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[分享]BIM在铁路隧道洞身中的应用

发表于2021-10-09     28人浏览     1人跟帖     总热度:0  

BIM在铁路隧道洞身中的应用_1

提出基于传统设计模式的铁路隧道洞身BIM设计方法,在平台进行二次开发,整合BIM设计信息集成、可视化等特点,提升纵断面设计效率、改善附属洞室方案布置

 隧道洞身BIM设计概述
设计流程
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以三维线路、地形模型、地质体为基本设计数据,结合地质资料依次开展衬砌分段、工法分段及锚段插入、洞室布置等,纵断面设计依据传统设计方式,在二维纵断面图表中以交互形式进行设计,同时实现数据库、二维设计数据、三维设计模型的动态同步建立。

数据准备

通过线路设计工具对接线路数据库文件中的坡度表、曲线表及断链表等设计要素,生成隧道三维线路文件,该线路文件依据绝对坐标产生,因此基于该三维线路文件布置的隧道模型也具有真实坐标。

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三维线路文件生成
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地质信息模型生成与导出示意图
铁路隧道洞身BIM设计方法
标准断面库创建与维护

标准断面库创建分为两部分:一个是定义断面组成逻辑,另一个是逻辑结构下几何参数设置。首先根据项目需要选用数据库中的基础模板应用或在此基础模板上修改构成逻辑,构成逻辑包含基本逻辑和细节逻辑,基本逻辑是指单心圆、三心圆、五心圆等隧道内轮廓形式;细节逻辑是指某种轮廓形式下隧道组成方式,如组成逻辑中定义中心管为圆形则输入参数里中心管参数为半径、壁厚等,若组成逻辑中定义其为矩形则参数为宽、高及壁厚等,以图形选项的交互方式实现。

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隧道标准断面创建

标准断面库维护可通过选择断面类型改变逻辑类型或调整参数,也可导入Excel批量修改多个断面参数。

纵断面设计

纵断面设计采用“二维设计—数据库集成—三维设计”同步开展的模式进行。初始化纵断面参数,根据选择隧道基础信息推荐默认比例尺及预设表头模型,选定参数后生成二维纵断面设计表格。由地质信息及数据库参数初始化表格自动生成的内容包括:
根据围岩地质信息数据划分围岩分级、根据坡度表及竖曲线公式自动计算的设计高程及设计坡度、根据地质体模型及隧道进出口里程得出的地面高程、根据分段情况划分里程标注等。

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纵断面联动设计

完成纵断面初始化后,通过插入、移动、合并、修改等基础设计工具对衬砌分段进行设计调整,该过程中二维设计结果与数据库实现数据同步,同时结合标准断面库与二维衬砌分段生成三维隧道洞身模型,实现“二维设计—数据库—三维设计”之间的关联。
最后按照下锚段排布规则,以衬砌组的方式插入下锚段,插入下锚段继承原有衬砌基本类型。

附属洞室布置设计

根据隧道设计规范及设计原则中对避车洞、梯车洞、电缆余长腔等隧道中常规洞室的布置要求,按照一定间距进行常规洞室布置,在布置的同时参考衬砌分段结果,对部分洞室位置进行微调,避开衬砌分段、辅助坑道交叉口等位置,最后根据四电专业提资要求的特殊洞室位置布置特殊洞室,同时按照最优布置原则尽量使常规洞室与特殊洞室合并共用。

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附属洞室布置流程

结合纵断面设计数据库中的洞室位置,通过各附属洞室标准单元库,在洞身模型上完成附属洞室模型的生成,并完成与正洞的剪切。

参考模型设计与工程量计算

隧道纵断面设计与附属洞室布置完成后,对数据完备性与正确性进行检查,检查通过后进入工程量计算阶段。为保证工程量计算结果能够满足设计要求,提供参考模型与工程量计算表2种算量模式。
参考模型与基本隧道模型拥有共同ID,通过该ID可在基本模型中查看参考模型的几何和非几何信息。调用与衬砌分段信息对应整个隧道洞身的标准断面类型、分段长度及每延米工程数据,可计算得到隧道洞身或部分工区的工程量。

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参考模型小导管信息

工程量计算表的形式是导出数据库中纵断面设计所形成的工点数据,调用工程量计算表转译到程序内的计算公式,计算得出选定工区范围内工程量结果,并按相应格式输出Excel表格。

铁路隧道洞身BIM应用方法
围岩及风险分布

在隧道地质体模型、三维线路模型基础上,读取数据库中的隧道设计信息,在GIS平台中动态生成简化隧道模型,并根据选择设计信息类型对简化隧道模型进行类别区分,可实现隧道围岩等级、隧道风险分布、衬砌类型、施工方法、超期支护措施等多类设计信息的可视化表达。

