郑 楠 陈 沉
(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014)
【摘 要】BIM技术作为利用三维几何模型对建筑按构件进行精确表达的信息集成平台，具有直观性、可分析性、可共享性和可管理性的特性。国内目前最大的城市山体隧道群——杭州市紫之隧道工程在土建第三标段中采用BIM技术作为设计施工一体化管理平台，对BIM 技术在大型隧道工程中的应用进行了探索和实践。
【关键词】BIM技术； Microstation PowerCivilR； 隧道三维模型； 集成应用
【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.12
BIM技术的概念最早由美国的Chuck Eastman博士在三十年前首次提出，后由Autodesk公司基于Autocad平台进行开发推广，发展至今已经成为世界范围内建筑领域信息技术应用的一大热点。BIM诞生之初代表Building Information Modeling，意为建筑信息建模，后来，这一概念拓展为Building Information Management[1]。BIM已经由最初对建筑按构件进行信息化表达，逐渐转化为建筑整体的信息集成； 由单纯的建立建筑模型，转化为建筑信息集成和交互的平台。
BIM技术在我国大型工程项目中出现许多应用实例。在国家游泳中心、上海世博会中国国家馆、天津港国际邮轮码头、杭州火车东站等国家重点项目中，BIM被作为数据集成和项目管理的平台，已经从单穿的技术应用深入到包含成本管理、进度管理、质量管理方面的项目管理集成应用中来，并向基于网络的多方协同应用转变[2-5]。
杭州市紫金港路-之江路隧道工程(以下简称紫之隧道)穿越西湖景区山体，全长14.1km，是国内目前最大的城市山体隧道群工程。其设计、施工、运营各环节涉及专业众多，施工外部环境复杂，工程质量要求高，传统施工过程管理流程已不能很好适应本工程建设的需要。以杭州市紫之隧道工程为背景，基于Bentley MicrostationR V8i平台，采用PowerCivilR 软件，以Project WiseR 作为数据交互平台，对BIM技术在大型隧道工程设计、施工管理过程中的具体应用、模型消费、数据发布进行实践探索。
2.1 隧道工程概况
紫之隧道(紫金港路-之江路)工程位于浙江省杭州市。隧道南起之浦路，北至紫金港路，穿越西湖西部群山，线路全长约14.1km(西线长14.084 km，东线长14.067 km)，其中隧道长约13.9km，共三条隧道，是全国目前建设规模最大的城市山体隧道群工程。工程总体规模为双向六车道，为机动车专用隧道，建成后将成为杭州市南北交通大动脉。
2.2 工程特点和难点
紫之隧道土建第Ⅲ标段东线隧道长度3 290m，西线隧道长度3 300m，整体为山岭隧道。该标段隧道沿线地形、地质情况复杂，结构难度大。设计过程涉及地勘、线路、隧道结构、通风、给排水等9大专业，十余个子项的设计内容。又由于隧道地处西湖景区，建设过程中环境控制条件严格，外部环境制约条件多，施工场地狭窄，对设计、施工一体化程度要求高。
图1 紫之隧道
2.3 BIM应用目标
为了保证项目实施进度和对项目设计、施工过程进行有效管理，该标段引入BIM技术框架，作为工程设计施工一体化管理平台，在设计、施工过程中进行设计方案优化，施工成本预测，施工组织优化，实现项目进程把控，信息采集和质量控制的管理目的。
2.4 软件平台
项目采用Bentley MicrostationR 系列软件作为软件平台。整个软件平台架构分为四个部分：DTM地形三维系统，地质三维设计系统，隧道三维设计系统和协同工作平台。
所采用的BIM应用软件模块主要为：地质三维设计系统 GeostationR，隧道设计软件Bentley Powercivil SS4R，以及统一管理环境和公共数据访问框架的协同设计平台Project Wise。
紫之隧道土建第三标段的BIM模型主要由地形地质模型和隧道主体模型两部分组成。地形、地质模型和隧道主体模型的精确定位结合和全参数化的隧道主体建模是此次BIM模型最大的特点。
3.1 地形地质模型建立
隧道建设以地形、地质条件为背景，精确的地形、地质模型的创建是整个隧道BIM建模的基础。
