在国家政策号召下, BIM技术席卷整个建筑业, 工程中的BIM应用呈现出房建牵头, 公路、铁路、市政等领域协同并进的局面^[1]。相比于BIM技术在房建领域的应用水平, 隧道工程的BIM应用尚处于摸索阶段, 目前所进行的BIM研究多集中在技术路线探索、功能开发与应用两大方面。李君君等^[2]结合宝兰客运专线石鼓山隧道工程, 研究了BIM技术应用于铁路隧道三维设计中的技术路线。王潇潇等^[3]从BIM结构模型创建、3D模型可视化交底及4D模型虚拟施工等方面着手, 探索BIM虚拟技术在隧道施工和技术管理方面的应用。王志杰等^[4]从模型架构设计、模型参数化设计、碰撞检查和二维出图等BIM功能出发, 提出BIM在隧道设计方面的技术路线。黄廷等^[5]通过制定具体的BIM实施规划及设计架构, 实现公路隧道运维的可视化管理。戴林发宝^[6]在分析隧道工程BIM技术推广和应用阻碍的基础上, 提出了相应的解决对策。徐博^[7]依托西成客专清凉山隧道工程, 提出采用“基本模型+参考模型”的隧道工程BIM应用技术路线。

可以看出, 隧道工程领域正逐步形成以三维结构信息模型为核心, 以结构可视化、碰撞检测、工程量统计等功能为内容的BIM技术路线。但由于隧道工程的BIM应用尚处于初期摸索阶段, 上述BIM技术路线是否真正适用于隧道工程还有待进一步检验。本文通过总结分析隧道工程BIM技术发展现状, 对现阶段主流的BIM技术路线进行分析, 讨论其在实际工程建设中的应用价值。在此基础上, 以山岭隧道为研究对象, 探索切实可行的BIM技术路线, 旨在为推动BIM技术在隧道工程中的长足发展提供技术思路。

近些年来, 国内一些工程建设单位开始尝试将BIM技术应用到隧道工程的设计、施工和运维中, 并积累了一定的应用经验, 逐渐形成了以三维结构信息模型为核心, 以结构可视化、碰撞检测、工程量统计等功能为内容的BIM技术路线, 具体如图1所示。

上述BIM技术路线涉及工程设计、施工和运维3个阶段。在设计阶段, 设计方利用BIM建模软件进行隧道结构三维设计, 并提交带有完备设计信息的三维结构信息模型。在施工阶段, 可视化的三维结构信息模型有助于施工方解读工程信息, 并提供碰撞检查、工程量统计、虚拟施工等辅助施工功能。在后期运维阶段, 三维结构信息模型充当工程的可视化数据库, 提供文档搜索、查阅及定位, 提高工程资源的利用率。基于三维结构信息模型的被工程广泛运用的BIM功能如表1所示。

分析上述隧道工程BIM技术路线, 可以发现其与房建领域的BIM技术路线存在诸多相似之处, 都是以三维结构信息模型为核心, 且存在如结构可视化、碰撞检测、工程量统计、辅助出图等相似功能。究其原因, 除了隧道和房建同属于建筑结构外, 主要原因在于, BIM技术在房建领域的推广时间早、应用水平高, 相应BIM功能的开发应用体系较为健全, 隧道工程BIM技术路线的选择很容易受其影响。那么, 以三维结构信息模型为核心, 以结构可视化、碰撞检测、工程量统计等功能为内容的BIM技术路线是否真正适用于隧道工程领域, 是一个值得深入研究的战略性问题。

决策一种技术路线是否可取的关键在于判断其是否具有实际的应用价值。下面将结合隧道工程特点及BIM技术路线的核心内容, 点对点分析上述BIM技术路线在隧道工程建设中的实用性。

BIM的全拼是Building Information Modeling, 中文名为“建筑信息模型”, 尽管这个说法并不能完整和准确地描述BIM内涵, 但突出强调了信息模型是BIM的核心。本文所要论述的“三维结构信息模型”是目前建筑业应用最为广泛的BIM, 其录入了工程构筑物的所有设计信息 (如构件尺寸、材料、配筋信息等) , 相对于传统的CAD图纸而言, 其拥有强大的表达能力, 可大幅度减少结构设计和后续识图难度, 被广泛应用于诸如大型体育场、高楼等结构复杂的工程项目。

隧道作为一种典型的线状构筑物, 其结构相对简单, 基本可以用纵坡线和横断面图的组合形式表达清楚。同时, 隧道衬砌结构用材较为固定, 设计信息并不复杂。以三维结构信息模型为核心的隧道工程BIM技术路线完全无法发挥出三维结构信息模型在复杂结构表达和设计信息存储等方面的优势, 反而因为三维结构信息模型建模的需要, 增加了一定工作量。

BIM的可视化能力包括对人而言的信息可视化和对计算机而言的信息可计算化两层含义, 其中又以人的信息可视化为关注重点。

就目前的BIM应用水平而言, 可视化是BIM众多应用中最为突出的功能。在表1所列举的BIM常见功能中, 可视化在设计、施工和运维3个阶段中均有体现, 分别是设计阶段的可视化设计交底、施工阶段的可视化技术交底和运维阶段的3D漫游。

