1  概述

随着我国传统产业数字化转型稳步推进，数字化信息技术必然会普遍运用到各行各业之中，铁路行业中“智能铁路”目标的提出和实施，表明提高铁路设计数字化、信息化水平是大势所趋^[1-3]。BIM技术作为实现高精度、全信息的整体模型设计技术为智能设计提供技术支持^[4]， 如何有效提高BIM设计的效率与精度受到了越来越广泛的重视^[5]。作为铁路项目中重要控制性工程，隧道工程目前数字化程度相对较低且软件功能不完善，为了解决这个问题许多专家学者进行了大量研究。徐博^[6]以银西高铁项目为研究试点探索了铁路工程正向设计技术路线。庞思雨等^[7]探索研究了BIM正向设计需要使用到的参数化建模技术。黄琦茗等^[8]基于MicroStation进行了隧道帽檐斜切式洞门参数化建模研究。田明阳等^[9]基于BIM技术对铁路隧道洞身设计方法进行了研究。李俊松等^[10]对BIM正向设计在高速铁路隧道工程中的应用进行了研究。黎宣伯等^[11]通过将BIM技术应用于高速公路隧道，阐述了BIM技术在隧道正向设计中的应用。

相较BIM应用初期先完成施工图后建三维模型的方式，BIM正向设计节省了翻模需要的人力、资源成本，提升了工作效率^[12-14]。在BIM正向设计基础上，结合目前的研究成果，提出一套基于Bentley平台的铁路隧道正向设计流程及方法，研发相应的正向设计软件，包含通过计算机自动读取信息的多专业协同、三维模型与二维图纸同步的二三维联动等功能，适应普速及高速铁路隧道，功能完善、易扩展，实现大幅提高设计效率、设计精度和设计质量的目标。 

2 技术路线

对市面常见的几个BIM设计平台进行比选，最终选用对长大带状模型支持较好，且全生命周期体系产品全面、可配置性强、稳定性高的Bentley平台作为依托^[15-16]。通过对铁路隧道工程特点、三维设计成果需求、铁路BIM规范标准、传统二维设计流程、多专业协同工作方式、专业数据标准和统一数据格式的研究，确定了一套铁路隧道BIM正向设计流程。在设计方式上选择传统设计人员习惯使用的纵断面设计方式，以纵断面设计作为主要隧道设计界面，使设计人员能够更快地从传统二维设计过渡到BIM正向设计。为确保正向设计流程顺利走通，基于Bentley平台下OpenRail Designer SDK,使用C#、C++语言混合编程进行开发，并将开发的功能整合到OpenRail Designer软件中自主设计的Ribbon界面中。

3 隧道BIM正向设计

3.1 专业设计流程

针对项目进行隧道专业原则和隧道专业接口要求的编写，根据设计原则选择复用模板库和构件库或创建新模板库和构件库。通过CDE协同设计平台导入线路模型、地质模型、地形模型、各专业接口要求并读取数据信息。利用隧道专业软件功能模块及模板库和构件库进行设计，最终形成包含三维模型、图纸及文件、工程数量的隧道专业设计成果（见图1）。

图1  隧道专业设计流程

3.2 隧道项目通用设计

    项目开展前期，进行隧道项目通用设计。在隧道专业设计原则、专业接口要求编写完成后，进行协同平台专业文件结构搭建，之后进行项目模板库、构件库参数化设计，为开展工点设计提供基础。

3.2.1 多专业协同平台

依托Bentley平台下ProjectWise协同设计软件，将流程管理系统和协同设计系统相结合，使用React前端框架技术，开发web端协同设计平台“CDE协同设计平台”。使用CDE协同设计平台创建项目文件结构（见图2），通过平台进行设计文件管理、校审管理、互提管理、模型文件参考关系记录、多版本设计文件记录。平台中文件操作可追溯，数据实时共享，参考关系明确，专业任务分解分配合理，使各专业设计人员突破空间限制，将设计内容及时更新到服务器中，实现专业间有序作业，互不冲突^[17]。

