隧道工程BIM应用现状与存在问题综述

戴林发宝

(中铁第四勘察设计研究院有限公司，武汉 430063)

隧道工程BIM应用现状与存在问题综述

戴林发宝

(中铁第四勘察设计研究院有限公司，武汉 430063)

与建筑业不同，隧道工程拥有“带状分布、与地质关系密切”等独特的特征，因此隧道工程BIM实施不能照搬建筑业中业已成熟的BIM技术路线。首先对BIM在隧道工程中的应用现状做全面的梳理，分别阐述山岭隧道工程、地铁区间隧道工程和市政隧道工程当前的BIM技术应用现状；然后分析和总结隧道工程在BIM实施的过程中遇到的问题和BIM技术推广过程中遇到的阻碍以及解决办法；最后提出BIM技术在隧道工程中的应用展望。

BIM;隧道工程；应用现状; 山岭隧道；地铁区间隧道；市政隧道；存在问题

BIM的理念早在30 年前就已经被提出来，正式引入工程建设行业也已经12年了[1-2]。对于BIM的定义，一直以来众说纷纭，比较完整的定义来自美国国家BIM标准[3]。建筑信息模型是设施具有物理和功能特征的数字化表达，因此是设施的共享信息资源，并且在全生命周期提供决策的可靠基础[4]。

2012 年1 月，住房与城乡建设部“关于印发2012年工程建设标准规范制订修订计划的通知”宣告了中国BIM 标准制定工作的正式启动，截止目前，已经发布了一系列的建筑BIM标准。2013年10月，住房与城乡建设部工程质量安全监管司发布了《关于推进BIM技术在建筑领域应用的指导意见》，明确了我国BIM发展的目标。

相比之BIM应用逐渐成熟的建筑业，隧道工程信息化水平很低，虽然由于手工绘图被计算机辅助设计替代，隧道工程设计的工作效率得到了显著的提高，但其本质是一种离散的资源管理模式，与BIM所具有的集中的资源管理模式相差甚远[5]。

隧道工程不同于工业、民用建筑工程，有其自身的特点。首先隧道工程呈带状分布，长度从几百米到几十千米，这与工业、民用建筑位于一个集中的区域截然不同[6]；其次隧道位于地下，与地质关系密切，往往地质勘察的准确度决定了隧道的设计质量；再者由于与工民建工程内容和属性截然不同，导致建筑编码分类不能涵盖隧道工程，从而导致建筑BIM标准不能应用于隧道工程。因此不能直接照搬工业、民用建筑的BIM技术路线。

虽然面临种种困难，但是近年来，国内一些工程建设单位开始尝试将BIM技术应用于隧道的设计、施工和管理中。本文旨在对BIM在隧道工程中的应用现状做全面的梳理，分别阐述山岭隧道工程、地铁区间隧道工程和市政隧道工程当前的应用现状，最后提出当前BIM实施存在的问题和难点。

1 BIM在山岭隧道中的应用研究

越岭隧道通常埋深大、隧道长，体量很大；地质条件复杂，可能穿越断层、破碎带、节理密集带，也可能遭遇岩溶、滑坡等不良地质；设计多以新奥法理论为基础，施工方法复杂，洞口和浅埋段主要采用明挖法；深埋段主要采用三台阶法、三台阶临时仰拱法、双侧壁导坑法、四步CD法等；项目建造管理模式多采用DBB的模式；其中复杂的地质条件和项目管理模式可能成为山岭隧道BIM应用的最大瓶颈，这也导致了山岭隧道BIM设计应用案例极少。

中铁二院采用达索平台探索铁路隧道工程各阶段BIM技术应用的解决方案，研究了基于达索平台的BIM技术应用路线。以总长4330 m的宝兰客运专线石鼓山隧道工程为例，从模型建立、信息附加、工程量计算、二维出图方面论述了BIM技术在规划设计阶段的应用；并将成果模型处理后应用于项目的施工和运营中[7]。如图1所示。

图1 洞口模型与甘特图[7]

中铁四院采用欧特克平台，以professional inventor和civil3d为核心建模软件，探索铁路隧道工程施工图设计阶段BIM技术应用的解决方案，编制了隧道BIM设计的企业级实施标准，提出了山岭隧道施工图BIM设计技术路线，并以全长8199 m的福平铁路新鼓山隧道为试点，全专业参与完成了隧道BIM设计。

