BIM技術(shù)在明挖隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

馮山群

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 360251）

近年來(lái)，隨著鐵路BIM聯(lián)盟的成立，依托中國(guó)鐵路總公司（簡(jiǎn)稱總公司）BIM試點(diǎn)項(xiàng)目，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。在總公司BIM試點(diǎn)項(xiàng)目中，隧道項(xiàng)目主要為山嶺隧道，隧道BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用也主要依托山嶺隧道展開，針對(duì)這種情況，依托京雄鐵路機(jī)場(chǎng)隧道項(xiàng)目，開展了BIM技術(shù)在明挖隧道設(shè)計(jì)中的研究應(yīng)用。

1 基于BIM的明挖隧道設(shè)計(jì)流程

與暗挖山嶺隧道相比，基于BIM的明挖隧道設(shè)計(jì)由于涉及隧道開挖及圍護(hù)，設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)思路均有較大變化。對(duì)于明挖隧道，主體工程主要包括隧道結(jié)構(gòu)、隧道開挖以及隧道圍護(hù)。在BIM環(huán)境下，為了在提高建模效率的情況下又能快速進(jìn)行方案的比選，明挖隧道各部分模型的建立，既要考慮設(shè)計(jì)過(guò)程的邏輯性，又要考慮模型的聯(lián)動(dòng)性[1-4]。

在明挖隧道施工過(guò)程中，首先進(jìn)行開挖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，之后才開展隧道結(jié)構(gòu)的施工。但在BIM設(shè)計(jì)中，由于開挖面的斷面尺寸與隧道結(jié)構(gòu)有關(guān)，為了保證模型間的聯(lián)動(dòng)性，首先進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行開挖面設(shè)計(jì)；同理，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)與開挖面有關(guān)，需在進(jìn)行完開挖面設(shè)計(jì)后再開展圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

綜上所述，制訂明挖隧道B I M設(shè)計(jì)流程（見圖1），主要包括：三維線位、地形、地質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析；隧道縱向段落劃分，生成隧道結(jié)構(gòu)骨架；建立隧道結(jié)構(gòu)模板，生成隧道結(jié)構(gòu)模型；依托隧道結(jié)構(gòu)模型生成隧道開挖面骨架；應(yīng)用隧道開挖功能模塊生成隧道開挖面模型；依托隧道開挖面模型生成隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)骨架；建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)模板，生成圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型；根據(jù)隧道開挖信息反饋，優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]。

2 基于BIM的明挖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BIM的明挖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與暗挖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程基本一致，其設(shè)計(jì)流程主要包括：提取地質(zhì)信息，生成隧道縱斷信息；依托縱斷信息生成隧道結(jié)構(gòu)骨架；建立隧道結(jié)構(gòu)模板；實(shí)例化模板生成隧道結(jié)構(gòu)模型；模型后期處理。在建模過(guò)程中，對(duì)隧道骨架及隧道模型進(jìn)行參數(shù)化處理，極大提高了模型的建立、修改以及方案優(yōu)化效率。明挖隧道結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖1 明挖隧道BIM設(shè)計(jì)流程

3 基于BIM的明挖基坑開挖面設(shè)計(jì)

基于BIM的明挖基坑開挖面設(shè)計(jì)為明挖隧道所特有，其設(shè)計(jì)流程主要包括：根據(jù)隧道埋深及地質(zhì)情況確定不同段落隧道開挖參數(shù)；基于隧道結(jié)構(gòu)模型生成開挖面骨架；應(yīng)用隧道開挖功能模塊分別生成不同段落隧道開挖面模型[6]。

隧道開挖功能模塊為二次開發(fā)成果，此模塊綜合考慮了放坡開挖、圍護(hù)樁開挖以及“放坡+圍護(hù)樁”開挖等多種常見開挖方法，實(shí)現(xiàn)了同一模塊不同開挖情況的參數(shù)化設(shè)計(jì)，開挖面與地形面自適應(yīng)，可快速進(jìn)行方案比選，真正實(shí)現(xiàn)了隧道開挖正向設(shè)計(jì)。此外，由于開挖面基于隧道結(jié)構(gòu)生成，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整時(shí)，開挖面聯(lián)動(dòng)調(diào)整，極大提高了模型的建立、修改以及優(yōu)化效率[7-8]。明挖基坑開挖面模型見圖3。

圖2 明挖隧道結(jié)構(gòu)模型

圖3 明挖基坑開挖面模型

4 基于BIM的明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BIM的明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣為明挖隧道所特有，其主要設(shè)計(jì)流程包括：根據(jù)開挖及地質(zhì)情況確定不同段落隧道支護(hù)參數(shù)；基于隧道開挖面模型生成隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)骨架；建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)模板，生成圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型；對(duì)于有內(nèi)支撐的情況需基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型生成內(nèi)支撐骨架；建立內(nèi)支撐模板，生成內(nèi)支撐模型。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型體量較大，為了便于方案比選，需實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)骨架及模型的參數(shù)化，此外，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型基于開挖面模型生成，而開挖面模型又基于隧道結(jié)構(gòu)模型生成，所以當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)或開挖面模型調(diào)整時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型聯(lián)動(dòng)，極大提高了模型建立、修改以及優(yōu)化效率。明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型見圖4。

5 基于BIM的路隧接口設(shè)計(jì)

路隧接口設(shè)計(jì)是專業(yè)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，在本項(xiàng)目中，通過(guò)參數(shù)化的方法實(shí)現(xiàn)了路隧接口位置的比選[9]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，隧道、路基設(shè)計(jì)在同一環(huán)境下開展，隧道專業(yè)首先發(fā)布隧道缺口，路基專業(yè)基于此缺口開展本專業(yè)設(shè)計(jì)，當(dāng)隧道缺口里程調(diào)整時(shí)，路隧接口位置聯(lián)動(dòng)。京雄鐵路路隧接口模型見圖5。

此外，本項(xiàng)目還將工程數(shù)量植入了隧道、路基模型，當(dāng)隧道缺口位置調(diào)整時(shí)，不僅隧道、路基模型聯(lián)動(dòng)，工程數(shù)量也同步更新，實(shí)現(xiàn)了基于安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等多方面的路隧接口位置的合理性判斷，對(duì)更科學(xué)的確定路隧接口位置意義重大[10]。隧道襯砌工程數(shù)量見圖6。

圖4 明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

圖5 京雄鐵路路隧接口模型

圖6 隧道襯砌工程數(shù)量

6 結(jié)束語(yǔ)

基于京雄鐵路機(jī)場(chǎng)隧道項(xiàng)目，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)明挖隧道結(jié)構(gòu)、明挖基坑開挖面、明挖基坑圍護(hù)以及路隧接口設(shè)計(jì)開展深入研究，摸索出一條適用于明挖隧道的BIM設(shè)計(jì)流程，在某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了真正意義上的正向設(shè)計(jì)，促進(jìn)了BIM技術(shù)在隧道領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)基于BIM的鐵路工程正向設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。