图2  CDE协同设计平台

3.2.2 模板库参数化设计

针对隧道中沿线路方向延伸的构件，一般采用建立参数化模板库的方式进行设计。根据隧道专业设计原则，进行隧道断面设计，创建项目在不同围岩等级下的隧道断面参数化模板库^[18]。使用研发软件，根据不同线路规格进行隧道横断面模板设计，首先选择隧道断面类型包含单心圆、三心圆、五心圆，通过修改模板参数对隧道断面，内轮廓、初期支护、二次衬砌、仰拱填充、水沟电缆槽等构件进行参数化设计，并储存为模板库文件（见图3）。通过在页面进行2D、3D预览判断断面是否正确，可检索并导入其他项目模板库进行复用或修改，通过在不同项目中使用，不断丰富模板库，达到在标准隧道工程中可直接使用既有模板库的阶段，提高设计效率，实现隧道模板信息化管理。

（a）隧道单心圆设计

（b）隧道五心圆设计

图3  模板库参数化设计界面

3.2.3 构件库参数化设计

针对隧道内间距布置或独立出现的构件，如锚杆、辅助措施、集水井等，不适合通过模板库进行拉伸设计，因此使用构件库进行参数化设计，将构件以共享单元的形式存储并根据设计需要批量放置在线路上。使用研发软件，导入模板库文件获取隧道断面数据，并在设计界面中输入不同构件参数，生成共享单元，储存在构件库文件中。以锚杆为例（见图4），点击选取衬砌断面获取模板库数据，输入拱顶环向间距、拱顶纵向间距、锚杆长度、锚杆直径等参数，点击生成锚杆单元形成构件库文件，通过OpenRail Designer自带的cell相关功能可对建立完成的构件库进行预览（见图5）。构件库配合模板库使用，在其他可复用模板库的项目中，配套构件库也可进行复用，实现隧道构件信息化管理。

图4  构件库（锚杆）参数化设计界面

图5  构件库（锚杆）cell界面

3.3 隧道项目工点设计

隧道项目通用设计完成后，根据不同隧道工点具体情况，开展隧道项目工点设计。创建隧道工点信息，使用研发软件进行隧道纵断面设计及洞门设计，并完成设计成果输出。

3.3.1 隧道纵断面设计

打开隧道工点文件后，通过工点信息功能录入工点名称、起始里程、终止里程，通过CDE协同设计平台参考线路、地形、地质模型并通过专业接口自动读取专业数据辅助设计，包含线路模型中空间位置、桩号、曲线要素等信息；地型模型中地形、地面高程、坡度等信息；地质模型中围岩、地层、地质纵断、工程地质、水文地质等信息。在纵断面视图使用围岩绘制、初期支护绘制、二次衬砌绘制、辅助措施绘制、施工工法绘制等工具进行纵断面表格的绘制。以围岩绘制为例，使用围岩绘制工具后，界面会出现窗口（见图6），随着鼠标在纵断面的移动，表中里程数值会根据读取的线路数据自动变化，围岩等级根据提取的地质数据自动变化，埋深根据提取的地形数据自动变化，通过移动鼠标调整里程或直接输入里程确定纵断面表格起终位置，进而完成整条隧道的纵断面表格设计。在设计过程中，通过实时读取其他专业数据进行协同设计，避免了人为获取数据发生错误的情况，提高了设计精度，符合正向设计思路。

图6  纵断面设计围岩绘制工具

3.3.2 隧道洞身模型生成

在完成纵断面设计后，通过软件获取纵断面表格中初支断面形式、衬砌断面形式、辅助措施形式等数据，配合模板库、构件库，在三维界面自动进行洞身模型生成。为解决以往二三维设计方式交互性不强、设计调整或变更后需同时修改二维设计成果和三维设计成果的问题，通过软件研发，结合自定义实体的属性管理将二维纵断面设计成果和生成的三维模型进行关联，在调整二维纵断面设计的同时三维模型会实时发生变化，实现二三维联动，具体方案如下（见图7）：

