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隧道工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)中BIM的應(yīng)用

◎ 向功興 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司

本文簡(jiǎn)要分析了BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了BIM技術(shù)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用。并以某隧道工程為例，從復(fù)雜段設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)計(jì)算兩方面分析了如何在隧道三維設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，以期使BIM技術(shù)的應(yīng)用更為普遍，使得我國(guó)隧道工程的施工更為便利。

隧道工程 三維設(shè)計(jì) BIM技術(shù) 公路橋梁

BIM（Building Information Modeling），也稱建筑信息模型，其模型建立基礎(chǔ)是與建筑工程項(xiàng)目有關(guān)的各個(gè)類型數(shù)據(jù)，從而形成建筑人員需要的建筑模型，同時(shí)利用數(shù)字信息進(jìn)行建筑物的仿真模擬，使之體現(xiàn)較為真實(shí)的信息。BIM技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用十分廣泛，隧道工程便是其中之一。BIM技術(shù)可以有效提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)質(zhì)量與工作效率，從而保證整體工程的實(shí)施質(zhì)量，也縮短了施工周期。

1.BlM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)的普及范圍較大，建筑、電子以及機(jī)械等行業(yè)均需借助BIM技術(shù)，而B(niǎo)IM技術(shù)的應(yīng)用也日益成熟，帶動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域也發(fā)生了巨大的變化。如今，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)逐漸穩(wěn)定，對(duì)隧道工程的要求也有所提高，要求隧道工程的建設(shè)發(fā)展方向以環(huán)保、低碳以及可持續(xù)為主，所以BIM技術(shù)應(yīng)用于隧道工程是大勢(shì)所趨。

2.隧道工程項(xiàng)目中BlM技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

2.1包含內(nèi)容特殊

不同于建筑領(lǐng)域，隧道工程項(xiàng)目中BIM的概念還包含有GIS，三維模型建立還包含有三維地質(zhì)信息模型、三維地理信息模型以及隧道結(jié)果三維模型。這便導(dǎo)致施工階段需要接收大量信息，同時(shí)也需建立相應(yīng)的規(guī)范，從而令專業(yè)與階段之間所形成的信息壁壘逐漸消失。

2.2對(duì)設(shè)計(jì)模型兼容性增強(qiáng)

隧道工程項(xiàng)目分為線上以及線下兩部分，按照工程特點(diǎn)之間的差異，設(shè)計(jì)人員也需要使用相應(yīng)的應(yīng)用平臺(tái)，應(yīng)用平臺(tái)之間存在差異，則對(duì)模型的兼容性有更高要求。不僅如此，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)以及施工環(huán)節(jié)都需兼容各種類型的設(shè)計(jì)模型，這也代表平臺(tái)之間能夠協(xié)同工作，同時(shí)還可以完成格式轉(zhuǎn)換。

2.3可視化管理

隧道工程項(xiàng)目當(dāng)中含有多個(gè)系統(tǒng)：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及監(jiān)控量測(cè)等數(shù)個(gè)系統(tǒng)，這也證明了隧道工程項(xiàng)目建設(shè)對(duì)施工安全以及質(zhì)量的要求極為嚴(yán)格。施工企業(yè)在利用BIM技術(shù)的過(guò)程中，需充分集成不同種類的安全質(zhì)量管理平臺(tái)，對(duì)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)實(shí)施集中可視化管理。

3.BlM技術(shù)在隧道工程三維設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)運(yùn)用

3.1工程概況

某工程隧道預(yù)計(jì)隧道總長(zhǎng)度為8199m，隧道進(jìn)口位于某村鎮(zhèn)東側(cè)，同該村鎮(zhèn)之間的距離達(dá)到400m，進(jìn)口處里程為DK5+095，隧道在DK5+205，DK5+230下穿某環(huán)線以及機(jī)場(chǎng)高速。市政公路同隧道線位所形成的交叉角度為49o，隧道交叉部分長(zhǎng)度為140m左右，復(fù)雜段所處位置以進(jìn)口為起點(diǎn)，重點(diǎn)則為DK5+310，復(fù)雜段整體長(zhǎng)度為215m。隧址區(qū)進(jìn)口部分分布有厚度值較高的第四系底層，且下伏有燕山晚期第一次侵入花崗閃長(zhǎng)巖，形式為F1斷層，同時(shí)與侏羅系凝灰熔巖相接。進(jìn)口部分區(qū)域分布有人工填土作為道路的路基，路基高度達(dá)到0～3m。填土的以沖洪積卵石土為主，粒徑范圍為60mm～180mm，最大厚度不低于11m。丘坡表面土質(zhì)為殘積粉質(zhì)黏土，厚度范圍為0.5m～4m。穿越段隧道頂部覆土厚度為4.1m～4.9m，全部為Ⅴ級(jí)圍巖，屬于全風(fēng)化狀態(tài)下花崗閃長(zhǎng)巖。孔隙潛水以及基巖裂隙水分布較廣，下穿段埋深不深，難以通過(guò)。

3.2復(fù)雜段設(shè)計(jì)

