内蒙古中尧建筑工程有限责任公司 内蒙古呼和浩特 010030
摘要：建筑信息模型（BIM）技术在土木工程多个领域已得到广泛应用。由于隧道工程具有带状分布、地质条件密切相关等独特的特征，其结构形式与建筑工程也有较大差异，因此BIM技术在隧道工程中的应用与建筑工程相比具有一定的特殊性。
关键词：建筑信息模型；（BIM）技术；隧道工程
1 隧道工程信息建模技术现状与分析
1.1 隧道工程信息建模技术现状
1.1.1隧道结构BIM建模
目前主流的BIM建模软件缺少隧道结构所需的模型族库，直接建立隧道结构模型有诸多不便。现有的隧道结构BIM建模方法可分为两类：（1）提取隧道轴线、建立参数化模型单元、将模型单元沿轴线拼接；（2）开发隧道辅助设计系统，根据轴线坐标和参数化断面设计，建立一体化隧道结构模型。在山岭隧道方面，基于IFCAlignment1.0标准，对铁路工程常用缓和曲线统一参数表达、里程系统和非几何属性等进行扩充与修改，实现隧道中心线数据精确传递，自动生成线路中心线对象。利用Microstation软件建立能够重复使用、参数驱动的隧道三维模型单元，提高设计效率和模型标准化程度。将不同围岩等级的参数化单元构件模型根据地质情况，沿三维轴线拉伸和拼装形成整条隧道模型。针对隧道中存在的横通道等附属结构，开发了洞室与暗洞相交点的自动剪切程序，提高隧道接口处建模的效率。在盾构隧道方面，建立盾构隧道管片参数化模型，根据隧道线路自动计算每环管片的安装位置坐标和方向向量，通过拼装形成盾构隧道整体结构模型。除通过拼接模型单元建立完整隧道外，基于BIM软件开发隧道辅助设计系统，通过坐标数据生成三维轴线，经参数化断面设计后建立洞身模型，并附加构件属性信息，最后对横通道进行自动识别和剪切，得到一体化隧道结构模型。上述建模方法均已较为成熟，能够方便并且较为准确地建立隧道结构BIM模型。然而在一些结构特殊部位，例如结构形式改变处、横通道位置处等，一般还是需要较多的人工处理。
1.1.2 BIM与GIS集成
隧道工程信息模型需要将结构信息模型与地形地质信息模型相结合，以保证其完全性。结构信息模型主要在BIM软件中建立，地形地质信息模型主要在GIS软件中建立，两者集成在一起有三种做法：（1）将GIS数据载入BIM。例如，PowerCivil软件建立隧道模型与地形地质三维模型，通过IFD编码实现结构和地质属性信息的附加，将地质模型与隧道结构模型集成于BIM平台；通过二次开发，将GIS空间分析得到的地质风险评估结果显示在BIM平台上，实现对GIS数据的管理；（2）将BIM模型载入GIS。在GIS中集成隧道BIM模型、三维地形地质模型，利用数据库存储隧道线形定位坐标与地质岩溶信息，实现隧道定位、岩溶病害查询等功能。（3）将BIM与GIS数据导入第三方平台集成，利用ID建立两个模型之间的准确映射，将几何模型和属性数据关联，集成于Web等平台综合分析隧道安全风险。
以上方法通过ID映射关联几何与属性信息，均能有效地将隧道工程BIM模型与GIS数据集成，避免数据丢失。当关注协同设计、仿真模拟、工程量计算与出图等应用时，将GIS数据载入BIM平台具有优势；当关注施工进度管理、地质灾害与风险评估等功能时，将BIM模型载入GIS中更有优势。
1.2 隧道工程信息模型建模技术分析
尽管主流的BIM建模软件缺少隧道结构所需的模型族库，但是通过二次开发或辅助设计系统，隧道结构BIM建模技术已基本成熟，下一步重点需要解决结构形式改变、横通道等特殊部位的高效建模，以及设计变更时隧道模型的自动更新问题。在结构信息模型与地形地质信息模型集成方面，目前技术已日趋成熟且有多种实现方式，应根据应用需求特点来选择具体采用哪种集成方式。