图7  二三维联动方案流程

（1）在OpenRail Designer软件中完成工点文件创建后建立两个Model，并分为2Dmodel和3DModel，其中纵断面设计在2DModel中进行，三维模型设计在3DModel中进行。

（2）在2DModel中建立非几何属性2DMainModel，在3DModel中建立非几何属性3DMainModel，将2DModel和2DMainModel的默认属性ElementID分别储存在3DMainModel的属性2DID和2DMainID中，将3DModel和3DMainModel的默认属性ElementID分别储存在2DMainModel的属性3DID和3DMainID中，完成两个Model的关系绑定。

（3）在2DModel中进行二维纵断面设计，二维纵断面表格中起始里程、终止里程、初支类型、二衬类型、钢架间距、辅助措施、序号等数据，分别储存在纵断面表格元素下对应的StartStation、EndStation、SupType、StruType、SteelSpace、MeasureType、Index等属性中，其中Index（序号）代表该段衬砌在整个工点的第几段。

（4）在3DModel中，通过3DMainModel中的2DID识别2DModel，读取2DModel中StartStation、EndStation、SupType、StruType等属性生成隧道正洞自定义实体，并将这些属性存入自定义实体中，另外添加Index属性进行分段管理。生成的每段衬砌里程范围内锚杆构件生成时，在3DMainModel非几何属性下新建一个非几何属性project以3DMainModelBolt命名，在3DMainModelBolt下储存该段的Index和段落内全部锚杆单元的ElementIDs。全部project的ElementIDs储存在3DMainModel的ProIDs中。辅助措施等其他构件创建的方法与锚杆类似，都通过project进行区分，通过ProIDs和ElementIDs进行分类和管理。

（5）修改纵断面设计，纵断面表格中的属性数据同步调整，2Dmodel中的属性数据变化通过自定义实体监控OnpropertyValueChanged触发StartStation、EndStation、SupType、StruType等衬砌断面类型属性变化，通过2DMainModel中的3DID识别3DModel，通过Index匹配属性变化的段落，实现正洞模型在3DModel中调整。锚杆、辅助措施等构件通过遍历3DModel中的3DMainModel属性ProIDs以获取各个project，接着遍历project的Index以获得需调整段落的3DMainModelBolt，锁定3DMainModelBolt中的ElementIDs以获取该段全部Element，也就是锚杆、辅助措施等元素，将这些元素从3DModel中移除，再通过调整后的各个属性重新创建元素并再次将Index和ElementIDs储存至该3DMainModel中。通过此种方法即可实现调整二维纵断面设计表格，三维隧道模型实时联动（见图8）。

图8  二三维联动生成模型窗口

使用此方法进行铁路隧道模型生成时，不是对二维设计成果进行翻模，而是同时完成二三维设计，调整或变更时只需在二维设计隧道纵断面上进行修改即可，三维隧道模型可实时随动，提高了设计效率，符合实际生产中正向设计的要求，更易实现自动化建模，明显提高隧道三维设计数字化程度。

3.3.3 隧道洞门参数化设计

隧道洞门设计方式类似于参数化构件设计，使用研发软件选择洞门形式，输入洞门参数生成洞门单元模型，根据需要放置在线路中。以斜切式洞门为例（见图9），进入斜切式洞门设计页面，选择线路规格并选取正洞衬砌断面后，默认洞门参数为该线路规格洞门通用图参数。根据需要进行参数调整，点击储存洞门单元会以洞门名称参数命名生成单独构件文件。选择线路后，点击洞门放置，则会根据洞门里程、位置等参数将洞门构件放置在线路元素上。在洞门模型上，还需要手动根据所在地层情况补充地基处理、特殊构件等目前尚未形成参数化的结构。

