BIM技術(shù)在公路隧道設(shè)計中的應(yīng)用

周東迎

摘要：文章引用BIM技術(shù)針對隧道地質(zhì)、交叉口、洞口等設(shè)計難題，指導(dǎo)并優(yōu)化設(shè)計，提出了目前BIM技術(shù)在隧道工程中的問題及建議，為BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);公路隧道;軟件;三維設(shè)計

中國分類號：U452文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

廣西地處西南邊陲，經(jīng)濟發(fā)展落后，以前的公路修建多是以繞行山體或圍繞山體修建盤山公路為主，公路工程填挖方嚴重。隨著國家以及廣西經(jīng)濟的發(fā)展，隧道修建日漸提上日程。隧道工程是公路工程建設(shè)中的重點和難點，需要配合各專業(yè)相互銜接、協(xié)同。傳統(tǒng)的二維設(shè)計在信息傳遞方面存在天然劣勢，專業(yè)之間的溝通協(xié)調(diào)、設(shè)計與施工到運維之間的技術(shù)交底及信息傳遞不暢，這對公路工程項目建設(shè)各階段都造成了一定程度的影響。而具有可視化、協(xié)調(diào)性、可出圖性等特點的BIM技術(shù)，能夠有效解決這些問題。本文以廣西區(qū)都巴高速公路發(fā)瑞隧道BIM設(shè)計為例，探討B(tài)IM技術(shù)在公路隧道設(shè)計中的應(yīng)用。

1 BIM概述

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，最開始是由美國查爾斯·伊斯曼教授[1]在46年前提出的，他認為傳統(tǒng)的建筑圖紙存在多余的信息，且在數(shù)據(jù)傳遞過程中有可能造成傳遞缺失，由此，他提出了建筑描述系統(tǒng)，這被認為是BIM的起源。截止到目前美國對BIM研究已經(jīng)較為廣泛深入[2]。

我國最早引入BIM理念的是建筑行業(yè)[3]，BIM技術(shù)在許多國內(nèi)大型項目中已率先展開應(yīng)用，如紹興體育場、上海國際金融中心、昆明滇池國際會展中心、深圳美術(shù)館新館[4-6]等多個國家的重點項目中?；贐IM技術(shù)的可視化、可出圖、協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計等[7]特點，交通工程行業(yè)也逐漸開始引入BIM技術(shù)進行項目管理、設(shè)計、運維等。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，它也開始滲透到設(shè)計人員的設(shè)計理念中，慢慢改變施工人員的施工模式、運維管理人員的管理方式，引領(lǐng)交通行業(yè)邁入現(xiàn)代化建設(shè)的浪潮。

2 BIM技術(shù)在國內(nèi)隧道設(shè)計中的應(yīng)用情況

雖然BIM技術(shù)在我國的應(yīng)用已經(jīng)很多，但大多集中在建筑行業(yè)，在隧道工程中的應(yīng)用還不算多，但國內(nèi)隧道同仁們逐漸開始對城市隧道及地鐵、鐵路隧道開展BIM應(yīng)用。例如李坤[8]將BIM技術(shù)在地鐵車站建模、計算及工程量統(tǒng)計中成功應(yīng)用。朱偉南[9]在楊高路跨線隧道運用達索平臺進行協(xié)同設(shè)計、建模管理、統(tǒng)計工程量等。李君君等[10]在石鼓山隧道中運用BIM技術(shù)進行隧道3D設(shè)計，從模型建立到附屬信息、工程量統(tǒng)計、二維出圖，在鐵路隧道設(shè)計方面提出了一套三維解決方案。

BIM技術(shù)在國內(nèi)隧道的應(yīng)用大多集中在市政隧道、地鐵、鐵路隧道，在公路隧道設(shè)計中的應(yīng)用還不多，這也跟BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用較少有關(guān)。本文結(jié)合同行們的經(jīng)驗，針對公路隧道技術(shù)特點，運用BIM技術(shù)對發(fā)瑞隧道進行地質(zhì)建模、洞門設(shè)計、隧道交叉口設(shè)計等研究。

