準與規(guī)范，二維圖紙也需基本滿足《鐵路工程制圖標準》等行業(yè)標準及企業(yè)級技術文件要求。在多年研究及實踐經(jīng)驗基礎上，提出以BIM標準體系和參數(shù)化族庫為基礎，基于ORD開發(fā)隧道BIM正向設計系統(tǒng)的技術路線。隧道BIM正向設計系統(tǒng)采用流行的.NET程序框架構建軟件體系，應用Log4NET、Nhibernate及NPOI作為系統(tǒng)輔助功能支撐，主要設計功能包含設計管理、通用設計、洞身設計、洞口設計、特殊設計、設計輸出等6大模塊，提供友好的設計交互界面，并可與其他專業(yè)進行有效的數(shù)據(jù)互通。隧道BIM正向設計系統(tǒng)架構示意見圖1。

圖1 隧道BIM正向設計系統(tǒng)架構示意圖

2 標準體系制定

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部高度重視BIM技術應用推廣工作，相繼于2014年7月發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設部關于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》（建市〔2014〕92號）［7］，于2016年發(fā)布《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》（建質(zhì)函〔2016〕183號）［8］。鐵路BIM聯(lián)盟組織編寫并發(fā)布了T/CRBIM 001—2014《鐵路工程實體結(jié)構分解指南》［9］、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》［10］、T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》［11］等16項標準和指南。中國中鐵股份有限公司（簡稱中國中鐵）在總結(jié)各單位BIM推進經(jīng)驗基礎上，結(jié)合行業(yè)發(fā)展需要，研究編制了《中國中鐵BIM應用實施指南》［12］等系列BIM應用的指導性文件，并在自身參與項目中進行了充分驗證完善。2016—2020年，中國中鐵依托城市軌道交通項目，開展BIM技術研究及應用，在城市軌道交通工程BIM標準體系的建立上取得重要突破，形成城市軌道交通工程施工BIM應用標準體系。2021年3月，國家鐵路局最新發(fā)布《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標準》，并于2021年6月正式實施。上述系列標準、指導文件的出臺，以及項目的驗證完善，對于提高鐵路行業(yè)BIM技術進步和應用水平、保障鐵路建設標準化管理、實現(xiàn)工程建設信息化發(fā)展起到了重要的指引和參考作用。

在中國國家鐵路集團有限公司、鐵路BIM聯(lián)盟、中國中鐵等系列綱領、標準文件的指導下，結(jié)合多條城市軌道交通BIM應用實踐經(jīng)驗，借鑒軌道交通行業(yè)現(xiàn)狀及管理模式，對鐵路隧道BIM標準體系進行了規(guī)劃，從“綱要→導則→標準→手冊”4個層次建立隧道BIM正向設計標準體系。該標準體系將在鐵路隧道應用規(guī)范研究成果的基礎上，從整體架構、編碼標準、應用流程、應用標準等方面進行規(guī)范和定義，最終形成較全面的隧道BIM正向設計標準體系。其中，綱要包含基本規(guī)定、總體指導思想、標準制定原則及范圍；導則提出總體技術思路，規(guī)劃出正向設計標準流程，并對正向設計各類成果進行界定；正向設計標準包含設計各階段詳細流程、數(shù)據(jù)編碼及存儲標準、建模標準、信息附加及交付標準；正向設計手冊則對規(guī)劃設計、初步設計、技術設計、施工圖設計和深化設計各階段的操作步驟進行了詳細說明，指導設計人員開展標準化設計工作。目前，隧道BIM正向設計標準體系已形成初步成果并在某復雜艱險山區(qū)鐵路、西昆線、渝昆線及成渝中線等多條鐵路干線中實踐應用。

3 參數(shù)化族庫建立

建立標準化、參數(shù)化的族庫，能避免重復建模，極大地減少工作量，并提高建模的規(guī)范性、標準性和快捷性。在建立族庫的過程中，應充分考慮高速鐵路隧道設計需求、工程施工工法、后期施工交付，以及建模過程中所需的附加信息，便于后期的工程量計算、建模出圖及設計交付等。按照鐵路BIM聯(lián)盟相關標準要求，從隧道結(jié)構構成的維度對族庫類型進行劃分，主要包括洞門、洞身、接口及特殊結(jié)構4個類型（見表1）。目前，已結(jié)合ORD軟件二次開發(fā)技術，建立了滿足實際建模應用需求、覆蓋大多數(shù)隧道形式的隧道參數(shù)化族庫，并在各干線及試點隧道BIM正向設計中實踐應用。

