BIM技术在铁路隧道设计中的应用
2015年9月下第44卷第18期
施工技术
CONSTＲUCTION TECHNOLOGY
59
DOI ：10.7672/sgjs2015180059
BIM 技术在铁路隧道设计中的应用
*
王志杰，马安震
（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）
［摘要］我国铁路行业BIM 技术应用尚处于起步阶段，相关研究成果较少。BIM 技术能够为当前铁路高速发展形势下铁路工程工期、质量、技术的更高要求提供解决方案。阐述了BIM 技术的概念和优势、应用现状。结合BIM 软件，从模型架构设计、模型参数化设计、碰撞检查和二维出图等方面提出了隧道设计的技术路线。以某铁路隧道工程为例，详细介绍了基于CATIA 软件的BIM 技术在铁路隧道设计应用中的全过程，为推动BIM 技术在铁路行业的应用提供技术思路和理论参考。
［关键词］信息化；铁路；隧道；建筑信息模型［中图分类号］TU17
［文献标识码］A
［文章编号］1002-
8498（2015）18-0059-05BIM Technology and Its Application in the Ｒailway Tunnel Design
Wang Zhijie ，Ma Anzhen
（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering ，Ministry of Education ，Southwest Jiaotong University ，
Chengdu ，Sichuan 610031，China ）
Abstract ：The application of BIM technology is in its starting period in China leading to lack of relevant research results．The rapid development of high-speed railway makes higher requirements for construction duration ，quality and technology of the project ，which can be solved by BIM technology．The concept and advantages of BIM as well as its application status are stated in the paper．A novel technological route of tunnel design is proposed in terms of model architecture design ，model parametric design ，collision check ，two-dimensional drawing and so on．Taking a practical railway tunnel project as a case ，the whole process of BIM application in railway tunnel design based on CATIA is introduced．The paper aims at providing technical ideas and theoretical reference for the application of BIM in railway industry．Key words ：information ；railways ；tunnels ；building information modeling （BIM ）*中央高校基本科研业务费专项项目（SWJTU11ZT33）［作者简介］王志杰，教授，E-mail ：562426357@qq．com ［收稿日期］2015-01-22
引言
我国有四分之三左右的国土是山岭和重丘，在
土建工程中，修建隧道是保护自然环境，消除山地危害的主要解决手段，同时也是铁路建设的重点和难点。铁路建设是一个系统工程，需要各阶段相互衔接、各专业协同设计。传统的二维平面设计存在信息传递不畅，设计意图表达不明确，资源调配不均，设计成果不能有效服务于铁路运营维护等诸多问题。相比之下，近年来发展起来的建筑信息模型（building information modeling ，BIM ）技术能够有效地改善上述状况。因此，将BIM 技术应用于隧道工程建设是必要的。本文以BIM 技术在某双线铁路隧道设计中的应用为例，探讨说明了隧道BIM 技术
的设计思路。
1BIM 概述
BIM 是以三维数字模型为对象对项目进行设计、施工和运营的一项新技术。BIM 的思想产生于20世纪70年代［1］，其模型具有2个基本特点：①模型是真实工程体在虚拟空间的数字化展现，视觉效果真实强烈，符合工程人员的思维习惯；②信息是模型的灵魂，具有全过程的一致性和共享性，服务于工程建设的规划、设计、施工、运营的全生命周期。BIM 以工程项目的相关信息数据作为模型的基础，与传统的二维设计相比具有以下几方面优势
［2］
：①模型信息集成，解决了项目各参与方信息
交流不畅和信息断层问题；②模型参数驱动实现设