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围岩等级分布
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隧道风险分布
隧道施工组织模拟

传统二维设计中,隧道施工组织需进行抽象的进度计算和图形处理,难以直观反映隧道施工组织设计内容。利用BIM技术可实现隧道施工组织设计的控制,并为后续施工管理提供基础数据。
导入BIM模型或在GIS平台中动态生成简化隧道模型,通过施工组织设计模块完成施工速度、施工时长的设置,再结合纵断面设计结果完成三维BIM构件的时间定义。

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隧道施工组织动态模拟

利用该功能开展隧道施工组织会审,综合了隧址区三维地形、地质体模型及正洞与辅助坑道洞口倾斜摄影、主体结构等模型,结合计划进度指标、工期安排等信息,形象展示各工点施工范围、完成时间、贯通位置、洞口场地情况,为隧道施工组织提供会审服务。

BIM与GIS技术融合

BIM与GIS实际是孤立的,在两者的融合中应着重考虑不同数据中几何信息、属性信息及空间尺度转换等问题。现有GIS和BIM技术融合相关研究都是以标准及IFC标准为载体展开。

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基于上述差异,为保证在模型导出过程中保留原有属性信息及几何信息,平台开发了相应的转换插件,但导出的模型缺失相应坐标信息,需在平台中为模型附加投影,以保证模型的位置放置准确。
同时,平台可融合OSGB格式的倾斜摄影数据并支持掏洞、整平、修改精细度等地形数据处理操作。导入基于栅格数据及地面影像数据生成的地形文件,可实现BIM+GIS的初步场景搭建。

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融合流程

通过重建模型拓扑关系及关联属性等方式,可基本保证导出BIM模型在材质、几何等方面与导出前一致,同时也可导出模型的附加属性,为工程信息化管理提供数据支撑。

基于平台的BIM解决方案

以某长大铁路为例,线路总长约1 500 km,穿越多条地震断裂带,经过区域具有“地形陡峻、板块活动强烈、地质灾害频发、生态环境敏感、气候条件恶劣、基础设施薄弱”六大特点。为实现该线路精细化信息管理的目的,平台除了需要融合各专业BIM模型与地形搭建基础场景外,还需考虑弃渣场、施工道路、施工电力、大临设施、地震断裂等重要工程信息的集成应用。
同时,由于该线路分标段设计,在模型建立初期需按标准对模型结构分层、模型细度、展示方式、结构树组成、附加信息等预先设立标准,以保证模型的统一性。
在BIM+GIS场景搭建完成的基础上,可利用对平台二次开发的方式,对项目概况、桥梁、隧道、路基、弃渣场、施工电力、施工道路、大临工程等各大模块开展应用开发。

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信息化管理应用流程
标准建立

各专业在开展具体应用前,应结合行业已发布标准及各专业具体的应用需求,总结相应应用点模型应具备的精度及属性附加要求,形成针对该铁路工程各阶段、各专业的项目级建模标准、交互标准、应用标准及流程标准。为满足铁路全生命周期信息化管理,应对模型结构树及具体构件附加属性内容进行详细梳理。
以矿山法隧道部分构件为例说明标准建立方式。在进行模型构件划分时,应尽可能细化组成构件,以保证精细化管理的需求,同时在模型建立时应附加定位信息、材质类型、施工方法等工程信息,以模型为载体实现铁路全生命周期管理。

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矿山法隧道部分构件分层方式及属性附加内容梳理
基础数据处理

为完善基础场景中对工程方案有重要影响的工程信息,场景中除应包含附加工程属性的BIM模型及包含地理信息的地形外,还应对施工道路、施工电力、大临设施、不良地质、地震断裂等信息进行表示。
通过在平台中对各专业展示效果的探索,选择利用矢量方式加载块状信息(大临设施、不良地质、环保区域范围等),利用GIS服务方式加载线状信息(施工道路、施工供电、地震断裂带、线路方案等)。

基于平台的各模块开发

为满足区域性、长线、大规模铁路工程信息化管理需求,在集成大量工程信息基础上,可针对各大重点模块进行开发,利用读取模型附加的各类属性信息及定位信息等,实现工点的快速定位及属性信息的快速读取。
数据存储方面可基于空间关系数据库,建立三维数据模型架构及存储了表面栅格数据的关联字段,同时利用数据库存储的信息建立一一映射的类型表及属性表。利用对数据访问层及领域层的开发实现模型属性信息的读取,并在平台中开展项目可视化分析及应用。

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BIM与GIS融合技术架构


来源: 环球晶点
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