表1 參數(shù)化族庫

3.1 洞門

研究洞門參考圖及工點圖紙，提取參數(shù)化建模所需關鍵幾何參數(shù)，在ORD的二次開發(fā)過程中，通過洞門生成算法調(diào)用關鍵幾何參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)化洞門建模和洞門模型在實際線路中的快速實例化。目前，已建立并應用完善的洞門族庫，包括帽檐斜切式洞門（見圖2）、雙耳墻式明洞門、樁柱式洞門等。

圖2 帽檐斜切式洞門

3.2 洞身

洞身參數(shù)化族庫包括暗洞、明洞、附屬硐室及輔助坑道族。其中，暗洞輪廓按照常用類型分為單心圓、三心圓和五心圓等，每種輪廓族的關鍵參數(shù)包括襯砌、側(cè)溝、仰拱填充、中心水溝（見圖3）。明洞、附屬硐室和輔助坑道族庫建立方式與暗洞類似。

圖3 暗洞洞身輪廓族

3.3 接口

隧道在線路上會與橋梁、路基等專業(yè)在排水、電纜槽等方面順接，接口族庫便于在設計過程中解決該類順接結(jié)構的自動生成問題，達到隧道進出口與相鄰橋梁、路基等專業(yè)模型順暢過度的目的。根據(jù)實際工程特點，目前，已建立橋梁和路基專業(yè)接口族庫，各專業(yè)分別包括洞口防排水及電纜槽2種類型。其中，洞口防排水包括截水天溝、側(cè)溝過渡段等結(jié)構，電纜槽包括槽體及電纜槽蓋板過渡段結(jié)構。

3.4 特殊構件

隧道工程既有通用結(jié)構形式，也有特殊結(jié)構形式，因此需結(jié)合各隧道工點設計情況，逐步建立并豐富特殊構件族庫。目前，特殊構件族庫主要包括棄碴場、防災救援設施、通風排水設施、特殊擋墻、特殊支護結(jié)構等。結(jié)合ORD的二次開發(fā)技術，利用算法逐個實現(xiàn)各類特殊結(jié)構的參數(shù)化及實例化，其參數(shù)根據(jù)結(jié)構特點設置，如棄碴場主要包括擋墻、臺階、邊坡及防排水等。

4 BIM正向設計系統(tǒng)

基于ORD開發(fā)了符合設計流程和習慣的隧道BIM正向設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)以在線數(shù)據(jù)庫為基礎，實現(xiàn)了隧道專業(yè)內(nèi)的設計協(xié)同及外部數(shù)據(jù)互通。在設計過程中，保留了部分二維設計思路，同時開拓性地將三維設計理念應用至洞身、洞口、施組、工程算量等方面，從而實現(xiàn)較傳統(tǒng)二維設計更準確、詳盡、直觀的BIM正向設計。整個系統(tǒng)主要包括設計管理、通用設計、洞身設計、洞口設計、特殊設計和設計輸出等6個模塊。

4.1 設計管理

系統(tǒng)管理員可為設計人員分配初始設計賬號及權限，設計人員登錄后，自動分配線路及工點權限，進而精確分配相應的系統(tǒng)功能權限，并可通過后臺管理系統(tǒng)管理用戶行為、記錄重要節(jié)點，將數(shù)字化、信息化應用到設計階段，從而實現(xiàn)設計過程的可視化管控。此外，該模塊還可實現(xiàn)線路級別的設計信息錄入、導入和初始信息的設置。

4.2 通用設計

集成隧道正線、輔助坑道、附屬洞室等參數(shù)化輪廓設計功能，實現(xiàn)縱斷面設計的基礎參數(shù)配置和型鋼鋼架、格柵鋼架全流程設計，為后續(xù)開展洞身、洞口等工點設計奠定基礎。

（1）參數(shù)化輪廓設計。結(jié)合數(shù)值分析及斷面擬合成果，提取關鍵性參數(shù)，借助于隧道輪廓工具快速入庫標準化隧道斷面，在斷面錄入過程中，可查看參數(shù)示意圖也可實時預覽模型，入庫前程序?qū)喞M行自相交、規(guī)范性檢查，輔助對設計成果進行核驗。