按照該隧道進(jìn)口部分的實(shí)際地質(zhì)條件以及該部分地形，根據(jù)開(kāi)挖邊仰坡所具有的穩(wěn)定性以及洞口對(duì)排水的需求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照早進(jìn)晚出的原則確認(rèn)隧道進(jìn)口所在位置，同時(shí)使用科學(xué)的隧道洞門形式。隧道進(jìn)口處應(yīng)使用斜切式洞門，與長(zhǎng)為55m的下穿公路段相接。明洞段長(zhǎng)度為75m，同時(shí)在DK5+300至DK5+310部分安設(shè)管棚工作井，并通過(guò)該工作井達(dá)到向小里程以及大里程施工方向施工的目的。上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)都可利用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。不僅如此，設(shè)計(jì)人員往往在三維設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用BIM技術(shù)建立開(kāi)挖模型，該模型的建立實(shí)質(zhì)是對(duì)土方進(jìn)行計(jì)算。故而，工作人員可直接利用BIM模型計(jì)算土方量。

設(shè)計(jì)人員在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，對(duì)施工的模擬都是運(yùn)用繪制施工工序圖這一方式進(jìn)行。該方式針對(duì)較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，可以滿足設(shè)計(jì)以及施工需求，能夠清晰表達(dá)設(shè)計(jì)人員的意圖，也可達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。但如果隧道工程項(xiàng)目施工區(qū)域的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)需涉及的內(nèi)容增多，含有基坑、維護(hù)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向墻等工作。若設(shè)計(jì)人員依舊使用繪制施工序圖這一方式，往往無(wú)法將設(shè)計(jì)意圖準(zhǔn)確傳達(dá)至施工人員，導(dǎo)致施工進(jìn)度受到影響，施工質(zhì)量也難以保證。

就該項(xiàng)目而言，施工人員可使用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用動(dòng)態(tài)施工模型以及模型自動(dòng)剖分兩項(xiàng)功能制作施工工序圖。通過(guò)BIM技術(shù)制成的圖紙能夠更為清晰地顯示出構(gòu)件在施工過(guò)程中所處時(shí)間以及空間狀態(tài)，從而便于施工人員理解。不僅如此，施工人員還可通過(guò)漫游BIM模型，對(duì)工程各個(gè)構(gòu)建有更為清晰地了解，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1為該工程的施工模擬動(dòng)畫截屏。

圖1　某工程施工動(dòng)畫截屏

3.3BIM隧道結(jié)構(gòu)模型計(jì)算

隧道中有許多暗埋段以及敞開(kāi)段，設(shè)計(jì)人員可利用BIM建立模型所用的軟件，如Revit，利用其樓板、圓柱體以及墻體等建立該隧道的整體物理結(jié)構(gòu)模型。除了建立三維立體物理模型之外，BIM技術(shù)還可幫助設(shè)計(jì)人員建立結(jié)構(gòu)分析模型，設(shè)計(jì)人員利用RevitStructure可以將建立構(gòu)件邊界條件、梁體分析模型以及柱體分析模型等，含有上述數(shù)據(jù)信息的模型便是結(jié)構(gòu)分析模型。事實(shí)上，RevitStructure軟件本身并不具備結(jié)構(gòu)分析的功能，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合Robot實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析。

結(jié)構(gòu)分析模型是Revit軟件傳輸數(shù)據(jù)的主要載體，Revit不僅建立了實(shí)體模型，同時(shí)也會(huì)建立同實(shí)體模型完全一致的結(jié)構(gòu)分析模型，利用一定可見(jiàn)性設(shè)置，施工人員便能夠?qū)Ψ治瞿Ｐ瓦M(jìn)行檢測(cè)以及完善。從而便于檢測(cè)人員隧道工程的位置等進(jìn)行確認(rèn)。

BIM技術(shù)不僅可以建立模型及分析模型，還可以對(duì)所建立的模型進(jìn)行計(jì)算。隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型多種多樣，其中應(yīng)用較為廣泛的兩種模型為地基反力模型和彈性地基模型。

地基反力模型認(rèn)為，結(jié)構(gòu)自身重量以及外部向結(jié)構(gòu)施加豎向荷載相加，同時(shí)對(duì)地基表面單位面積之上的基底形成基底壓力，該壓力同地基土施加于底板底面的地基反力形成了作用力與反作用力的關(guān)系。

彈性地基模型認(rèn)為，因?yàn)榈装宸胖糜诘鼗?，使底板上的作用存在荷載。結(jié)構(gòu)底板由于受到荷載的作用，會(huì)同地基土層同時(shí)產(chǎn)生形成變形，底板底同地基土層形成的相互作用的反力，反力的大小同土層變形值有一定關(guān)系。設(shè)計(jì)人員利用該模型進(jìn)行計(jì)算，避免了大量計(jì)算，且由于概念清晰不會(huì)出現(xiàn)失誤。設(shè)計(jì)人員可使用該模型對(duì)部分軟土地區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在三維設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能為設(shè)計(jì)人員的工作提供較多便利，而且使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)質(zhì)量也有了較大提升，圖紙更為準(zhǔn)確，從而提升了企業(yè)施工水平，保證了隧道施工質(zhì)量。

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