基于BIM的铁路隧道附属洞室设计研究与应用

   

   

   

   

为升级设计手段，提高设计质量，实现铁路工程数字化交付，文章以铁路隧道附属设施设计为切入点，通过梳理设计流程、研究优化技术，提出基于建筑信息模型的铁路隧道附属洞室设计方法。配合 BIM 软件的二次开发，该设计方法能有效打通隧道设计上下游数据，显著提升隧道设计智能化水平。实践证明，基于该方法在 Bentley 平台下开展附属洞室设计，能同时满足项目 BIM 交付及现有设计规范下二维图纸交付的需要，提升附属洞室设计的效率和质量，实现 BIM 技术与传统设计的融合，助力铁路行业从BIM辅助设计到BIM正向设计的转变。    

   

         

传统基于计算机辅助设计（CAD，ComputerAided Design）的附属洞室设计主要包含 2 个阶段：

（1）在参考图设计时 ，根据项目的需要，设计不同围岩等级地质条件下附属洞室详细尺寸、支护措施及工程数量，形成附属洞室通用参考图；

（2）在工点设计时，由设计人员根据项目设计原则及设计经验预先布置一组洞室，再以洞室宽度为基础，依据洞身衬砌分段、四电专业提资并综合考虑围岩条件，对洞室进行调整优化。

目前，传统设计方法的主要问题集中在附属洞室布置方面，尤其是在开展长大隧道洞室布置时，由于洞身存在复杂的接触网下锚段落、不良地质区域及斜井、横洞、横通道交叉段落，需要布置几十甚至上百个附属洞室，并逐一排查、优化洞室位置，需要花费大量的时间；同时，由于布置过程中需要考虑的因素过多，导致部分洞室位置仍然无法完全满足设计要求，并且此类问题在常规设计审查流程中难以被发现，最终可能会流入施工阶段，造成工程变更，影响项目工期和成本。

造成以上问题的根本原因，是传统设计方法使附属洞室布置的各种信息分散在不同的基础资料和图纸上，需要设计人员将各种信息进行整合后开展附属洞室布置，整合过程中难免出现纰漏。而通过BIM技术的应用，将完整的设计信息集成在BIM上，通过分析集成在模型上的信息便可实现附属洞室的自动布置和自动避让，可有效解决上述问题。

在 充分考虑现有隧道二维设计图纸出图规范及 铁路 BIM 交付精度标准、模型表达标准的基础上， 本文结合传统二维 CAD 设计流程，提出基于 BIM 技 术的铁路隧道附属洞室设计流程，如图 1 所示。

图１ 铁路隧道附属洞室BIM设计流程    

（1）基于行业规范及项目设备工作空间要求开展附属洞室内轮廓设计，并根据水文地质条件，通过类似工程经验或有限元分析，在洞室内轮廓设计基础上完成附属洞室结构设计；

（2）在隧道洞身衬砌分段基础上，结合附属洞室布置避让原则及站后专业设施设备布置要求等资料，开展附属洞室布置优化；

（3）根据附属洞室布置结果建立BIM，核查模型与其他结构的碰撞和近接情况进行布置优化；

（4）附加BIM交付所需的信息并生成二维交付要求的图表，将相关成果移交后续专业使用。

附属洞室类型包含避车洞、余长电缆腔及各类设备专用洞室等，各洞室功能不同结构形式也各不相同。其中，余长电缆腔仅作为存放预留电缆用，洞室满足基本作业空间的需要即可，一般尺寸较小；设备洞室在满足余长电缆腔功能的同时还需考虑存放设备的净空和承载力要求，需设计专用结构存放设备，一般尺寸较大。故在开展隧道工点附属洞室BIM设计时应首先确定项目洞室类型，分类制作不同的洞室模板。在制作附属洞室模板时，根据设计方式的不同可分为以下2种方式，在实际设计工作中需要根据整个隧道项目的BIM设计思路进行选择， 如表1所示。

表1 两种附属洞室参数化模板设计方法优缺点及采用建议    

附属洞室布置是传统二维设计下的难点，也是需要利用BIM技术重点优化的环节，在开展BIM设计时需在充分考虑附属洞室布置原则的基础上，结合优化算法实现附属洞室的批量自动布置。

1、布置原则

对长度大于500 m的隧道，依据《铁路隧道设计规范》及具体项目对洞内附属设施布置的要求，附属洞室布置需满足隧道运营及检修要求，其主要原则如下。

（1）隧道内需要按照一定间距布置常规洞室，如余长电缆腔、避车洞、梯车洞等。同时，根据通信、信号、供电等站后专业提资要求布置设备专用洞室，如变压器洞室、直放站洞室、探测站洞室等。