在隧道模型LOD分级方面，目前已基本达成共识，但在模型轻量化展示上，更多地需要软件技术支持。
2 BIM技术在隧道工程中应用现状与分析
2.1 BIM技术在隧道工程中的应用现状
2.1.1规划与勘查阶段
美国国家建筑科学研究院在国家标准中总结了BIM技术在项目中的应用，其中包括规划阶段，2013年上海市规划国土资源局发布了《上海市建设工程三维审批规划管理试行意见》，明确了BIM在规划方面应用的作用与地位，然而BIM技术在隧道等地下工程规划与勘查阶段的应用案例仍然少见报道。
2.1.2设计阶段
隧道工程设计阶段一项重要工作是通过计算确定隧道结构的设计尺寸和材料用量等。首先，基于隧道工程BIM模型，通过提取模型中的几何与属性等关键数据，能够自动生成有限元计算模型，并对结构设计进行优化，在保证安全的同时降低工程成本。提出了用于盾构隧道掘进过程信息建模、结构分析和可视化设计的SATBIM平台，开发了全自动隧道建模器，建立不同LOD的数值模型，实现了高度自动化的模型生成、设置和执行功能，有效提高计算效率。通过提取地层数据与隧道几何数据，生成隧道BIM模型，结合二次开发，进行网格划分，导入FLAC软件实现有限元计算，并将计算结果导入BIM模型进行渲染，实现基于BIM的有限元计算结果可视化。其次，隧道结构BIM模型能够实现正洞、附属洞室、辅助坑道等工程量的自动计算与输出，提高建设成本计算的精度和效率。此外，在BIM软件中修改三维模型能够自动更新二维图纸，实现二维辅助出图，在设计变更时提高工作效率。最后，隧道BIM模型可以和通风、机电、给排水等集成在一起，实现各专业的协同设计与信息共享，在工程施工前进行碰撞检查，避免出现空间矛盾等问题。建立了盾构隧道多尺度协作平台，支持多个用户同时修改模型，实现隧道工程协同设计，有效提高建模与设计效率。在铁路工程领域，已有多项研究探索BIM技术在隧道工程中的应用，基于Bentley平台开发隧道辅助设计系统，根据围岩状况精确建立隧道设计模型，并结合IFC/IFD编码标准，实现自动附加工程信息，建立了完整的铁路隧道辅助设计流程。BIM技术在隧道工程设计阶段已日趋成熟，逐步应用于有限元模型的自动生成和计算结果可视化、工程量统计、二维辅助出图、碰撞检查等多个方面。
2.2 BIM技术在隧道工程中的应用分析
现有研究表明，BIM技术在隧道工程的设计、施工和运维中已经得到较为广泛的应用，其中在设计阶段的应用最为成熟，在施工阶段和运维阶段的应用也越来越深入。目前，BIM技术在施工阶段应在多源地质信息综合管理、施工安全信息综合管理与风险动态分析、设计变更、模型自动更新等方面继续深入，为隧道动态设计与施工提供信息化技术支撑，使BIM真正成为业主、设计、施工、监理和监测等单位之间的高效信息共享平台。BIM技术还要加强全寿命周期集成平台的研发，推进BIM从设计到施工和运维的全寿命持续应用。未来BIM技术还要与大数据管理和智能分析相结合，实现隧道设计、施工和运维的智能化辅助决策。
结束语
现阶段我国在隧道工程信息模型技术标准上较为领先，对BIM技术在隧道工程中的应用起到了重要的推动作用。下一步应完善与隧道工程密切相关的地质信息模型标准，并将信息模型技术标准向施工阶段和运维阶段延伸。此外，形成专门针对隧道工程的信息模型标准，对于促进不同行业中隧道工程的BIM应用将有着重要的作用。
参考文献：
[1]杨奔.滨海旅游建筑信息模型的应用[J].广东建材，2019，35（4）：77-78.
[2]钱勇.中职建筑信息模型（BIM）技术课程教学探讨[J].广西教育，2019，（22）：59-60.