Bentley助力高速铁路隧道工程BIM正向设计

寂静回声

BIM技术在建筑行业的成功应用，给铁路隧道行业带来较大的启发。结合铁路隧道BIM 设计方面的研究与实践经验，以Bentley平台OpenRail Designer （简称ORD）为基础，系统开展高速铁路隧道工程的BIM正向设计研究，建立适用于设计阶段的标准体系与参数化族库，利用二次开发技术开发符合隧道设计流程的BIM正向设计系统，利用BIM技术实现高速铁路隧道的轮廓力学分析及参数化入库、参考图设计、工点方案设计及详细设计、工程量计算、二维出图及三维模型生成等功能，初步实现高速铁路隧道工程BIM正向设计。
在多年研究及实践经验基础上，提出以BIM标准体系和参数化族库为基础，基于ORD开发隧道BIM正向设计系统的技术路线。隧道BIM正向设计系统采用流行的.NET 程序框架构建软件体系，应用Log4NET、Nhibernate及NPOI作为系统辅助功能支撑，主要设计功能包含设计管理、通用设计、洞身设计、洞口设计、特殊设计、设计输出等6大模块，提供友好的设计交互界面，并可与其他专业进行有效的数据互通。隧道BIM正向设计系统架构示意见下图。

研究洞门参考图及工点图纸，提取参数化建模所需关键几何参数，在ORD的二次开发过程中，通过洞门生成算法调用关键几何参数，实现参数化洞门建模和洞门模型在实际线路中的快速实例化。目前，已建立并应用完善的洞门族库，包括帽檐斜切式洞门、双耳墙式明洞门、桩柱式洞门等。


洞身参数化族库包括暗洞、明洞、附属硐室及辅助坑道族。其中，暗洞轮廓按照常用类型分为单心圆、三心圆和五心圆等，每种轮廓族的关键参数包括衬砌、侧沟、仰拱填充、中心水沟。明洞、附属硐室和辅助坑道族库建立方式与暗洞类似。


隧道在线路上会与桥梁、路基等专业在排水、电缆槽等方面顺接，接口族库便于在设计过程中解决该类顺接结构的自动生成问题，达到隧道进出口与相邻桥梁、路基等专业模型顺畅过度的目的。根据实际工程特点，目前，已建立桥梁和路基专业接口族库，各专业分别包括洞口防排水及电缆槽2种类型。其中，洞口防排水包括截水天沟、侧沟过渡段等结构，电缆槽包括槽体及电缆槽盖板过渡段结构。
在多年研究及实践经验基础上，提出以BIM标准体系和参数化族库为基础，基于ORD开发隧道BIM正向设计系统的技术路线。隧道BIM正向设计系统采用流行的.NET 程序框架构建软件体系，应用Log4NET、Nhibernate及NPOI作为系统辅助功能支撑，主要设计功能包含设计管理、通用设计、洞身设计、洞口设计、特殊设计、设计输出等6大模块。
基于ORD开发了符合设计流程和习惯的隧道BIM正向设计系统，该系统以在线数据库为基础，实现了隧道专业内的设计协同及外部数据互通。在设计过程中，保留了部分二维设计思路，同时开拓性地将三维设计理念应用至洞身、洞口、施组、工程算量等方面，从而实现较传统二维设计更准确、详尽、直观的BIM正向设计。整个系统主要包括设计管理、通用设计、洞身设计、洞口设计、特殊设计和设计输出等6个模块。



设计管理

系统管理员可为设计人员分配初始设计账号及权限，设计人员登录后，自动分配线路及工点权限，进而精确分配相应的系统功能权限，并可通过后台管理系统管理用户行为、记录重要节点，将数字化、信息化应用到设计阶段，从而实现设计过程的可视化管控。此外，该模块还可实现线路级别的设计信息录入、导入和初始信息的设置。
集成隧道正线、辅助坑道、附属洞室等参数化轮廓设计功能，实现纵断面设计的基础参数配置和型钢钢架、格栅钢架全流程设计，为后续开展洞身、洞口等工点设计奠定基础。

（1） 参数化轮廓设计。结合数值分析及断面拟合成果，提取关键性参数，借助于隧道轮廓工具快速入库标准化隧道断面，在断面录入过程中，可查看参数示意图也可实时预览模型，入库前程序将对轮廓进行自相交、规范性检查，辅助对设计成果进行核验。

（2） 通用参数配置。开发衬砌通用参数的录入工具，包括线间距、轨道板高度（分有砟、无砟）、道床排水、踏步等参数，便于后续正洞模型生成时调用；允许在轮廓界面自定义有砟、无砟形式，定义过渡段衬砌的轨道板高度，大大提升了程序的灵活性、通用性；实现施组速度的标准值、折减值的前期配置；规定了电分相、绝缘关节等区间构成，实现标准锚段参数的配置，便于后期顺利开展纵断面设计。