（2）设备专用洞室一般可兼作余长电缆腔等常规洞室，故从经济性和结构安全性方面考虑，设备专用洞室在布置时尽量根据专业提资与常规洞室进行合并布置。

（3）洞室应尽量选择围岩条件较好处布置，避免在断层破碎带、软岩大变形等不良地质段落布置。

（4）洞室不能跨过衬砌断面和围岩分级变化处、施工缝、伸缩缝、变形缝，并需保持一定距离。

2、布置优化

本文提出2种附属洞室布置的优化方法。

（1）进行洞室预布置后，逐一排查附属洞室与边界条件的关系，若发现冲突，计算洞室需要移动的最小距离，将预布置洞室整体移动后重新排查，直到所有洞室均未与边界条件发生冲突；

（2）在发现冲突后仅移动冲突位置及后续的洞室，并对移动后的洞室重新排查直到所有洞室满足布置要求。2种优化方式如图2所示。

图2中粉色区域为根据隧道衬砌分段等信息形成的边界条件，若在根据洞室布置的间距要求形成附属洞室预设计方案后，发现第3 个洞室进入了边界条件，则该方案不满足布置要求，需要对其进行优化。方法1是将所有洞室均向前移动一个距离，调整后所有洞室仍为等间距；方法2是仅移动第3个及以后的洞室，调整后仅第2和第3个洞室的间距缩短。2种方法均满足了布置要求，其中，方法1最大程度地利用洞室布置间距，可有效减少最终洞室的布置数量，但难以完成边界条件复杂的长大隧道布置，更适合短隧道洞室布置；而方法2仅调整冲突后的洞室，可适应任何复杂的边界条件，适用于长大隧道的洞室布置。

图2 附属洞室布置的2种优化方式    

目前，业内主流的BIM设计软件仅提供基础的三维造型和布尔运算功能，导致BIM设计工作中设计人员耗费在建模上的时间远大于设计本身，难以在有限的设计周期内充分利用BIM的优势优化设计成果、提升设计质量。 而针对附属洞室设计，为了满足最终三维模型的交付，需通过设计软件二次开发着重提高附属洞室批量建模及洞室模型与正洞模型剪切的效率，减少附属洞室设计过程中耗费在三维建模上的时间，让设计人员专注于附属洞室结构设计及布置优化上。

由于不同BIM设计软件建模及二次开发方法各有差异，本文仅以Bentley平台为例，介绍基于该平台进行二次开发时附属洞室建模的4个重点。

（1）剪切规则的可配置性。不同项目在不同阶段对建模的精度要求各不相同，为更好地适应不同项目的具体需求，需提供洞室与正洞衬砌剪切规则的配置功能，如剪切位置正洞和洞室各自需要保留的部分、洞室水沟与正洞水沟顺接方法、洞室铺装的类型和坡度等。

（2）模型剪切的效率。为提高模型之间的剪切效率，需将建模时的参数信息直接附加在模型上，当洞室与正洞剪切时通过读取建模参数快速重构模型，实现模型间的布尔运算。针对信息的读写，Bentley平台下有ECSchema、ItemeType及Xdata这3种形式，经大量测试表明，Xdata的读写速度高于其他形式，在批量进行附属洞室建模时能大幅提高模型剪切效率。

（3）建模稳定性。在隧道BIM设计过程中，往往需要一次性处理几十处洞室建模，为了提高批量建模的稳定性，在二次开发时需要注重对建模异常情况的处理和追踪能力。当某一处洞室与正洞剪切失败时，提取异常信息并继续执行后续洞室建模，当所有洞室模型建立完成后整理形成建模反馈表，便于设计人员定位并分析异常原因。

（4）设计信息的保留。隧道模型的设计信息以ItemType形式存入模型，在执行布尔运算时会丢失，因此需在剪切前提取模型的所有信息并在剪切后重新附加，以确保信息不丢失。

图3 附属洞室BIM设计成果    

本文 提 出的基于 BIM技术的铁路隧道附属洞室设计，在不打破原有 CAD二维设计流程的基础上，利用BIM技术对附属洞室模板、布置方式及成果交付等设计环节进行优化，串联上下游设计数据，保证了BIM设计成果能充分满足现有工程设计环境下对二维及三维图的交付要求。 通过在Bentley平台下开展正向设计软件研发并应用于施工图设计，证明该研究能在提高设计效率的同时显著提高设计质量，相关研究成果也为其他平台下附属洞室BIM设计件的研发提供了理论依据，为推进铁路隧道BIM正向设计提供支撑。