3 軟件平臺

3.1 歐特克（Autodesk）公司平臺軟件

Autodesk平臺以InfraWorks 360和AutoCAD Civi 3D土木工程設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，能夠建立一套面對公路工程，包含道路、橋梁、隧道等全要素全生命周期的信息模型，并兼有Autodesk Revit軟件，在建筑行業(yè)的應(yīng)用比較豐富。

3.2 達索（Dassault）公司平臺軟件

達索平臺適用于復(fù)雜造型、大體量項目管理與設(shè)計，它具有曲面建模、參數(shù)化建模等功能，為各專業(yè)設(shè)計人員提供了豐富的設(shè)計及建模手段，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜空間造型、模擬分析等多種設(shè)計功能，幫助設(shè)計人員提高設(shè)計效率和質(zhì)量。借助ENOVIA協(xié)同設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)平臺的并發(fā)式設(shè)計，提高設(shè)計和管理效率。

3.3 同豪土木公路BIM正向設(shè)計系統(tǒng)

上海同豪土木工程咨詢有限公司針對公路工程項目特點，開發(fā)了BIM正向設(shè)計軟件，包含路線、橋涵、隧道等九大子系統(tǒng)。系統(tǒng)充分考慮了建模需求和設(shè)計習(xí)慣，使設(shè)計師基于軟件進行項目正向設(shè)計、建模和出圖。

3.4 本特利（Bentley）平臺

基于Bentley平臺，在ProjectWise軟件下集成Microstation、Prostructure、PowerCivil等軟件建立的模型，在ProjectWise平臺下，使設(shè)計師們能夠在一個統(tǒng)一的平臺下管理各種軟件，建立工程模型，包括道路、橋梁、邊坡、隧道、路線交叉、景觀綠化等，真正實現(xiàn)了項目團隊協(xié)同設(shè)計。Bentley軟件還可以生成imodel輕量模型，并通過Navigator軟件，對模型進行審查，實現(xiàn)了各專業(yè)各參與方的BIM三維協(xié)同設(shè)計。

本文采用Bentley軟件平臺作為基礎(chǔ)平臺，對發(fā)瑞隧道進行BIM建模及應(yīng)用。

4 發(fā)瑞隧道BIM應(yīng)用分析

4.1 項目概況及難點

發(fā)瑞隧道是都安至巴馬高速公路最長的一座隧道，長度為5 329.5 m，位于河池市大化瑤族自治縣江南鄉(xiāng)發(fā)瑞村北西側(cè)約600 m，采用分離式隧道。隧道建成后將是廣西最長隧道，其隧道設(shè)計包含諸多難點：（1）隧道屬特長隧道;（2）地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶、裂隙發(fā)育，對隧道結(jié)構(gòu)安全危害極大;（3）隧道交叉口多且復(fù)雜，圍巖應(yīng)力大，設(shè)計和施工難度大。針對項目特點和難點，充分利用BIM技術(shù)優(yōu)勢建立模型，優(yōu)化設(shè)計。

4.2 模型建立

（1）建立地質(zhì)模型。導(dǎo)入鉆孔底層數(shù)據(jù)，針對隧道地形陡峭、鉆孔數(shù)量少的問題，建立虛擬鉆孔，提取出每個地層在鉆孔中的位置關(guān)系點，分別構(gòu)建對應(yīng)巖體及地面層，如圖1所示。

[JZ][XCLL38.TIF][TS（][HT9.H][JZ]圖1 發(fā)瑞隧道地質(zhì)模型圖[TS）][KH-*1]

（2）基于Bentley PowerCivil軟件，建立路線文件，并在CivilStation designer軟件中批量生成隧道橫斷面模板，同時基于路線文件，生成廊道，引用隧道橫斷面模板（如圖2所示），批量生成隧道模型。對于橫斷面模板可做成參數(shù)化模板庫，便于后期模型修改及更新。基于不同圍巖的橫斷面模板，對隧道采用各級圍巖襯砌支護形式，可視化展示隧道結(jié)構(gòu)。