在隧道模型建模之初，首先确定坐标系统、高程系统，列出隧道起点与终点的高程信息、坐标信息，在地形地质模型中精确定位。通过对项目范围内等高线数据进行修正和补全，首先在Bentley GeopackR 中将等高线数据处理成为数字三角网，进而形成数字地面模型。建模流程如图2所示。在GeostationR 软件环境中将处理完毕的不同层级地质模型以及该区域所存在的断层、滑坡体等信息整合为一体，形成紫之隧道Ⅲ标地形地质模型(见图3)。
图2 数字地面模型创建流程
图3 地质模型
图4 隧道参数化横断面模板设计
3.1 参数化隧道结构模型建立
隧道三维模型的特点是采用Power CivilR 平台下的全参数化建模方式，优势在于可对结构尺寸，衬砌形式等进行后期修改、更新，避免了重复建模。
隧道平纵曲线在PowerCivilR 软件中完成空间拟合，精度达到0.01m，并实现了按照桩号进行横断面管理。隧道横断面建模则可实现全参数化设计，即断面信息可最终由参数点表达，便于后期模型修改和更新，并创建支护断面类型库文件供调用(见图4)。隧道衬砌，防水层，两侧的管沟均关联相对应的材料属性，后期可实现工程量的自动计算和统计。横断面与平纵曲线相互关联，实现沿空间线路准确放样，不同衬砌段间精准对接。
在横通道、地下风机房连接处等结构相交区域，利用隧道结构三维模型实现了衬砌的精确相贯，解决了在二维环境下难以实现的结构构件表达难题(见图5)。
图5 地下风机房和风井模型
BIM作为基于信息技术，利用三维几何模型对建筑按构件进行精确表达的集成平台，具有直观性、可分析性、可共享性和可管理性的特性。[1][8]BIM模型在工程中的应用即是对这四种特性的充分运用。
(1)结合地质属性查询，利用BIM模型优化结构设计，实现各专业联动
在土建第Ⅲ标段中， 2号、3号隧道洞口间距较小，形成毗邻隧道，洞口污染物扩散易形成窜流。周边有龙井茶保护区、居民点等环境敏感点。洞口设计与地形地质分析、通风井布置、污染物扩散规律和现场施工场地布置等联动，在传统在二维设计中难以实现。
利用BIM模型作为数据平台，各专业设计成果在统一模型环境中集成，通过参数化的模型结合通风分析软件，结合地形模型和地质信息的读取完成风井和洞口的定位，并通过三维模型进行了现场施工场地优化布置和施工机械选型，解决了这一问题。设计结果直观，和现场情况吻合度高，可直接与施工方案衔接，避免了设计施工过程的重复，设计程序得以优化。
(2)按里程切取地形地质剖面，地质属性查询配合施工方案的制定
图6 隧道和地质模型剖面图
地形地质模型与隧道模型耦合，隧道BIM模型不单表达隧道自身结构，而且支持选取不同衬砌段生成该衬砌段地质纵剖面图，也能够输入任意桩号得到剖面图，能剖面图中查询里程桩号、埋深和地质属性，多个视图保持联动(见图6)。在施工过程中，勘察信息可直观的读取，施工人员能及时掌握掌子面的地层、地质信息，对不良地质和危险地层进行及时反馈，解决了传统隧道工程中需根据平面地质图纸进行开挖面地层推测的问题。
2#隧道西线掌子面施工里程K5+307的白虎湾生态茶园处为长距离浅埋偏压地段施工。通过查询准确的地质模型，掌握开挖掌子面周边的围岩地质条件、埋深等信息，配合掌子面地质情况的变化，及时调整施工方案，降低了施工风险，顺利的通过了白虎湾生态茶园。
(3)工程量精确统计，报表生成、成本分析
图7 工程量报表
建模完成的精确隧道模型，可对各部分模型进行准确的工程量提取。隧道工程不同于一般建筑工程，在隧道的开挖过程中，其不可控制的因素相对较多，使得建筑材料实际用量和设计理论计算差距较大。
PowerCivilR 在隧道横断面参数化建模时就对隧道衬砌，钢筋等构件赋予了材料属性，模型建立后可自动同步生成工程量。
通过在PowerCivilR 中所提取的工程量，与施工单位每个月进行的成本分析相结合，可进行材料的消耗量、各阶段的成本的分析，及时掌握原材料使用、调配情况，对施工过程的成本管控具有重要作用。
(4)进行结构、管线碰撞检查，实现结构设计细部表达，提高施工效率
隧道工程中，匝道隧道与主线隧道连接处、隧道与车行横通道等结构交汇处等，空间结构复杂，给排水、消防管道、强弱电管沟也在此交汇，在二维设计环境中难以表达，施工环节则需要现场放样。设计过程重复，施工时工期较长，施工质量也难以保证。在BIM环境中，这类空间问题则可以得到快速解决，并能准确表达，直接供施工阶段使用(见图8)。
