BIM技術(shù)在高速公路隧道正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黎宣伯，鄧祥明

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 河池 547200)

0 引言

目前公路隧道工程的設(shè)計(jì)基本是借助CAD 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，最終成果是以二維圖紙的形式來(lái)傳遞，難以將設(shè)計(jì)成果進(jìn)行可視化展示，由此會(huì)出現(xiàn)各階段之間、各專(zhuān)業(yè)之間設(shè)計(jì)信息不對(duì)稱(chēng)，設(shè)計(jì)意圖表達(dá)不明確等問(wèn)題[1]。BIM技術(shù)可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)行三維數(shù)字化建模，形成高精度實(shí)景模型，使設(shè)計(jì)成果更加直觀，更加合理。雖然BIM技術(shù)有了高速的發(fā)展并被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但是傳統(tǒng)的BIM技術(shù)在高速公路隧道設(shè)計(jì)的應(yīng)用大多數(shù)停留在三維模擬演示及宣傳層面，并不能實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)，針對(duì)該情況，本文依托南丹至天峨下老高速公路項(xiàng)目，探索BIM技術(shù)在高速公路隧道正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

南丹至天峨下老高速公路項(xiàng)目采用山嶺重丘區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)，所在區(qū)域地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，穿越高山峽谷，地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)采集困難。本項(xiàng)目全長(zhǎng)104.9 km，橋隧比為74%，其中設(shè)置隧道30座，隧道比高達(dá)46%，包含廣西在建長(zhǎng)度第一的公路隧道——燕來(lái)隧道，廣西第一座隧道匝道互通——下老互通。

2 應(yīng)用過(guò)程

2.1 技術(shù)路線

BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)應(yīng)用分為兩個(gè)階段，第一階段是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，第二階段是三維建模設(shè)計(jì)，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2 BIM平臺(tái)的選擇

高速公路項(xiàng)目涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)，專(zhuān)業(yè)間聯(lián)系頻繁，各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域需要協(xié)同設(shè)計(jì)?！豆饭こ淘O(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)》基于GIS、BIM和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，能提供一整套全流程、全專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化、信息化、智能化的公路工程設(shè)計(jì)與管理的集成式解決方案，并為BIM在施工和運(yùn)維中的應(yīng)用及價(jià)值挖掘提供了平臺(tái)和數(shù)據(jù)支撐。該軟件針對(duì)公路工程設(shè)計(jì)全周期，具有專(zhuān)業(yè)全面性、參數(shù)化聯(lián)動(dòng)、三維可視化、一鍵出圖、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)思想、平臺(tái)兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，系統(tǒng)支持多種平臺(tái)數(shù)據(jù)、模型的互導(dǎo)，增強(qiáng)各平臺(tái)的交流，使設(shè)計(jì)更全面。故本項(xiàng)目選擇《公路工程設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)-隧道子系統(tǒng)》作為技術(shù)支持。

2.3 BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

BIM三維建模前提是建立三維數(shù)字地面模型。利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)高速公路沿線進(jìn)行航拍，獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，并通過(guò)ContextCapture進(jìn)行空三加密運(yùn)算，生成高精度的三維地形模型和三維數(shù)字模型。本項(xiàng)目采用目前公路行業(yè)中精度最高的測(cè)繪地形方式——激光雷達(dá)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集，保證項(xiàng)目的精度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維數(shù)字地面模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)字地面模型圖

2.4 隧道BIM模型的建立

隧道BIM建模過(guò)程主要如下：建立零件庫(kù)，設(shè)定材料參數(shù)；然后建立標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，設(shè)定隧道結(jié)構(gòu)尺寸；調(diào)用零件庫(kù)賦予各結(jié)構(gòu)相應(yīng)的材料；最后建立隧道項(xiàng)目模型，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的模塊，賦予隧道相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成隧道BIM建模。

2.4.1 建立零件庫(kù)

零件庫(kù)是隧道BIM建模的前提，軟件零件庫(kù)包含隧道各結(jié)構(gòu)所用的材料，如混凝土、水泥砂漿、鋼筋、鋼管、錨桿、鋼筋網(wǎng)、防排水材料、鋼架材料、回填材料等。建立零件庫(kù)，并賦予這些材料具體的參數(shù)，方便后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)調(diào)用。

2.4.2 建立標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

隧道BIM模型的核心是建立標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)包含明洞襯砌、套拱、超前支護(hù)、襯砌類(lèi)型、緊急停車(chē)帶、橫通道、防排水、路面、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)等標(biāo)準(zhǔn)模塊。對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)定構(gòu)件尺寸，調(diào)用零件庫(kù)中的材料，進(jìn)行構(gòu)件材料參數(shù)化，形成隧道每延米模型。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的建立，為隧道模型的建立提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)模塊。隧道每延米模型如圖3所示。

圖3 隧道每延米模型圖

2.4.3 建立模型

利用《公路工程設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)-隧道子系統(tǒng)》，導(dǎo)入緯地格式的項(xiàng)目文件，建立隧道項(xiàng)目文件。針對(duì)項(xiàng)目文件中的每個(gè)隧道，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的模塊，賦予各隧道明洞、洞身襯砌、橫通道等參數(shù)，從而完成隧道BIM建模。建模完成后，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)一步修改隧道明洞、洞身襯砌、橫通道等模塊參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.5 應(yīng)用實(shí)例

2.5.1 洞口設(shè)計(jì)