（2）通用參數(shù)配置。開發(fā)襯砌通用參數(shù)的錄入工具，包括線間距、軌道板高度（分有砟、無砟）、道床排水、踏步等參數(shù)，便于后續(xù)正洞模型生成時調(diào)用；允許在輪廓界面自定義有砟、無砟形式，定義過渡段襯砌的軌道板高度，大大提升了程序的靈活性、通用性；實現(xiàn)施組速度的標準值、折減值的前期配置；規(guī)定了電分相、絕緣關節(jié)等區(qū)間構成，實現(xiàn)標準錨段參數(shù)的配置，便于后期順利開展縱斷面設計。

（3）鋼架設計。開發(fā)從節(jié)點板定義、參數(shù)化輪廓生成、模型初始化、節(jié)點布置的全流程型鋼/格柵鋼架設計工具，支持可視化的交互方式，極大提升用戶體驗，設計完成后設計信息存入數(shù)據(jù)庫，為參考圖出圖打下基礎。

4.3 洞身設計

（1）隧道襯砌分段設計。隧道襯砌分段是洞身設計的關鍵環(huán)節(jié)，繼承傳統(tǒng)二維圖設計的思路，利用ORD的二次開發(fā)技術，通過人機交互式操作，實現(xiàn)基于圍巖分段的縱斷面快速分段、插入、移動、合并、修改，以及段落工法和支護的自動更新等縱斷面基礎設計功能（見圖4）；通過調(diào)用預先設置的下錨段參數(shù)，自動計算對應錨段，完成錨段半自動化設計；自動調(diào)取預先配置的線間距參數(shù)，結(jié)合襯砌斷面參數(shù)化輪廓，快速實現(xiàn)襯砌斷面加寬設計；根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的不良地質(zhì)、涌水等基礎信息，實現(xiàn)一鍵縱斷面特殊信息設計。該模塊還具備線間距、不良地質(zhì)、數(shù)據(jù)線等表格的一鍵輸出功能，實現(xiàn)不同比例尺、表格行的快速調(diào)整出圖。

圖4 隧道縱斷面設計

（2）附屬硐室設計。在完成隧道分段設計后，即可開展附屬洞室布置，通過設置間距、洞室類型等參數(shù)，批量布置附屬洞室，程序可通過算法自動避讓施工縫、襯砌交界面、其他硐室結(jié)構，自動計算出最優(yōu)硐室布置方案。設計完成后，可一鍵完成硐室平面圖繪制及硐室表生成。

4.4 洞口設計

受限于地質(zhì)專業(yè)提資，傳統(tǒng)二維設計中洞口里程斷面基本由相鄰具備勘察數(shù)據(jù)的斷面推測得到，而洞口BIM設計優(yōu)化了該類斷面的生成，并將三維設計理念應用至截水天溝、擋墻、邊仰坡等設計，較大地提升洞口設計的準確性和合理性，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)共享的價值。

（1）里程確定。支持查看任意里程的橫斷面切圖，并支持里程動態(tài)調(diào)整，輔助設計人員快速、準確地確定洞口、明暗分界等關鍵里程，實現(xiàn)從近似設計到精細化設計的轉(zhuǎn)變。

（2）截水天溝設計。設計人員可依據(jù)經(jīng)驗手動繪制平面樣條曲線生成截水天溝，也可根據(jù)提取的邊仰坡邊界線快速生成，設計過程中實時顯示積水坑的數(shù)量及位置，并從截面庫中選擇天溝截面快速調(diào)整天溝形式，使截水天溝設計更加科學、合理。

（3）擋墻設計。預設高度位于4～10 m的截面參數(shù)，并支持局部參數(shù)修改，通過選擇墻頂定位點，即可快速完成擋墻設計工作。在設計完成后，設計人員可雙擊模型，修改擋墻參數(shù)實現(xiàn)設計成果的快速修改。

（4）邊仰坡設計。通過可視化工具進行邊仰坡截面設計，并將截面參數(shù)存入后臺數(shù)據(jù)庫，可供其他設計人員參考；截面設計完成后，通過選擇地形、邊仰坡起止點快速生成邊仰坡模型，還可借助于邊仰坡順接工具，快速生成完整的邊仰坡模型。設計完成后，結(jié)合三維地形模型可生成開挖體、快速測量開挖方量。

