提出基于传统设计模式的铁路隧道洞身BIM设计方法，在BentleyORD平台进行二次开发，整合BIM设计信息集成、可视化等特点，提升纵断面设计效率、改善附属洞室方案布置
隧道洞身BIM设计概述
设计流程
自2013年BIM技术引入我国铁路工程行业，依托原中国铁路总公司16项BIM试点项目，行业内先后针对BIM技术标准、应用进行了多项探索。然而，针对铁路隧道工程设计阶段的BIM技术应用依旧缺乏正向设计解决方案，实际项目中仍以设计、翻模平行进行的模式开展。为此选择BentleyORD平台采用C++与C#混合编程的形式进行二次开发，遵循传统设计模式提出铁路隧道洞身BIM设计流程。
以三维线路、地形模型、地质体为基本设计数据，结合地质资料依次开展衬砌分段、工法分段及锚段插入、洞室布置等，纵断面设计依据传统设计方式，在二维纵断面图表中以交互形式进行设计，同时实现数据库、二维设计数据、三维设计模型的动态同步建立。依据设计数据实现工程量的自动计算，在洞身工点设计与工程量统计的基础上完成部分洞身设计图表的输出。设计过程中，利用隧道模型及其附加信息开展隧道施工模拟、围岩及风险分布等隧道BIM综合应用辅助设计。
数据准备
通过线路设计工具对接线路数据库文件中的坡度表、曲线表及断链表等设计要素，生成隧道三维线路文件，该线路文件依据绝对坐标产生，因此基于该三维线路文件布置的隧道模型也具有真实坐标。
三维线路文件生成
地质信息模型采用EVS软件建立，由工程地质平面图、地质纵断面图、钻孔数据、物探数据等多源数据组成，保证专业数据的完备性和正确性。利用钻孔数据和地形数据进行初步岩性建模，根据岩性建模结果和区域地质情况分区域进行三维层序划分；根据层序划分结果进行地层建模，然后根据剖面数据、区域地质数据等进行模型修正和细化。得到成果模型后，对模型进行相关展示，并存储为所需格式。由EVS创建的模型也可导出为DGN、DWG、SHP等格式文件，在其他软件中打开操作和编辑，或整合其他地面数据信息。导出Bentley平台地质信息模型附加相关属性，为隧道洞身设计开展提供同平台基础数据。
地质信息模型生成与导出示意图
铁路隧道洞身BIM设计方法
标准断面库创建与维护
标准断面库创建分为两部分：一个是定义断面组成逻辑，另一个是逻辑结构下几何参数设置。首先根据项目需要选用数据库中的基础模板应用或在此基础模板上修改构成逻辑，构成逻辑包含基本逻辑和细节逻辑，基本逻辑是指单心圆、三心圆、五心圆等隧道内轮廓形式；细节逻辑是指某种轮廓形式下隧道组成方式，如组成逻辑中定义中心管为圆形则输入参数里中心管参数为半径、壁厚等，若组成逻辑中定义其为矩形则参数为宽、高及壁厚等，以图形选项的交互方式实现。
在定义好断面组成逻辑后，在预设参数基础上调整参数，完成定义不同类型断面形式，并按照《铁路工程信息模型存储标准（1.0版）》对断面中的结构单元添加通用属性信息。断面类型、参数与数据库同步，并检查重复和异常的参数项，检查通过后储存在标准断面数据库中供后续应用。
隧道标准断面创建
标准断面库维护可通过选择断面类型改变逻辑类型或调整参数，也可导入Excel批量修改多个断面参数。
纵断面设计
纵断面设计采用“二维设计—数据库集成—三维设计”同步开展的模式进行。初始化纵断面参数，根据选择隧道基础信息推荐默认比例尺及预设表头模型，选定参数后生成二维纵断面设计表格。由地质信息及数据库参数初始化表格自动生成的内容包括：根据围岩地质信息数据划分围岩分级、根据坡度表及竖曲线公式自动计算的设计高程及设计坡度、根据地质体模型及隧道进出口里程得出的地面高程、根据分段情况划分里程标注等。
纵断面联动设计
完成纵断面初始化后，通过插入、移动、合并、修改等基础设计工具对衬砌分段进行设计调整，该过程中二维设计结果与数据库实现数据同步，同时结合标准断面库与二维衬砌分段生成三维隧道洞身模型，实现“二维设计—数据库—三维设计”之间的关联。
三维洞身模型采用Mesh形式提高生成效率，结合地质体模型反映纵断面工点设计与隧道地层岩性分布、不良地质情况分布等地质信息间的空间关系，及时优化衬砌分段结果。在衬砌分段的基础上，选择更新功能，结合数据库中的“支护字典”实现对施工方法与超前支护的自动划分。在自动划分的基础上再对施工方法与超前支护进行二次划分，其中针对超前支护类型以附加信息的方式可以修改“每环根数”“每环管棚长度”“纵向间距”“延米注浆量”，为隧道洞身工程量计算提供基础数据。最后按照下锚段排布规则，以衬砌组的方式插入下锚段，插入下锚段继承原有衬砌基本类型。
附属洞室布置设计