（3） 钢架设计。开发从节点板定义、参数化轮廓生成、模型初始化、节点布置的全流程型钢/格栅钢架设计工具，支持可视化的交互方式，极大提升用户体验，设计完成后设计信息存入数据库，为参考图出图打下基础。
（1） 隧道衬砌分段设计。隧道衬砌分段是洞身设计的关键环节，继承传统二维图设计的思路，利用ORD的二次开发技术，通过人机交互式操作，实现基于围岩分段的纵断面快速分段、插入、移动、合并、修改，以及段落工法和支护的自动更新等纵断面基础设计功能；通过调用预先设置的下锚段参数，自动计算对应锚段，完成锚段半自动化设计；自动调取预先配置的线间距参数，结合衬砌断面参数化轮廓，快速实现衬砌断面加宽设计；根据地质专业提供的不良地质、涌水等基础信息，实现一键纵断面特殊信息设计。该模块还具备线间距、不良地质、数据线等表格的一键输出功能，实现不同比例尺、表格行的快速调整出图。
（2）附属硐室设计。在完成隧道分段设计后，即可开展附属洞室布置，通过设置间距、洞室类型等参数，批量布置附属洞室，程序可通过算法自动避让施工缝、衬砌交界面、其他硐室结构，自动计算出最优硐室布置方案。设计完成后，可一键完成硐室平面图绘制及硐室表生成。



洞口设计

受限于地质专业提资，传统二维设计中洞口里程断面基本由相邻具备勘察数据的断面推测得到，而洞口BIM设计优化了该类断面的生成，并将三维设计理念应用至截水天沟、挡墙、边仰坡等设计，较大地提升洞口设计的准确性和合理性，充分发挥数据共享的价值。



（1）里程确定。支持查看任意里程的横断面切图，并支持里程动态调整，辅助设计人员快速、准确地确定洞口、明暗分界等关键里程，实现从近似设计到精细化设计的转变。

（2）截水天沟设计。设计人员可依据经验手动绘制平面样条曲线生成截水天沟，也可根据提取的边仰坡边界线快速生成，设计过程中实时显示积水坑的数量及位置，并从截面库中选择天沟截面快速调整天沟形式，使截水天沟设计更加科学、合理。

（3）挡墙设计。预设高度位于4~10 m的截面参数，并支持局部参数修改，通过选择墙顶定位点，即可快速完成挡墙设计工作。在设计完成后，设计人员可双击模型，修改挡墙参数实现设计成果的快速修改。

（4）边仰坡设计。通过可视化工具进行边仰坡截面设计，并将截面参数存入后台数据库，可供其他设计人员参考；截面设计完成后，通过选择地形、边仰坡起止点快速生成边仰坡模型，还可借助于边仰坡顺接工具，快速生成完整的边仰坡模型。设计完成后，结合三维地形模型可生成开挖体、快速测量开挖方量
设计输出模块主要规划了二维出图功能、工程量输出功能、三维模型生成功能，以满足后续对参建各方的设计交付。

（1）二维出图。通过选择图纸尺寸及图纸审查级别自动生成参数化的设计图框，程序根据登录信息自动填写图框中相关内容；实现纵断面的标准化出图，可在洞身纵断面设计成果的基础上动态调整出图内容，满足出图要求。

（2）工程算量。通过导入计算EXCEL，关联数据库隧道信息，完成区段、工区隧道算量，计算成果保存至数据库，可输出为EXCEL和CAD、ORD图表。后续拟将工程量计算方法、公式封装为方法，便于算量程序灵活调用，彻底脱离外部文件（如EXCEL） 的限制。

（3）三维建模。在隧道洞身、洞口设计完成后，可利用洞身批量生成工具快速建立正洞、附属硐室、辅助坑道等模型。隧道BIM正向设计软件从数据库自动读取纵断面设计成果，自动计算起止里程的长度，核对段落长度等信息，辅助设计人员快速建立洞身模型，并自动完成交叉构件之间的布尔运算（如附属硐室与正洞之间的剪切计算）。实现一键式生成标准衬砌段落的精细模型，包括超前支护、初期支护（钢架、喷射混凝土、钢筋网）、二次衬砌（模筑混凝土、钢筋） 等，其精度可达到LOD400。
通过近两年在成渝中线、西昆线以及某复杂艰险山区铁路中的应用与完善，隧道BIM正向设计标准、模板库、设计辅助系统逐步趋于稳定和成熟。大量隧道BIM正向设计工作的开展，显示了隧道BIM正向设计具有传统二维设计难以企及的优势。



现阶段，虽然我国高速铁路隧道工程仍以二维设计为主，但随着BIM正向设计技术研究逐步深入，BIM技术必将逐步取代二维设计。其后续发展主要包含以下3个方面：

（1）标准体系逐步完善。将建立高速铁路各专业系统、科学的标准体系，实现规范化专业建模、模式化专业接口、明确性各方交付物，为铁路全专业BIM正向设计铺平道路。

（2）标准族库逐步丰富。随着试点项目应用的深入，标准族库将逐步丰富，与标准的结合度也越来越高，从而形成规范、实用的族库，再结合族库管理系统的开发与应用，使高速铁路隧道BIM设计变得更加便捷、准确。

（3）BIM正向设计系统迭代更新。BIM正向设计系统的研发周期较长，需要较多的试点应用对其加以验证，每项功能都需要在实践中迭代更新，从而保证对内设计成果的准确性和对外交付数据的完备性。
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

李俊松，汪明，曹力. 高速铁路隧道工程BIM正向设计研究与应用[J].铁路技术创新.