BIM（Building Information Modeling）作为铁路工程建设信息化的重要技术，是数字铁路建设的核心技术之一^[1]。基于BIM技术建立的铁路工程信息模型，以工程设计信息为底层模型，叠加施工阶段信息，形成竣工模型，提供运行和维护信息基础，从而建立起覆盖全生命周期的数字铁路，推进铁路建设信息化、数字化向智能化发展^[2]。

近几年，雄安新区正以日新月异的速度发展着，作为国家的“千年大计”，其各项工程都是高标准、严要求。雄安东西轴铁路工程作为雄安新区的骨架工程，起自雄忻（雄安—忻州）高铁，由东向西以隧道形式穿越雄安新区起步区，其中，最主要的工程是地下明挖隧道，占线路全长的80%。开展基于BIM技术的明挖隧道设计应用，是雄安东西轴铁路建设信息化的方向，也是打造雄安新区数字型、智慧型城市的基础。以往铁路隧道BIM设计应用项目主要集中在山岭隧道和盾构隧道 ^[3]，明挖隧道的BIM设计应用较少。本文依托雄安东西轴铁路项目地下区间明挖隧道， 开展施工图精度为LOD3.5的BIM设计流程、方法、内容、交底及成果数据集成共享研究。

1   项目概况

雄安东西轴线全长24.838 km，其中，地下段有3座单洞双线明挖隧道，隧道全长19.98 km。按照中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）及雄安新区建设指挥部推进智慧城市、数字化城市的总体要求，依据铁路BIM联盟标准，在雄安东西轴项目开展全线、全专业高精度BIM设计，实现多参与方协同工作与数据共享。

在雄安东西轴全专业BIM设计及应用开展之初，相关单位编制了《雄安新区东西轴线工程BIM建模和交付标准》，对BIM设计范围、设计单元划分、采用标准、建模软件、建模内容、组织结构、几何表达精度、信息深度、命名规则等进行统一的规定。该标准主要针对设计阶段面向施工阶段的交付、应用及数据协同进行规定，同时指导各参与方（重点是施工单位）开展BIM技术深化应用，实现应用的可检验性、规范性及统一性，为BIM技术应用实施方案制定、项目管理等工作提供参考依据。

2   明挖隧道BIM设计方法

本文依托雄安东西轴项目，采用达索平台的Catia模块进行BIM设计，明挖隧道BIM设计方法如图1所示。

图  1  明挖隧道BIM设计方法

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2.1   协同设计空间建立

为雄安东西轴项目搭建协同设计空间，不同专业互为上下序关系，以结构树的形式排列，如图2所示。

图  2  协同设计空间专业结构树

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由各专业在各自结构树下创建模型，上序专业所发布的特征作为隧道专业 BIM 设计的主要设计依据。上序专业模型发布后，隧道专业可进行参考引用，在与上序专业联动的基础上保持独立。隧道专业结构树由主至次逐层划分为3层节点，分别为专业节点、专业工点和工项节点。其中，专业工点按照先开段和后期施工段的里程范围进行划分；工项节点包括洞门结构、明挖主体结构、附属洞室结构、明挖围护结构、地基处理、防水结构与其他专业接口工程、钢筋等。

2.2   隧道骨架设计

隧道骨架线主要包括主体结构骨架线和洞室骨架线。按照“骨架—模板”的设计方法^[4]，当明挖隧道的主体结构、开挖面、围护结构等各构件的空间位置发生变化时，模型能够基于原有的设计框架，自动实现设计变更。

线路骨架线作为整条线路的总骨架线，是隧道定位骨架的基础，包含了线路左线和线路右线。隧道骨架设计引用线路左线这条包含平面和纵断面信息的空间曲线；从施工图中读取隧道主体结构的分段起终点里程、各洞室所在的里程，以及轴线长度等基本设计信息，并利用Excel制作成输入信息表格；使用企业知识语言（EKL，Enterprise Knowledge Language）编写脚本程序，读取表格内容，智能生成隧道主体结构骨架线和洞室骨架线。

2.3   参数化模板建立

专业模板建立是隧道 BIM 设计必不可少的步骤之一。明挖隧道的建立包括洞门、拱形明洞衬砌结构、堵头墙、洞室、冠梁、钻孔灌注桩、地连墙、止水帷幕、抗浮梁、地基处理、混凝土支撑、钢支撑、过轨管等。

建立参数化的模板，可通过改变参数高效快速地完成同一类型不同尺寸的结构设计。以拱形明洞衬砌结构为例，采用曲墙带仰拱的拱形结构形式，拱顶、侧墙、仰拱尺寸根据隧道覆土厚度不同而变化。为了提高建模效率，在建立结构模板草图的同时，如图3所示，约束相关参数，包括线间距、衬砌宽度、直墙高度等，形成参数集，如图4所示，即可通过改变少量参数快速实现所有明挖主体结构模板的建立。

图  3  拱形衬砌结构草图

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图  4  拱形衬砌结构参数集

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3   明挖隧道BIM设计内容

3.1   主体及围护结构

不同于暗挖山岭隧道和盾构隧道，明挖隧道涉及到基坑开挖和大量围护结构，因此BIM设计内容有较大变化。实际施工顺序为先进行基坑开挖及围护结构施工，再对主体结构进行施工，但在BIM设计中，开挖面尺寸与隧道主体结构相关，围护结构分段与开挖面相关，因此形成了先进行隧道主体结构设计，再依次进行开挖面、围护结构设计的思路。明挖隧道主体、开挖面及围护结构模型如图5所示。