4.5 特殊設計

長大隧道、重難點隧道還包括施組、碴場、通風、防災救援等特殊設計，目前基本實現(xiàn)了施組、碴場的快速設計，后續(xù)將持續(xù)研發(fā)通風、防災救援等其他特殊設計功能。

（1）施組設計。讀取預先配置的施組速度、折減數(shù)據(jù)，程序會自動結(jié)合工點圍巖、襯砌分段等因素給出推薦的工點施組方案，用戶通過編輯施組功能開展深入的施組設計。該模塊具備交匯面快速求解（見圖5）、施組線自動繪制、平導施組繪制、輔助坑道快速增設、施組圖一鍵繪制等功能，可輔助設計人員快速、準確地完成施組設計。

圖5 施工交匯面求解

（2）碴場設計。用戶可結(jié)合自身經(jīng)驗繪制初始碴場平面線，設計碴場堆放范圍（封閉線框），根據(jù)地形條件設計碴場擋墻形式、高度、厚度等，結(jié)合三維地形、碴場支檔結(jié)構等生成三維模型，并快速計算碴場方量，供設計人員校核碴場設計的合理性，最終一鍵生成碴場剖面圖和工程量。

4.6 設計輸出

設計輸出模塊主要規(guī)劃了二維出圖功能、工程量輸出功能、三維模型生成功能，以滿足后續(xù)對參建各方的設計交付。

（1）二維出圖。通過選擇圖紙尺寸及圖紙審查級別自動生成參數(shù)化的設計圖框，程序根據(jù)登錄信息自動填寫圖框中相關內(nèi)容；實現(xiàn)縱斷面的標準化出圖，可在洞身縱斷面設計成果的基礎上動態(tài)調(diào)整出圖內(nèi)容，滿足出圖要求。

（2）工程算量。通過導入計算EXCEL，關聯(lián)數(shù)據(jù)庫隧道信息，完成區(qū)段、工區(qū)隧道算量，計算成果保存至數(shù)據(jù)庫，可輸出為EXCEL和CAD、ORD圖表。后續(xù)擬將工程量計算方法、公式封裝為方法，便于算量程序靈活調(diào)用，徹底脫離外部文件（如EXCEL）的限制。

（3）三維建模。在隧道洞身、洞口設計完成后，可利用洞身批量生成工具快速建立正洞、附屬硐室、輔助坑道等模型。隧道BIM正向設計軟件從數(shù)據(jù)庫自動讀取縱斷面設計成果，自動計算起止里程的長度，核對段落長度等信息，輔助設計人員快速建立洞身模型，并自動完成交叉構件之間的布爾運算（如附屬硐室與正洞之間的剪切計算）。實現(xiàn)一鍵式生成標準襯砌段落的精細模型，包括超前支護、初期支護（鋼架、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)）、二次襯砌（模筑混凝土、鋼筋）等，其精度可達到LOD400（見圖6）。

圖6 標準襯砌段落精細模型

5 結(jié)束語

通過近兩年在成渝中線、西昆線以及某復雜艱險山區(qū)鐵路中的應用與完善，隧道BIM正向設計標準、模板庫、設計輔助系統(tǒng)逐步趨于穩(wěn)定和成熟。大量隧道BIM正向設計工作的開展，顯示了隧道BIM正向設計具有傳統(tǒng)二維設計難以企及的優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，雖然我國高速鐵路隧道工程仍以二維設計為主，但隨著BIM正向設計技術研究逐步深入，BIM技術必將逐步取代二維設計。其后續(xù)發(fā)展主要包含以下3個方面：

（1）標準體系逐步完善。將建立高速鐵路各專業(yè)系統(tǒng)、科學的標準體系，實現(xiàn)規(guī)范化專業(yè)建模、模式化專業(yè)接口、明確性各方交付物，為鐵路全專業(yè)BIM正向設計鋪平道路。

（2）標準族庫逐步豐富。隨著試點項目應用的深入，標準族庫將逐步豐富，與標準的結(jié)合度也越來越高，從而形成規(guī)范、實用的族庫，再結(jié)合族庫管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用，使高速鐵路隧道BIM設計變得更加便捷、準確。

（3）BIM正向設計系統(tǒng)迭代更新。BIM正向設計系統(tǒng)的研發(fā)周期較長，需要較多的試點應用對其加以驗證，每項功能都需要在實踐中迭代更新，從而保證對內(nèi)設計成果的準確性和對外交付數(shù)據(jù)的完備性。