石鼓山隧道附属洞室——BIM三维建模设计应用

0 引言

20年前的“甩图板”运动帮助中国工程建设行业在设计上实现了从纸、笔到电脑二维的飞跃^[1—2]。三维设计BIM技术是未来设计的趋势，它将给中国的工程建设行业带来另一场革命。将BIM设计应用到铁路行业是一个长期的过程，需要铁路设计各专业的通力配合与共同创造，它的实现不仅仅是一次设计技术的进步和更新换代，也促使铁路施工和运营方式转型，对整个铁路行业将会产生深远的影响^[3]。

目前，中国铁路行业中BIM技术已在一些项目中得到应用，如银川火车站工程^[4]、杭州东站工程^[5]、合肥南环线钢桁梁柔性拱桥工程^[6]及陈翔路地道工程^[7]等。相比之下，铁路隧道领域BIM技术尚在进一步研究中。依托2013G015-B《铁路工程建设信息化关键技术研究——基于BIM技术的铁路隧道建设管理信息化应用技术研究》这一科研课题，结合宝兰客运专线陕西段石鼓山隧道工程，利用达索平台中的CATIA软件，对石鼓山隧道附属洞室BIM三维建模的设计应用进行介绍。

石鼓山隧道位于宝鸡市渭滨区渭河南岸的石鼓镇杨家山的黄土残塬区，全长4330m，为双线隧道。设置15处专用洞室、3处无线直放站设备洞室及4处电力照明箱变洞室，共计22处附属洞室。以电力照明箱变洞室为例，具体介绍其BIM三围建模的设计过程。

1 建立模型架构

根据制定的命名规则，电力照明箱变洞室模型主要由3个不同截面的初期支护、二次衬砌、余长电缆腔、箱变基座、排水盲管、门框墙和后墙构成，其中对每个截面的初期支护、二次衬砌及门框墙、后墙结构还进行了更一步的细分，见图1—图2。2 建立骨架信息根据骨架设计的理念，电力照明箱变洞室在骨架信息

中定义了一系列内容，包括衬砌厚度、钢筋直径等参数的设置，与正洞相交里程、洞室轴线、每个截面的起始位置和终止位置、各个实体扫掠的第一环中心点和平面、箱变基座和通风窗口的位置、门框墙及后墙所在位置等（见图3）。

利用CATIA软件草图设计的功能绘制了一系列轮廓草图，包括每个截面的初支轮廓、二衬轮廓、余长电缆腔盖板及底板轮廓、钢筋网轮廓、钢架轮廓、二衬钢筋轮廓、箱变基座轮廓、排水盲管轮廓、门框墙轮廓及后墙轮廓等（见图4—图7），为后续三维实体模型的生成奠定基础。

3 建立实体模型

在草图绘制的基础上，按照设计要求利用CATIA软件创成式设计中的拉伸、扫掠、剪切、接合等功能制作知识工程模板，再利用知识工程阵列等功能建立起参数化的、可联动修改的隧道三维模型，包括初期支护（初喷、锚杆、钢筋网、钢架及复喷）、二次衬砌（混凝土、主筋、纵筋及箍筋）、箱变基座、排水盲管、后墙（混凝土、横向钢筋、竖向钢筋及箍筋）和门框墙等实体结构。

首先，根据草图输出并发布的各截面初喷和复喷的轮廓，选取对应各截面的引导曲线，通过实体扫掠功能，建立电力照明箱变洞室的初喷和复喷模型（见图8—图9）。

其次，分别在不同零件的输入条件中建立第一环锚杆、钢筋网、钢架和钢筋的模型，利用知识工程阵列等功能建立起实体尺寸和间距均可参数化的所有锚杆、钢筋网、钢架和钢筋实体模型（见图10—图14）。

然后，根据二衬混凝土、箱变基座、排水盲管和门框墙的草图输出轮廓，选取对应的实体扫掠起始截面和结束截面，通过实体扫掠、剪切、接合等功能，建立二衬混凝土和门框墙混凝土模型（见图15—图17）。

4 建立模板

实例建立起规范、标准、科学的电力照明箱变洞室模板之后，利用CATIA软件知识工程模板模块中的文档模板、超级副本等功能可快速生成本里程处电力照明箱变洞室的文档模板（见图18），然后利用文档实例化功能并设置合适的输入参数即可建立起其他里程处的电力照明箱变洞室三维模型（见图19）。

5 结束语

通过将BIM技术应用于石鼓山隧道工程中，使隧道设计由传统的2D向3D、4D转变，可大大提高工作效率，方便技术交底。同时，正在研究结合3D建模、信息融入等BIM技术在设计、施工、运维中的应用，以数字化、信息化和可视化的方式提升设计阶段的精度和深度，完成施工阶段的工程量自动统计、现场信息化管理，达到施工的信息无缝传递、管理协调、安全质量控制等目的，并使运营的信息接入、管理监控、维修养护等技术上升至崭新的高度，以期真正实现BIM技术在铁路隧道全生命周期中的应用。总之，BIM技术将为实现工程的安全、质量、环境、工期、投资等目标提供切实有效的技术保障，已取得一些成果，将在以后与各位同仁探讨。

来源：中国铁路BIM联盟专属期刊

《铁路技术创新》