图  5  明挖隧道主体、开挖面及围护结构模型

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（1）主体结构设计：按照覆土厚度不同，采用不同尺寸的衬砌结构严格分段设计，主要包括洞门、明挖主体结构衬砌、堵头墙、仰拱填充、中心水沟等。调用已建立的参数化模板文件，以骨架线等输入条件为基础，形成明挖隧道主体结构模型。

（2）开挖面设计：利用二次开发的隧道开挖模块，根据隧道不同的覆土厚度及地质情况，确定不同段落的开挖面设计参数，实现开挖面与地形面自适应的参数化设计。由于开挖面是基于隧道结构生成的，当隧道结构参数调整时，开挖面联动调整^[5-6]，极大提高了BIM变更设计及优化的效率。

（3）围护结构设计：根据隧道开挖面模型生成围护结构骨架，再根据覆土厚度及地质情况确定不同支护参数，调用各个围护结构模板生成围护结构模型，包含钻孔灌注桩、地连墙、止水帷幕、冠梁、腰梁、内支撑等。同样，改变隧道结构参数，开挖面随之调整，围护结构也联动调整，实现明挖隧道主体结构与围护结构的同步参数化设计。

3.2   防水结构及接口工程

针对防水结构（包括止水带、防水卷材、横向排水管、环向变形缝引水盲管、垫层等）建立精细化BIM模型，其基本方法是基于主体结构模型，以标准横断面为基础绘制草图，定义几何参数，再根据结构的长度、里程等设计信息进行空间定位和实体构建。

明挖隧道接口工程涉及专业众多，各专业可在协同设计空间同时进行本专业BIM设计，不同接口及其处理方式如下。

（1）隧道洞口与路基的接口处：不同专业各自设计的边坡未考虑顺接问题，经过BIM优化设计，调整坡率将边坡顺接过渡，如图6所示。

图  6  隧道洞口与路基的接口优化

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（2）与轨道的接口：隧道内铺设无砟轨道。

（3）与建筑的接口：设置两处疏散竖井，包括内部梁板柱结构。

（4）与通信、信号的接口：在隧道左右侧预留通信电缆槽与信号电缆槽，设置通信设备专用洞室，面向大里程方向左侧，并根据通信专业要求预留过轨。

（5）与电力的接口：在隧道左右侧预留电力电缆槽，设置电力设备洞室，并根据电力专业要求预留过轨。

（6）与给排水的接口：根据给排水专业要求设置排水泵站。

（7）与接触网的接口：接触网存在隔离开关的位置处需要隧道专业预留开关洞。

3.3   参数化钢筋

针对明挖隧道的主体结构和围护结构进行参数化钢筋BIM设计，包括洞门钢筋、主体结构衬砌钢筋、洞室钢筋、竖井钢筋、钻孔桩及冠梁钢筋等。以钻孔灌注桩钢筋参数化BIM设计为例，先绘制单根桩的草图，约束相关参数（如桩径、桩长、桩间距等），随后建立单根桩的用户特征，通过资源表整合到对应的节点中，通过知识工程，在指定位置批量生成桩基中心点，并一一对应桩基用户特征以达到自动化建模的效果。通过对参数化草图及知识工程的运用，一定程度上实现了结构钢筋的快速正向设计。

4   明挖隧道BIM设计应用

4.1   BIM设计交底

BIM设计交底借助可视化的优势，弥补了传统图纸、文字、图片等材料交底造成的设计信息缺失或意图不明确等问题。本项目通过对比包含3D PDF在内的几种可表达三维场景的软件，最终确定采用兼容3D XML的图形设计软件Composer ^[7]，通过导入3D XML格式的BIM模型，利用标注、批注、局部放大镜、剖切、时间轴、测量、关键帧等工具，制作设计交底成果并发布为轻量化的EXE可执行文件，如图7所示。参建各方可直接打开交底文件进行查看和交互操作^[8]，解决了以往只能通过截图或制作视频来交底和应用BIM模型的难题。

图  7  Composer设计交底文件示意

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4.2   BIM数据集成与共享

为了满足本项目后续验工计价等施工管理应用的需求，自主研发了一套设计发布系统，如图8所示。在达索Catia中创建各专业模型后，将IFC格式的模型导入设计发布系统，实现各专业BIM模型的集成发布。由于模型编码是BIM技术应用和数据传递的重要载体，也是BIM全生命周期应用的关键环节^[9]，根据本项目验工计价的具体需要，将IFD编码、工经定额编号、几何尺寸、各结构工程量、施工方法等属性信息集成到该发布系统并进行协同管理，为参建各方共享完备的数据信息。

图  8  BIM成果设计发布系统界面

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5   结束语

本文依托雄安东西轴铁路项目，基于达索平台建立了多专业协同设计空间，开展了地下区间明挖隧道的BIM参数化设计，采用Composer实现BIM设计交底，并对BIM成果数据进行集成与共享，打通了BIM设计阶段向后续施工建设管理阶段数据传递的通道，对后续BIM技术在铁路工程的设计应用具有积极意义。由于明挖隧道结构类型众多，在设计或施工变更情况下，各个结构之间的联动变更效果有限，同时集成大量属性信息比较耗时耗力，下一步将继续探索更简便高效的设计、集成方法，并进行工程验证。