该隧道进口下穿机场高速和南三环高速公路、出口上跨温福、福厦铁路联络线隧道，隧道范围设一处明挖工作井和一座斜井。精细的隧道BIM模型如图2所示。

图2 格栅钢架和工作井开挖模型

2 BIM在地铁区间隧道中的应用研究

由于轨道交通工程具有环境复杂，施工空间小等特殊性，再加上地铁业主的积极倡导， BIM在轨道交通工程中的应用有更多的尝试。上海地铁在项目建设上率先引进了 BIM 技术，轨交 9 号线延伸线、12 号线、13 号线、14 号线、17 号线等都采用了 BIM 技术来辅助项目的设计及施工，提升了项目整体建设水平和质量，减少了项目变更，降低了项目建设成本。北京地铁7号线，长沙地铁2号线、厦门地铁1号线、无锡地铁1 号线等地铁线路均不同程度地应用了BIM 技术[8-12]。

目前多数地铁BIM应用研究主要集中在车站方面。柯尉结合地铁车站工程的特点重点研究了将BIM技术应用于车站规划、设计、建造及运营维护等全过程的可行性，同时提出了BIM技术大规模应用需要解决的几个问题[13]。王慧琛等以地铁车站为例提出了目前BIM技术在地下建筑建造中应用的问题以及解决的一些思路[14]。何舢、沈亮峰等将BIM技术应用于车站管线综合设计[15-16]。

目前地铁业内对地铁区间隧道BIM应用研究很少。在上海轨道交通12号线某区间施工中，试点应用施工三维可视化平台。该平台将项目实时施工进度、隧道结构变形数据、地面沉降数据、建筑物沉降倾斜数据等实时变形监测信息，与 BIM 模型及周边 GIS数据进行整合，在 web 监测平台上以三维可视化的形式展示，并将重要信息实时发送至管理人员邮箱，辅助建设单位和施工单位及时掌握相关信息并做出应急反应[11]。伦敦目前正在进行的一项耗资260亿美元的地铁项目—Crossrail，该项目包含42 km隧道、37个车站等。该项目采用bently平台探索基础设施项目BIM的应用。Crossrail BIM文件包括1个中心数据库、25个设计合同、30个主要工程合约、1 000 000个CAD文件。Crossrail项目区间隧道如图3所示[17]。

图3 Crossrail项目[17]

3 BIM在市政隧道中的应用

近年来，为缓解日益拥堵的城市交通状况，市政隧道得到了蓬勃的发展。市政隧道通常埋深较浅，多采用明挖法施工；其上通常有重要的建筑物、管线等，对地表沉降有严格控制；地面交通复杂，多为下穿道路或铁路，或者为越江隧道。针对这些特点，国内的一些设计院就BIM技术在市政隧道中的应用做了初步的探索工作。

上海市城市建设设计研究总院根据上海陈翔路地下工程的特点，分析了BIM在工程总承包工程中的应用，对BIM技术在模型可视化、施工进度模拟、出图、碰撞检测及工程量统计等方面的应用做了相应的研究[18]。陈翔路地道结构模型和地质模型如图4所示。

图4 陈翔路地道结构模型和地质模型[21]

上海长江西路越江隧道应用 BIM相关软件 AUTODESK REVIT 和 AUTODESK NAVISWORKS 软件进行模型创建、施工过程模拟，突破传统，将BIM技术应用于管线改迁和道路翻交，事先排除了风险，提高了项目协调效率，取得了非常明显的效益[19]。管线改排和道路翻交如图5所示。

图5 管线改排和道路翻交[22]

4 隧道BIM应用存在问题

BIM技术已经给隧道工程带来了前所未有的机遇，BIM技术在引进和应用过程中也遇到了多方面的阻碍。与建筑业一样，一方面，BIM的引进遇到诸如培训的时间和费用、软件系统不成熟、BIM专家以及在软件硬件上的投资费用、外部动机、知识产权保护和相关法律的缺失、政府的宣传力度、经济回报不明显等客观问题;另一方面，BIM的实施也遇到诸如设计师设计思维及方法的转型障碍、设计企业短视现象严重以及业主变革驱动力不足等主观因素[20-26]。除此之外，BIM技术在隧道工程中的应用也存在一些其特有的难点和障碍。

标准问题。BIM标准的制定直接影响到BIM的应用和实施。没有标准的BIM应用，将无法实现BIM的系统优势[27]。BIM技术在隧道工程中的应用目前还处于探索阶段，没有BIM标准可供行业采用。

软件平台问题。现有的软件平台都没有针对隧道BIM设计的模块，只能借助建筑BIM设计软件或者制造业软件。正因如此，隧道BIM技术应用平台并不一致，有基于AutoDesk平台、达索系统和bently系统等的应用探索。而不同的平台必然导致模型互导和数据交互的困难。此外，目前采用的BIM软件多是国外软件，未考虑国内的设计流程、设计规范、设计习惯等，本地化水平较低，需要做大量的二次开发工作，这无疑加大了BIM技术推广应用的困难。

项目管理模式。目前大多数的隧道工程仍然采用传统的DBB模式，这种模式最大的缺点是设计与施工分离，限制信息交流，而这种分离给BIM的应用带来了重重阻碍，在这种模式下，BIM的应用往往只能局限于项目的某一阶段，无法将BIM技术应用于项目全生命周期[28]。