计自动化和智能化；③开放的数据接口可实现多种软件的信息互访；④综合协同的多维仿真平台实现项目参建各方的协同合作。
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2BIM技术在铁路行业的应用现状
我国铁路行业BIM技术应用尚处于起步阶段。2013年中国铁路总公司大力推动BIM技术在铁路工程建设中的应用，启动了铁路工程建设信息化关键技术的研究，并开展BIM技术的应用研究和配套标准的建立工作［3-4］。目前，国内各铁路局及铁路行业大型设计单位均有相关研究成果。例如中铁二院在宝兰客专石鼓山隧道中运用BIM三维设计，在西部某高速铁路中运用基于三维GIS平台的空间选线系统规划铁路的线路，线路规划完成后将其平、纵数据直接导入AutoCAD Civil3D软件，快速创建铁路路基三维模型，同时在车站、桥梁中实现了三维设计［5］。
3隧道BIM设计技术路线的提出
3.1软件平台
随着BIM的深入发展，国际上出现了种类繁多的BIM软件，大致可分为2类［6］：①创建BIM模型的软件包括BIM核心建模软件、BIM方案设计软件以及和BIM接口的几何造型软件；②利用BIM模型的软件包括可持续（绿色）分析软件、结构分析软件、造价管理软件等。BIM技术的应用要求若干软件协同，考虑模型后期应用时数据交换的完整性，建议选取具有系列性或兼容性好的软件。
本文选用CATIA V5软件作为隧道设计核心建模软件。此外，达索系统的规划管理软件Delmia、数据管理和设计支持系统Enovia、FEM软件ABAQUS 等的支持也使CATIA在隧道BIM设计应用中更有系统性。
3.2隧道BIM设计技术路线
1）模型架构设计隧道模型包含洞身和洞门。按施工分部进行划分，洞身（暗洞）分为超前支护、初期支护、二次衬砌和沟槽4部分，共包含30余个结构模型。对模型进行架构设计有以下优势：①模型有清晰的结构层次，易于修改、检查和浏览；②对模型特征树命名，通过制作隧道结构树并配置底层数据库方便模型信息的存储和提取。
2）模型参数化设计铁路隧道断面多是规范规定的标准断面，参数化设计可以实现不同断面模型的可视化修改，即模型的实时驱动修改。模型驱动的关键在于从实物中准确提取控制参数，并将控制参数与模型通过软件链接。
3）信息附加BIM软件均具有开放的数据，通过二次开发可为几何模型附加信息［7］。以超前管棚为例，在模型中可以清楚地了解管棚的设置范围、管径、管长、外插角、注浆类型和导向墙混凝土型号等信息。
4）碰撞检查可视化的三维模型可以进行碰撞检查。碰撞检查包含隧道内部结构的碰撞、管线与隧道结构的碰撞和管线之间的碰撞等。在设计阶段利用软件进行碰撞检查，及时调整设计，大量减少施工阶段的设计变更，极大地节约成本。
5）二维出图和工程算量BIM模型尚未完全应用于施工和运营维护阶段。利用三维模型生成可用于施工的二维图纸及工程量计算仍是现阶段BIM设计的重要任务。
6）模型后续利用隧道要进行结构稳定性、安全性分析，同时对防火、疏散、通风等功能要求较高。这些都基于专业的分析模拟软件，而BIM模型的建立有助于相关的分析研究。
综上，隧道BIM设计技术路线如图1所示
。
图1基于BIM的隧道设计技术路线
Fig．1Technical routes of tunnel design based on BIM
4工程设计应用实例
4.1工程概况
某双线铁路隧道工程全长4330m，最大埋深133m，最小埋深3m。隧址区地形起伏大，相对高差142m，且地表植被发育。洞身下穿3条较大沟谷，为Ⅴ，Ⅵ级围岩，水文地质条件复杂。结合隧道所处地形、地质条件，考虑施工工期、施工条件及运营期间救援疏散要求，采用2座无轨运输斜井辅助施工。施工难度大，不可预测因素多，属高风险隧道。隧道暗洞洞身采用Ⅴb，Ⅴe，Ⅴe-Ⅰ，Ⅴe-Ⅱ，Ⅵ-Ⅱ，Ⅵ-Ⅳ等多种衬砌形式。
4.2隧道BIM设计过程
隧道模型建立在线路模型与地质模型的基础之上，以隧道暗洞BIM三维设计为例。
4.2.1模型架构设计
1）建立隧道暗洞结构树，并逐层对结构编码（见图2）。
2）编码标准制定及模型特征树命名。BIM标
2015No．18王志杰等：BIM 技术在铁路隧道设计中的应用61
准的制定有利于BIM 技术的统一和推广。模型特
征树的名称应包含线路、里程、工况、隧道结构、Part 类型等信息，其命名应有国家或行业统一标准。本
文仅以隧道结构命名作为示意，说明一种模型名称编码方法（见图3）。隧道暗洞结构三维模型的架构如图4所示
。
图2
隧道暗洞结构树
Fig．2
Structural tree of underground
tunnel
图3
模型特征树命名
Fig．3
The naming rules of model pattern tree
4.2.2三维建模
1）建立控制参数及草图设计控制参数基于结构的基本属性建立，只有建立足够的、合理的参数，才能实现模型的参数化驱动修改（见图5 6）。草图设计是三维建模的基础，草图必须为全
尺寸约束［8］
。根据铁路隧道相关规范对净空、限界、时速等要求，利用CATIA 草图设计功能绘制轮
廓草图，并通过公式编辑器将建立的参数与尺寸约束链接，配套修改参数便可实现草图尺寸和位置的协同变化。以Ⅴe-Ⅱ和Ⅵ-Ⅳ衬砌形式为例说明（见图7 8）。
2）建立三维模型BIM 三维模型在参数化草图轮廓的基础上，继承线路、地质等信息作为输入条件，运用平行、拉伸、切割、偏移等命令建立模型。完成一类构件中的一个模型后，