可以看出, BIM可视化能力主要体现在对复杂结构物的展示方面, 以直观的三维模型提高人们对工程结构的理解。而上述已经言明, 隧道是一种结构相对简单的构筑物, 传统的二维图纸完全可以传达人们所需的工程信息。因此, 就隧道结构而言, BIM可视化意义不大。

同时, 由于BIM与隧道数值模拟软件存在的接口问题以及数值模拟软件本身的计算精度问题, BIM的信息可计算化也没有太多实质意义。

碰撞检查是将不同专业的BIM信息模型导入专业碰撞检测软件, 及时检查出各模型构件在时间节点上的冲突或空间位置上的碰撞问题, 并进而优化工程设计, 减少项目实施过程中错误和返工可能性。由于碰撞检查的上述功能, 其被广泛应用于诸如建筑设计、结构设计、MEP设计等多专业协同设计的领域。

隧道设计也需要多专业协同配合, 其中又以土建和机电两方面最为重要。为了避免隧道土建设计和机电设计可能的冲突, 现行的隧道设计在空间和时间两方面都采取了相应对策。空间方面, 在隧道横断面上设有开挖轮廓线、内轮廓线及建筑限界3条界线, 通过将隧道土建部分限定于开挖轮廓线和内轮廓线之间, 机电部分限定于内轮廓线与建筑限界之间的措施, 从根本上杜绝了两者在空间位置上的碰撞可能性;时间方面, 隧道建设实行先土建施工, 后机电安装的方案, 有效消除了两者在时间节点上的潜在冲突。

可以看出, 隧道设计虽也是个多专业协同设计的领域, 但其现有的设计方案已能较好地避开构件冲突或碰撞问题, 故就目前而言, 碰撞检查功能对隧道设计而言实用性不强。

以三维结构信息模型为核心的隧道工程BIM技术路线远不止上述几个方面, 之所以选择这几个方面进行讨论, 主要原因在于, 三维结构信息模型是BIM技术路线的核心, 而结构可视化和碰撞检查是目前应用最广的BIM功能。用以上3方面内容展开隧道工程BIM技术路线实用性讨论虽有失周全, 但仍具有较强的代表性。

汇总上述3方面的讨论结果, 可以得出明确结论, 即以三维结构信息模型为核心, 结构可视化、碰撞检查等功能为内容的BIM技术路线在隧道工程中的应用价值偏低。出于隧道工程BIM应用长期发展的考虑, 工程技术人员应寻求更加适宜的BIM技术路线。

上述BIM技术路线不适用于隧道工程的本质原因在于其过多地仿效房建领域的BIM应用, 将研究重点放在了隧道结构上, 对隧道围岩的关注度严重不足。相比于房建, 隧道工程的难点不在于结构本身的设计, 而在于对隧道围岩的应对和处理。投入大量的精力去研究并不复杂的隧道结构所能产生的应用价值定然微薄。相比而言, 若能将BIM应用的重心放在复杂多变的隧道围岩上, 定然可以展开诸多有价值的研究。

在探索BIM技术路线之前, 首先要明确其所研究的对象。隧道工程作为一个工程领域, 可进一步细分为山岭隧道、地铁区段隧道和市政隧道三大类, 三者在设计、施工和运营等方面或多或少存在一定差异。下面以山岭隧道为研究对象, 结合其工程项目特点, 并从BIM选择和BIM功能开发两方面入手, 探讨适用于山岭隧道的BIM技术路线。

作为BIM中的一类, 三维地质信息模型可搭载不同地貌的地形、地质信息, 并能通过可视化功能, 将上述信息直观地展示出来。相比于传统的地质素描或文字描述, 三维地质信息模型对工程地质信息有更强的表达和存储能力, 尤其适用于受工程地质环境影响较大的工程建设领域。

山岭隧道作为穿山越岭的通道, 工程地质复杂, 可能遭遇断层、岩溶、滑坡等不良地质情况。采用三维地质信息模型作为山岭隧道BIM应用的信息模型, 符合以围岩为BIM应用重心的思路, 是明智选择。

采用如下应用流程, 将三维地质信息模型的建模和应用与山岭隧道的建设过程联系起来:通过隧道勘察阶段所获得的地形、地质资料, 采用相应的BIM建模软件, 建立初步的三维地质信息模型;依据三维地质信息模型所提供的地质资料, 设计方开展隧道设计工作;施工方依据设计图纸和三维地质信息模型进行隧道施工, 并根据洞内围岩出露情况, 对三维地质信息模型进行动态更新;隧道施工完成后, 生成最终的三维地质信息模型并存档, 作为隧道运维阶段地质资料查询的数据库, 具体流程如图2所示。

通过上述应用流程, 将三维地质信息模型与隧道工程建设活动紧密结合, 充分发挥三维地质模型的优势, 具体如下。

1) 三维地质信息模型对围岩地质特征的表达能力较强, 配合模型可视化功能, 可大幅度提高设计人员对工程地质环境的理解。

2) 三维地质信息模型的数据随隧道施工过程动态更新, 技术人员可通过三维地质信息模型的更新数据进行动态设计。当隧道围岩情况与原隧道设计情况有较大出入时, 其可作为设计变更的重要依据。