图9  洞门参数化设计窗口

隧道洞门过渡段结构使用自定义模板功能进行创建。绘制过渡段起始里程断面和终止里程断面，设置两种断面生成过渡段模型，挡墙等变化构件可根据起终里程断面自动拟合模型。边仰坡设计使用点控制功能，将放坡的边界点和地质模型拟合，相比传统设计方式使用断面来表示放坡高程，再将高程点相连的方法，使用BIM技术进行边仰坡正向设计，能够使洞门设计更好地和地质模型、地形模型相结合，使洞门设计可视化，提升了设计精度。

3.4 成果输出

3.4.1 三维模型应用

三维模型建立完成后，将全专业模型导入至基于GIS基础平台开发的多源数据融合平台中，对数据进行轻量化、瓦片化处理，构建虚拟仿真数字孪生模型（见图10）。平台有数字孪生场景浏览、BIM模型结构树分级定位、构件信息查询、场景测量及重点显示等功能。充分发挥BIM技术信息化、可视化的优势，为今后设计方案汇报、比选、优化及设计成果展示提供了良好的环境^[19]，为后续应用提供了平台基础。三维模型作为数据载体，为融合传感器数据模拟分析、复杂节点风险控制、指导施工、状态监测、风险管控及其他项目全生命周期应用提供了数据基础，满足数字化交付条件。

图10  多源数据融合平台

3.4.2 工程量统计

通过模板库形成的模型结构，软件自动计算单量数据并储存在模板文件中，通过模板单量和敷设长度进行计算，通过工程量查看窗口查询模板单量，可对单量进行修改并保存。通过构件库形成的模型结构，自动计算构件单量并储存在构件库中，通过构件单量和敷设长度除以间距得到的布置数量进行计算，可通过工程量窗口进行单量的手动修改。部分构件的单量有时不易通过软件自动计算，此时工程量窗口弹出单量为空，可手动进行填写。工点工程量计算完毕后，可自动导出为工经专业标准隧道工程量表格，或保存为数据文件和工经概算系统进行对接。

3.4.3 二维图纸生成

读取模板库和构件库数据，在界面自动绘制参考图断面并进行部分标注，特殊标注需要手动补充，参考图默认为模板文字，需要手动进行部分修改，加载图框单元，选择使用的图框进行放置，完成参考图的绘制。纵断面图可使用纵断面设计表格，补充部分标注后载入图框单元进行出图。平面图通过加载线路模型和地形模型，使用2D模式补充部分标注后载入图框单元进行出图。

4 未来展望

近年来，随着信息技术发展突飞猛进，智能化技术对高铁行业发展路径产生了深远影响，在政策与技术的双轮驱动下，中国及世界高铁进入“智能高铁时代” ^[20]。融合云计算、大数据、物联网、AI、5G、BIM、AR&VR等新技术，建立全生命周期数字孪生场景，是智能铁路发展方向之一， BIM技术作为信息化、智能化基础技术在智能铁路的发展中起到举足轻重的作用^[21]，使用BIM技术进行隧道正向设计的需求日益增大。目前BIM隧道正向设计已有一定研究成果，但距离全面投入生产还有一定距离，应更多结合项目深化研究，从设计者角度出发，收集项目使用需求，完善功能优化流程，提高智能化水平，降低使用门槛，使BIM正向设计能够真正发挥自身优势，实现铁路隧道工程设计的巨大变革。

5  结语

基于Bentley平台软件OpenRail Designer和研发软件，对铁路隧道BIM正向设计进行了研究。本次研究探索了铁路隧道BIM正向设计设计流程、多专业协同平台、模板库参数化设计、构件库参数化设计、隧道纵断面设计、隧道洞身模型生成、隧道洞门参数化设计、三维模型应用、工程量统计、二维图纸生成的整套系统，总结了BIM正向设计在可视化、参数化设计、信息化管理、多专业协同、结合地形设计等方面具有的优势，提出后续研究方向建议，为我院在铁路隧道项目中应用BIM正向设计积累了经验，为后续BIM正向设计研究提供了借鉴。

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