進(jìn)行洞口設(shè)計(jì)時(shí)，只需選擇合理的洞口樁號(hào)、暗洞樁號(hào)及明洞類(lèi)型，軟件自動(dòng)求解隧道模型與三維地面模型開(kāi)挖情況，自動(dòng)生成開(kāi)挖邊仰坡，然后設(shè)計(jì)洞門(mén)墻斷面參數(shù)、洞口邊坡參數(shù)、邊坡防護(hù)參數(shù)、回填信息、截水溝參數(shù)等，完成洞口設(shè)計(jì)。隧道洞口設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖4所示。

圖4 隧道洞口設(shè)計(jì)示例圖

2.5.2 洞身設(shè)計(jì)

隧道洞身設(shè)計(jì)主要包含隧道平面、縱斷面、橫通道等方面的設(shè)計(jì)。使用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一建導(dǎo)入地質(zhì)信息和三維地面模型，可以實(shí)時(shí)查看圍巖條件、隧道埋深、隧道凈距等信息，選擇合理的襯砌類(lèi)型，布置橫通道，完成洞身設(shè)計(jì)。隧道洞身設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5所示。

圖5 隧道洞身設(shè)計(jì)截圖

2.5.3 方案優(yōu)化

使用BIM技術(shù)建立三維隧道實(shí)景模型，使復(fù)雜的空間關(guān)系變成直觀的三維模型。設(shè)計(jì)時(shí)可實(shí)時(shí)展示隧道埋深、穿越地質(zhì)條件、線間距大小、洞口偏壓情況、洞口匯水情況等。通過(guò)直觀對(duì)比，選擇合理的隧道方案。利用BIM技術(shù)，對(duì)廣西第一座隧道匝道互通——下老互通進(jìn)行方案優(yōu)化，三維實(shí)景模型如圖6所示。

圖6 下老互通三維實(shí)景模型圖

2.5.4 特長(zhǎng)隧道的應(yīng)用

特長(zhǎng)隧道是制約項(xiàng)目工期的重要工程，準(zhǔn)確、合理的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目順利推進(jìn)的保障。利用BIM技術(shù)，對(duì)燕來(lái)隧道三維實(shí)景建模，導(dǎo)入地質(zhì)地形信息，準(zhǔn)確直觀判斷圍巖級(jí)別、深淺埋等信息，快速設(shè)置襯砌類(lèi)型，布置橫通道。常規(guī)的二維CAD設(shè)計(jì)一座特長(zhǎng)隧道需3 d，而利用BIM軟件設(shè)計(jì)，僅需1 d即可完成，且設(shè)計(jì)更合理、準(zhǔn)確，大大提高設(shè)計(jì)效率。另外，燕來(lái)隧道需要設(shè)置斜井來(lái)滿足隧道通風(fēng)需求和縮短工期，斜井位置盡量避開(kāi)居民區(qū)、學(xué)校等構(gòu)造物，同時(shí)兼顧方便布設(shè)場(chǎng)地、方便設(shè)置施工便道、長(zhǎng)度最短等要求，利用三維實(shí)景模型實(shí)時(shí)對(duì)比不同斜井位置，最終選擇最優(yōu)的斜井位置。燕來(lái)隧道精細(xì)化模型如圖7所示。

圖7 燕來(lái)隧道精細(xì)化模型圖

3 應(yīng)用成果

3.1 建立標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

通過(guò)工程實(shí)踐，建立了設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h的雙向四車(chē)道隧道標(biāo)準(zhǔn)模型，并形成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，包含正常明洞、偏壓式明洞、半明半暗明洞等類(lèi)型，今后同等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目可直接調(diào)用該標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，快速建模設(shè)計(jì)。

3.2 實(shí)現(xiàn)工程量自動(dòng)計(jì)算

隧道BIM建模過(guò)程中，軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量，工程量與模型聯(lián)動(dòng)，當(dāng)模型參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，工程數(shù)量表實(shí)時(shí)更新。軟件生成某隧道洞口工程數(shù)量如表1所示。

表1 洞口工程數(shù)量表

3.3 實(shí)現(xiàn)二維出圖

完成隧道建模設(shè)計(jì)后，軟件可一鍵生成隧道洞口設(shè)計(jì)圖、隧道平面設(shè)計(jì)圖、隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖、橫通道設(shè)計(jì)圖等二維圖紙，圖紙經(jīng)少量修改后達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)。

3.4 實(shí)現(xiàn)模型交付

隧道三維實(shí)體BIM模型包含隧道洞口設(shè)計(jì)、洞身設(shè)計(jì)、工程量等全方位設(shè)計(jì)信息，可以實(shí)現(xiàn)模型交付。成果數(shù)據(jù)支持多平臺(tái)協(xié)調(diào)共享，高質(zhì)量的模型能作為載體將工程數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行全生命周期的傳遞，方便建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位等查看模型，促進(jìn)項(xiàng)目管理體系的完善。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速公路隧道正向設(shè)計(jì)。本文通過(guò)BIM技術(shù)在下老高速公路中隧道正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用情況，得出以下結(jié)論：

(1)基于BIM技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字化建模，使隧道與山體之間錯(cuò)綜復(fù)雜的空間關(guān)系可視化，設(shè)計(jì)方案的展示更加直觀，避免傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)各專(zhuān)業(yè)之間溝通不暢造成工作量增加的問(wèn)題，減少返工。

(2)高速公路隧道實(shí)現(xiàn)真正意義上的正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二維圖紙出圖，能大大提高設(shè)計(jì)效率，解放生產(chǎn)力。

(3)應(yīng)用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)進(jìn)行方案研究和論證，提高了隧道方案的全面性和針對(duì)性，提升了設(shè)計(jì)精細(xì)度。

(4)應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行隧道工程量的自動(dòng)計(jì)算，能有效減少人為因素引起的誤差，使設(shè)計(jì)更加客觀，更加符合實(shí)際。