（3）傳統(tǒng)的二維設(shè)計對交叉口鋼筋、型鋼的表達不夠直觀，工程量計算不夠精確，通過三維構(gòu)建交叉鋼筋、型鋼等模型，設(shè)計交叉口并精確統(tǒng)計工程量，從而實現(xiàn)不同襯砌類型、交叉口、橫通道等精準銜接，解決了隧道二維設(shè)計時結(jié)構(gòu)構(gòu)件難以表達的難題。如圖3所示。

（4）建立隧道洞口模型。由于本隧道復(fù)雜的地質(zhì)、地貌條件，在研究開挖邊仰坡的穩(wěn)定性以及洞口山體對排水的需求后，建立隧道洞口三維地質(zhì)模型（如圖4所示），可以直觀地觀察隧道洞口邊仰坡高度、坡度，按照“早進晚出”的原則確認隧道口所在位置，選擇合適的洞門型式。這比傳統(tǒng)的二維設(shè)計更加精準，并能減少重復(fù)設(shè)計工作。

4.3 總結(jié)

發(fā)瑞隧道目前主要在設(shè)計階段采用了BIM技術(shù)，建立了隧道整體結(jié)構(gòu)模型及復(fù)雜節(jié)點的詳細設(shè)計模型，方便設(shè)計交底及施工。

（1）目前，針對公路及隧道工程應(yīng)用BIM技術(shù)所要交付內(nèi)容還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準[11]，項目的不同參與方無法形成統(tǒng)一的架構(gòu)體系，這嚴重阻礙了BIM技術(shù)的發(fā)展，也無法發(fā)揮BIM全生命周期的優(yōu)勢。建議下一步建立國內(nèi)統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準體系。

（2）目前的BIM應(yīng)用還遠未達到全員使用的程度[12]，BIM技術(shù)作為一個工具，只有在項目前期、設(shè)計、施工、運維都使用BIM技術(shù)的情況下才能發(fā)揮它的最大價值。而國內(nèi)交通工程BIM應(yīng)用采用多種軟件平臺，例如Autodesk平臺、Bentley平臺、CATIA平臺等，設(shè)計、施工等項目參與方采用的軟件平臺多有不同，各種軟件平臺之間的信息交互無法保證信息的完整。建議下一步針對交通工程及隧道應(yīng)用技術(shù)特點，統(tǒng)一軟件平臺，加大人員使用力度。

（3）隧道結(jié)構(gòu)與地質(zhì)情況息息相關(guān)，隧道設(shè)計及施工也是根據(jù)地質(zhì)情況時有變化，而目前主要是在設(shè)計階段主導(dǎo)BIM技術(shù)應(yīng)用，項目業(yè)主、設(shè)計、施工之間的銜接不暢，阻礙了隧道工程BIM技術(shù)的發(fā)展。下一步建議改變現(xiàn)有的管理模式，采用以項目業(yè)主為主導(dǎo)，設(shè)計、施工為輔助的BIM技術(shù)管理新模式，充分利用BIM技術(shù)的各項優(yōu)勢。

6 結(jié)語

通過在實際項目中運用BIM進行隧道三維設(shè)計，擺脫了二維設(shè)計交叉口等表述不清的難題，圖紙更加精細準確，減少設(shè)計變更，對設(shè)計進行優(yōu)化，進一步提高了設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)了重要的經(jīng)濟和技術(shù)效益。

BIM技術(shù)的發(fā)展過程中雖然存在諸多問題，但是隨著BIM應(yīng)用軟件的不斷開發(fā)，以及設(shè)計人員的不斷努力，逐步引導(dǎo)建立BIM應(yīng)用標(biāo)準，BIM技術(shù)在公路隧道甚至交通工程中的應(yīng)用將不斷得以完善，將不斷地促進BIM技術(shù)在整個交通及建筑行業(yè)的發(fā)展。

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