地质问题。对于市政隧道或地铁区间隧道，地质情况相对简单，通过现有的BIM软件可以建立地质实体模型。但是对于长大山岭隧道，地质模型庞大，往往有断层、破碎带等复杂地质构造，常规的BIM设计软件则很难建立精确的模型，必须依靠专业的地质软件完成建模，然而专业的地质软件与现有的BIM软件并不完全兼容，因此造成了地质模型放入整合系统后无法编辑，以及与隧道结构模型不能做布尔运算等问题。此外，目前地质模型的建立方法并未与当前普遍采用的地质钻孔相联系，这也导致了地质模型与现有的地质勘察的脱节。

与GIS的结合。隧道工程呈带状分布，长度从几百米到几十千米，项目的地理信息极为重要，因此，BIM与GIS的集成与融合带来的价值将是巨大的，方向也是明确的[3]。目前有许多这方面的尝试，比如新鼓山隧道在出口附近上跨温福、福厦联络线，为了清晰表达复杂的空间关系又不至于过分加大工作量，将google-earth地形导入infroworks中完成BIM模型创建，很好地展示了项目的三维关系；厦门轨道交通线路规划 直接采用GIS平台，可以清晰展示线路与周围建筑物的关系。然而，正如文献[3]所述，目前无论在技术上还是在管理上都还有许多需要讨论和解决的困难和挑战，简单的在GIS系统中使用BIM模型或反之都不是解决问题的办法。

5 解决对策

针对上文提出的隧道BIM应用存在的问题，这里也提出了目前隧道工程BIM应用障碍的解决对策。

(1)建立隧道工程BIM标准体系。BIM标准框架体系包括信息技术本身的标准，也包括针对企业信息技术应用的标准。现阶段，在铁路领域，中国铁路工程总公司已经着手研究BIM技术标准并取得了突破性的进展，目前已经完成铁路工程EBS分解和分类编码标准；企业级标准是BIM标准体系的重要基础，当前，一些大型铁路设计企业也开始制定本企业的铁路BIM设计标准；同时BIM标准体系的制定也是解决软件平台问题的重要基础。

(2)加快隧道BIM应用软件开发的步伐。目前的隧道建模平台、地质建模平台和GIS平台都还很不成熟。只有将BIM软件与我国的隧道工程规范、BIM设计标准相结合，隧道工程的BIM应用才能最终落到实地。

(3)改变管理模式。IPD管理模式是最大化实现BIM应用价值的最理想项目管理模式，其一体化团队协作的模式克服了传统建设项目管理模式项目各参与方处于对立位置的不利局面。因此传统的管理模式也是制约隧道BIM技术运用发展的因素，只有革新管理模式，才能最大化实现BIM应用价值。

6 结语

从目前的形势和行业发展趋势分析，BIM将是工程建设行业实现工业化和信息化的最重要的力量。BIM的热潮也从建筑业蔓延到基础设施行业，经过近几年的发展，隧道工程BIM应用取得了一定的成果，而且在隧道工程的各个领域都有了一定的应用，特别是在地铁领域已经有了更多更成熟的应用。隧道工程BIM应用的成功实践证明，BIM技术可以很好地指导隧道的设计和施工。但是，当前隧道工程BIM应用还处于初级的阶段，多数还属于单点应用，而且应用多局限于设计阶段使用，在施工和运营方面的应用较少。隧道工程的BIM之路才刚刚开始，还有很长的路要走。因此，为了更进一步促进隧道工程BIM技术应用，应该从加紧制定隧道工程BIM标准体系、加快应用软件开发、改变管理模式等方面为隧道BIM发展扫清障碍，加快隧道工程工业化和信息化发展。

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Study on Current Applications and Problems of BIM in Tunnel Engineering

DAILIN Fa-bao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063)

Unlike architecture， tunnel engineering has its own unique features， such as “zonal distribution and close relationship with geology”. So， the solution of BIM in tunnel engineering is totally different from that well established in architectural practice. Firstly， a comprehensive introduction of BIM applications in tunnel engineering is offered in this paper， including the application in mountain tunnels and subway tunnels and municipal tunnels. Secondly， the existing problems which hinder the application of BIM in tunnel engineering are analyzed and summarized during BIM implementation and promotion and solutions are presented. Finally， the expectations of BIM in tunnel engineering is put forward。

BIM; Tunnel engineering; Current application; Mountain tunnels; Subway tunnels; Municipal tunnels; Existing problems

2015-01-22；

2015-02-04

戴林发宝(1984—)，男，工程师，2011年毕业于西南交通大学，工学硕士，E-mail：275283120@qq.com。

1004-2954(2015)10-0099-04

U452

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.023