3) 三维地质信息模型对勘察阶段和施工阶段所获得的地质信息进行统一存储, 有效避免了地质信息在转交过程中的流失问题。

由于隧道深埋于地下, 其地质环境复杂多变, 仅依靠施工揭露围岩情况后再行处理的施工办法存在较大盲目性, 对突发情况的应对能力不足。隧道超前地质预报利用掌子面前方围岩与相邻介质间的物性差异 (如电阻率、波阻抗、介电常数等) , 并结合掌子面围岩出露情况, 提前预测掌子面前方的围岩情况, 为隧道的安全施工提供必要的技术支撑, 已成为隧道施工中的关键步骤。

但是, 目前超前地质预报仅考虑了掌子面处的围岩情况, 未全盘考虑工程所在区域的地质情况, 对已有地质资料利用不足。同时, 预报结果主要以报告的形式提交, 文字性描述预报范围和围岩情况缺少可读性。

若能将超前地质预报与BIM技术相结合, 立足于三维地质模型所提供的工程地质环境资料, 对隧道进行超前地质预报, 其预报结果必然更加可靠。将预报结果反映到三维地质信息模型中, 利用信息模型的可视化功能直观展示预报结果, 可大幅提高预报结果的可读性, 具体效果如图3所示。

隧道运维阶段, 因隧道维修、病害处理或附近其他工程建设等活动开展, 往往需要搜集隧道所在地的地质资料。但是, 传统的工程信息管理手段不高, 管理水平低下, 致使工程资料存储杂乱, 相关信息丢失严重, 隧道地质信息查询工作很难顺利进行。

三维地质信息模型建立在隧道勘察所获取的地形、地质资料的基础上, 并随隧洞内围岩揭露而不断修正和完善, 其所拥有的隧道地质资料相当完备。以三维地质信息模型为地质资料数据库, 构建地质信息查询软件, 通过查询软件输入里程桩号, 软件访问三维地质信息模型, 智能调用相应查询位置处的地质资料, 从而实现地质信息的快速查询。下面以隧道病害成因分析为例, 展示隧道地质信息查询软件的应用流程。

隧道病害包括渗漏水、衬砌裂损、隧道冻害、衬砌腐蚀等, 在采取相应处理措施之前, 必须分析病害成因, 以确保隧道病害处理措施能够“对症下药”。隧道病害的成因分析应从病害外观特征和病害段的地质信息两方面入手, 其中病害外观特征直接通过洞内观察获得, 而病害段地质信息则可借助于隧道地质信息查询软件获得, 具体流程如图4所示。

山岭隧道BIM技术路线应着眼于隧道建设与围岩关系, 紧密结合隧道设计与施工特点, 确保山岭隧道BIM技术应用价值的最大化。

在上述BIM选取和BIM功能开发的基础上, 提出建立以三维地质信息模型为核心, 以隧道动态设计、超前地质预报结构可视化和隧道地质资料查询等功能为内容的山岭隧道BIM技术路线, 具体如图5所示。

上述BIM技术路线仅是个空旷的构架, 尚需大量BIM功能来填充。在充实和完善BIM技术路线的过程中, 应坚持以应用价值作为BIM功能好坏的评价指标, 从而确保BIM技术路线的实用性。同时, 隧道工程的其他领域可仿效山岭隧道的BIM技术路线, 以三维地质信息模型为核心, 并结合自身工程特点, 开发具有实际应用价值的BIM功能, 逐渐探索出属于自身的BIM技术路线。

通过总结和分析隧道工程BIM应用现状, 发现其或多或少地受到房建领域的影响, 形成以三维结构信息模型为核心, 以结构可视化、碰撞检测、工程量统计等功能为内容的BIM技术路线, 但由于上述技术路线将BIM应用重心放在并不复杂的隧道结构上, 对隧道围岩的关注度不足, 其对隧道工程建设的应用价值偏低, 不利于隧道工程BIM技术的推广应用。

在探索山岭隧道BIM技术路线时, 充分考虑了山岭隧道地质条件复杂的情况, 并推荐选用对地质信息有较强存储和表达能力的三维地质信息模型作为BIM技术路线的核心。在此基础上, 结合隧道超前地质预报和隧道运维需求, 开发出较具实用性的隧道超前地质预报成果可视化功能和隧道地质信息查询功能, 进而形成了以三维地质信息模型为核心, 以隧道动态设计、超前地质预报结果可视化、地质信息查询等功能为内容的BIM技术路线。

隧道工程其他领域与山岭隧道在对待围岩问题上立场一致, 以三维地质信息模型作为BIM技术路线核心思路在整个隧道工程领域都是适用的。同时, 隧道工程各领域在设计、施工和运维阶段存在一定差异, 具体的BIM功能未必能够共用。在进行具体BIM功能开发时, 应以追求最大化的BIM应用价值作为首要原则, 不断提高BIM技术路线的实用性, 从而推动隧道工程BIM应用的长足发展。