对长度大于500m的铁路隧道，完成洞身衬砌分段后，均需进行附属洞室布置设计。根据隧道设计规范及设计原则中对避车洞、梯车洞、电缆余长腔等隧道中常规洞室的布置要求，按照一定间距进行常规洞室布置，在布置的同时参考衬砌分段结果，对部分洞室位置进行微调，避开衬砌分段、辅助坑道交叉口等位置，最后根据四电专业提资要求的特殊洞室位置布置特殊洞室，同时按照最优布置原则尽量使常规洞室与特殊洞室合并共用。特殊洞室布置完成后，将附属洞室布置数据存入纵断面设计数据库中，并在纵断面设计图上绘制附属洞室布置图及洞室表。
附属洞室布置流程
结合纵断面设计数据库中的洞室位置，通过各附属洞室标准单元库，在洞身模型上完成附属洞室模型的生成，并完成与正洞的剪切。
参考模型设计与工程量计算
隧道纵断面设计与附属洞室布置完成后，对数据完备性与正确性进行检查，检查通过后进入工程量计算阶段。为保证工程量计算结果能够满足设计要求，提供参考模型与工程量计算表2种算量模式。
参考模型是根据标准断面信息库数据，应用参数化建模和共享单元的方式建立长10m、精度达LOD350的参考模型。参考模型在准确表达参考图设计意图的同时，也将每延米隧道洞身工程量计算结果信息添加至对应构件，作为计算依据。参考模型与基本隧道模型拥有共同ID，通过该ID可在基本模型中查看参考模型的几何和非几何信息。调用与衬砌分段信息对应整个隧道洞身的标准断面类型、分段长度及每延米工程数据，可计算得到隧道洞身或部分工区的工程量。
参考模型小导管信息
工程量计算表的形式是导出数据库中纵断面设计所形成的工点数据，调用工程量计算表转译到程序内的计算公式，计算得出选定工区范围内工程量结果，并按相应格式输出Excel表格。若出现计算方式变化或需获取中间计算的情况，也可通过导入计算Excel表格的方式完成工程量计算。计算结果存储在数据库，以便完成相关图表数据的生成，同样也可导出含有计算结果的Excel表格，以传统方式完成相关工作。
铁路隧道洞身BIM应用方法
围岩及风险分布
隧道设计方案在三维场景中实时呈现可为隧道工点设计、参考图设计提供设计参考。隧道洞身BIM设计完成后，可结合GIS平台，利用BIM技术可视化、信息集成的特点，实现隧道设计方案的多方位展示与分析。在隧道地质体模型、三维线路模型基础上，读取数据库中的隧道设计信息，在GIS平台中动态生成简化隧道模型，并根据选择设计信息类型对简化隧道模型进行类别区分，可实现隧道围岩等级、隧道风险分布、衬砌类型、施工方法、超期支护措施等多类设计信息的可视化表达。输入里程桩号或选择衬砌段落，获取区间地质信息、隧道断面类型及相应参数，结合地质信息模型完成对隧道设计方案的辅助优化，同时在GIS平台三维场景中对隧道工程的工程概况、地质条件、设计方案、主要风险、技术支撑等信息进行管理和展示。
围岩等级分布
隧道风险分布
隧道施工组织模拟
传统二维设计中，隧道施工组织需进行抽象的进度计算和图形处理，难以直观反映隧道施工组织设计内容。利用BIM技术可实现隧道施工组织设计的控制，并为后续施工管理提供基础数据。导入BIM模型或在GIS平台中动态生成简化隧道模型，通过施工组织设计模块完成施工速度、施工时长的设置，再结合纵断面设计结果完成三维BIM构件的时间定义。在GIS平台中对BIM4D数据进行整合，完成三维构件定位及时间线关联，实现隧道施工组织动态模拟。
隧道施工组织动态模拟
利用该功能开展隧道施工组织会审，综合了隧址区三维地形、地质体模型及正洞与辅助坑道洞口倾斜摄影、主体结构等模型，结合计划进度指标、工期安排等信息，形象展示各工点施工范围、完成时间、贯通位置、洞口场地情况，为隧道施工组织提供会审服务。
基于Bentley平台研究了基于BIM技术的隧道洞身设计与应用方法，在Bentley原生功能基础上根据设计实际需求进行二次开发，通过“二维设计—数据库集成—三维设计”的模式开展铁路隧道洞身纵断面设计、附属洞室布置及工程量计算等工作。
现阶段基于BIM技术的隧道三维设计还不能完全取代传统二维设计方式，采用该模式在完成二维设计过程中同步完成隧道三维模型，利用BIM设计的信息集成、可视化等特点，实现提升纵断面设计效率、改善附属洞室方案布置、更新隧道施工组织方案设计思路。采用数据库的方式对二维设计信息及三维模型数据进行统一整合，避免传统设计中数据分散的问题，同时也为三维设计提供数据接口。
内容来源：
铁路BIM联盟成员单位——中铁二院工程集团有限责任公司
田明阳，曾昊，汪明，曹力.
基于BIM技术的铁路隧道洞身设计与应用方法研究[J].铁路技术创新.
（铁路BIM联盟文章，转发请注明出处）
转载请注明来源本文地址：https://www.tuituisoft/bim/21435.html