图8 交叉口结构模型
本项目中利用华东院自身开发的基于MicrostationR 平台运行的钢筋设计模块，完善了隧道结构模型，实现了钢筋这一主要建筑材料的自动配筋(见图9)，自动计量和大样生成，在隧道主线与横通道等结构交叉处可生成精确的钢筋大样，对提高了现场施工效率。
图9 交叉口配筋模型
(5)工程数据集成，关联模型，实时查询
在大型隧道工程中，所需要的图纸、报表等工程相关信息、资料数量庞大。本项目中，BIM模型以隧道三维模型为索引，实现了按桩号查找管理信息、资料的功能。
图11 I-model及现场交底
隧道衬砌支护、预支护措施、施工工法，机电附属工程等设计文档按照不同围岩类型与隧道模型直接关联。用户可通过模型直接打开关联文件，访问查询全套设计资料(如图10)，并可将隧道的施工信息添加进去，进行比对，可及时掌握施工过程中的变动，实现建设管理问题量化分析，大大提高了隧道工程中信息采集、处理和查询的效率。
图10 在模型中查询相关图档信息
(6)通过ipad，i-model形式以及三维PDF模式实现模型轻量化
本工程的BIM模型及相关信息最后均可以i-model的形式进行轻量化，打印到PDF中，或发布到移动终端如iPad、PC机中，进行模型漫游展示，现场决策会商。
(7)结合监测、采购信息，进行隧道运营维护管理
最终的BIM模型还可与第三方监测进行结合，将监测信息与模型关联，对现场施工质量、安全、工程量及进度进行数据采集和数据评估。也可根据现场采集数据，依照精确的施工进度管理采购计划，跟踪合同执行情况。
BIM技术应用于紫之隧道土建第三标段设计、施工和后期运营的全生命周期中，成为项目进行工程数据采集，建设过程集成管理，把控项目进程的综合管理平台。起到了缩加快工程建设进度，节约建筑材料，优化设计、施工方案的作用，实现了重要的经济和技术效益。
随着BIM应用软件的不断发展，以及BIM应用标准的逐步建立，BIM在隧道工程等领域的应用点将不断得以开发，对于丰富和完善BIM在全建筑行业的应用有良好的补充完善和促进作用。
参考文献：
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Zheng Nan， Chen Chen
(Powerchina Huadong Engineering， Hangzhou 310014, China)
Abstract：BIM technology as the use of three-dimensional geometric model of the building by means of an accurate expression of information integration platform，intuitive，analyzable，can be shared and manageability features.BIM technology currently used for large construction projects，in the tunnel project is rarely applied precedent.In this Article，in the background of the largest city tunnel group-Hangzhou purple tunnel engineering，explore the Application of BIM technology in large-scale tunnel project.
Key Words：BIM Technology； Microstation PowerCivilR； 3D Tunnel Model； Integrated Application
【作者简介】郑楠(1984-)，女，工学硕士，工程师。主要从事隧道及地下空间的设计及研究工作。
【中图分类号】TU17
【文献标识码】A
【文章编号】1674-7461(2016)05-0065-06
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