应用知识工程阵列
图4
隧道暗洞模型特征树
Fig．4
Pattern tree of underground tunnel
model
图5
隧道暗洞模型参数集示意
Fig．5
Parameters set of underground tunnel
model
图6
衬砌轮廓控制参数
Fig．6
The size parameters of lining section
等功能生成所有三维实体模型。以初喷混凝土三
维模型的建立为例，说明BIM 三维设计（建模）在本例中的应用。①建立与初喷混凝土有关的参数（见图9）；②设计初喷拱顶混凝土的一环，即形成初喷混凝土的设计过程（见图10）；③定义用户特征，运用CATIA 知识工程阵列生成整个隧道初喷拱顶混
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卷
图7
衬砌轮廓参数变化
Fig．7
Variation of the lining section size
parameters
图8
衬砌轮廓草图
Fig．8
The sketch of lining section
凝土（见图11）及全部初喷混凝土（见图12）。重复上述步骤，得到全隧复喷混凝土，二衬混凝土模型如图13所示
。
图9
隧道初喷混凝土参数
Fig．9
The parameters of initial spraying
concrete
图10隧道初喷拱顶混凝土设计过程Fig．10
The design process of vault initial
spraying
concrete
图11
隧道初喷拱顶混凝土模型
Fig．11
The 3D model of vault initial spraying
concrete
图12
隧道初喷混凝土模型
Fig．12
The 3D model of initial spraying
concrete
图13隧道暗洞衬砌混凝土模型
Fig．13
The 3D model of lining concrete
依照上述建模步骤可建立隧道施工精度的其
他模型（见图14）。
3）信息附加本例为模型附加信息，包括属性信息、描述信息、参数设置等。通过参数驱动建立
2015No．18王志杰等：BIM 技术在铁路隧道设计中的应用
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图14
隧道暗洞其他模型
Fig．14
The 3D model of other components
的模型本身已包含了几何属性，
配合数据库配置和二次开发，为隧道模型附加其他属性，如初喷混凝土的属性信息（见表1）。
表1隧道初喷混凝土信息Table 1
Information for 3D model of
initial spraying concrete
编号00-02-05-3D-CM
混凝土
等级混凝土体积/m 3100-02-05-3D-CM 混凝土第1环
C250.322200-02-05-3D-CM 混凝土第2环C250.322300-02-05-3D-CM 混凝土第3环
C250.322400-02-05-3D-CM 混凝土第4环C250.322500-02-05-3D-CM 混凝土第5环
C250.322600-02-05-3D-CM 混凝土第6环C250.322700-02-05-3D-CM 混凝土第7环
C250.322800-02-05-3D-CM 混凝土第8环
C250.322…
…
…
…
4.2.3
模型利用
1）碰撞检查（见图15）
。
图15
超前小导管碰撞检查
Fig．15
The collision check of tunnel leading conduit
2）结构分析将CATIA V5的三维模型PAＲT
文件直接存成MODEL 文件，导入ANSYS ，ABAQUS 中划分网格，进行结构稳定性、安全性分析。
3）工程算量利用CATIA 的参数计算功能与工程制图模块实现了二维工程量统计。此外，利用CATIA 的测量工具可精确地实现三维工程量统计。
BIM 三维设计技术在本例中的应用证明了BIM 技术在隧道工程领域应用的可行性和必要性。取得如下成果：提升了设计的深度和细度，优化设计成果，如锚杆、超前小导管等的精确算量；在积累了
大量设计数据库模板后将极大地减少设计工作量，提高设计效率。5
结语
本文通过对BIM 概念及优势的阐述，提出了隧道BIM 设计技术思路。并以某双线铁路隧道BIM
设计应用为例，具体展示了隧道BIM 设计的过程，验证了技术思路的可行性与合理性，对于进一步促进BIM 技术在铁路行业的应用提供技术参考。此外，限于目前应用的工程实例较少，隧道BIM 设计技术思路仍然有待进一步探讨和完善。
BIM 技术能够极大地提升项目生产效率，优化设计，提高建筑质量，缩短工期，降低建造成本，提升运维管理水平。将BIM 技术引入铁路工程领域
十分必要。目前，国内在铁路方面取得的BIM 研究
成果较少，BIM 三维设计仍存在不少技术问题，将三维模型应用于施工、运营维护阶段的过程更是亟待
研究。同时，国内BIM 技术缺少相关标准及规范，建议从政府或国家层面出台鼓励政策、强制规范等推动BIM 技术在我国铁路行业的应用。
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