“洞见”数字化隧道——山岭隧道BIM建模系统的研究与实现

山岭隧道的隐蔽性与不稳定性等特征导致传统的隧道设计方式难度高，重复工作多。为此，将BIM技术引入隧道工程，进行隧道BIM建模系统的关键技术研究与系统研发。

近年来，随着我国中西部地区的快速发展，山岭隧道项目的数量与占比快速增多。不同于地下隧道，山岭隧道具有围岩水文地质条件复杂，特殊岩土多，建设困难，施工环境恶劣，安全风险高等问题，已成为中西部高速公路建设中的重点与难点。

隧道洞口部分是隧道项目建设的重点，隧道洞口段一般埋深浅，风化程度深，稳定性差，是隧道中最薄弱的环节，所以洞口对隧道设计总体过程来说是最重要的一环，需利用多种技术手段去规避问题。传统的洞口设计方式会先确定洞门的位置，再根据洞口附近地形确定洞门类型及构造，并计算洞门强度及验算洞门稳定性。这种设计方式在面对地质情况较为恶劣，进出口地形复杂的中长隧道时,CAD手动绘图与人工创建携带洞身衬砌属性的信息模型,耗费设计人员大量的时间与精力。在出现错误需要修改时也会产生大量的重复劳动,导致效率低下。因此隧道领域也亟需有效的数字化手段来提高设计与建模效率。

国内设计院和科研院校在隧道设计与建模软件方面已经开展了相关研发工作。例如，在Microstation平台上研究隧道洞门相关设计方法，在三维地模的基础上，基于BIM技术完成端墙式洞门参数化设计与仰坡设计。另外，有人研发出了能实现翼墙式、台阶式、新型切削式隧道洞门设计的铁路隧道工程辅助设计系统；还有人研发了隧道结构辅助设计系统，能够计算洞口主要工程数量，最终形成隧道工点图。而且，有人专门研究了帽檐斜切式洞门参数化建模的相关技术，基于MicroStation的开发工具MVBA，开发了能进行帽檐斜切式洞门模型构建的程序。上述研究基本是针对洞口地形构建、隧洞洞门设计与建模、隧道洞口的仿真模拟等单一领域进行研究，尚未有囊括山岭隧道洞口与洞身设计、衬砌工程量计算、洞门和洞身的信息模型创建等内容的系统性软件。因此，笔者团队立足于高速公路中的山岭隧道，研究了相关洞口地形与模型构建技术，并进一步研发隧道BIM建模系统，实现公路山岭隧道的设计与模型快速创建。

关键技术突破

模型携带属性方法的研究

山岭隧道受地质情况影响大，设计过程中，岩体特征对设计方案的选择起到至关重要的作用。隧道洞身会受到地质构造或地应力等影响，处于不同围岩条件下的洞身会采用不同的衬砌方案。隧道模型创建时，应根据隧道模型所处围岩等级情况设计合适的衬砌方案，并根据模型尺寸及衬砌方案计算对应的工程量。因此，模型应携带相应的地层岩性信息、衬砌设计方案信息、路线定位信息等，从而为设计人员提供全面的参考，并快速计算获取隧道支护工程数量，支撑后续数字化交付。

经过对比分析，携带方式采用XML数据格式对数据进行存储与传输，它可以用于描述各种类型的数据，包括文本、数字、图像、音频和视频等；可以存储在各种类型的数据库中，例如关系型数据库、NoSQL数据库和文档数据库等，灵活性较强。

将XML文件与BIM模型文件分开存储，并对模型与XML文件分别赋予相同的唯一编码，在系统中查看模型时，根据唯一编码去索引对应的XML文件，再将XML文件中存储的模型信息读取到系统中。这种方式能够降低内存占有率，提高运行与加载效率，满足大体量模型携带属性信息的功能需求。

洞口三维地形构建技术

三维数字地形模型的建立是开展洞口三维设计的基础，构建三维地形的基础数据来源于航空摄影测量、人工测量、LiDAR测量及卫星图像测绘等，同时还可来源于网络免费的DEM和DOM数据。根据经验，山岭隧道洞口设计所需的地形，一般取横向300m、纵向200m的范围。

三维地形构建优先考虑了地形三角化算法，因后续的隧道洞口地形需要结合洞门结构及边仰坡的计算，所以采用三角化算法一方面可以快速响应设计方案可视化需求，另一方面能够最大程度保证设计精度。

地形三角化算法采用了相对成熟的Delaunay三角剖分，其主要是在给定的点集中构建一个无重叠的三角形集合，使得每个三角形内部不包含其他点，并且所有三角形的外接圆内不包含其他点。首先，计算点集的凸壳，即包含所有点的最小凸多边形，凸壳可以通过Graham扫描算法或Jarvis步进算法等计算得到；然后，在点集的凸壳上构建一个大三角形，确保所有点都在三角形内部，再从点集中遍历其他点加入到三角网格中，逐步生成整体的地形三角形；最终对不符合要求的三角形进行优化，并删除大三角形。

隧道洞门参数化

山岭隧道常见的洞门形式主要有端墙式、翼墙式、削竹式和环框式，对上述形式进行参数化研究。

（a）墙身内轮廓信息

（b）墙身剖面

图1 端墙式洞门结构分解

为实现隧道洞门参数化建模，需要根据各洞门形式的结构特点对洞门构件进行拆分与创建。端墙式洞门轮廓可分解为左侧轮廓、右侧轮廓、墙顶轮廓分别建模然后融合（图1a），洞门墙身分为帽檐、墙身、墙趾与墙后排水沟四块区域（图1b），墙身通过立面拉伸放样结合布尔运算得到，左右侧墙趾通过墙趾侧面尺寸拉伸放样得到，排水沟根据墙体长度与水沟宽度放样得到。翼墙式洞门同样可拆分为洞口端墙、翼墙墙身、墙后排水沟、帽檐等构件，根据每个构件的所填尺寸数据进行参数化模型创建，再以洞口位置为基点，按照各构件之间的位置关系将各个构件组装到一起，完成隧道洞门的三维模型创建。

系统框架设计

隧道BIM建模系统，是一款面向隧道专业设计人员与BIM建模人员开发的用于隧道模型参数设计与快速化建模的软件。系统能够基于路线、地质、地形等基础数据，完成隧道洞身的模型参数化创建，以及洞门交互式创建，可将模型以通用格式进行导出，与其他常用建模软件数据互通。系统具有支持隧道洞身支护衬砌方案设计、支持端墙式及削竹式洞门交互式设计、支持洞身参数化模型创建、工程数量统计与展示等特点，可应用于隧道洞身预设计、隧道洞门动态设计与隧道模型创建等场景。

根据技术目标与研究内容，系统采用分层架构设计，架构由数据层、支撑层、功能层、展示层组成。

其中，数据层为Sqlite数据库，存储了基础数据和建模数据；支撑层包含Unity、OCC与C#，Unity用于模型场景展示与模型创建，OCC用于创建隧道洞门与地形模型，C#部分包含业务规则、路线API与其他相关建模插件；功能层包含了系统主要的功能模块：数据管理、通用库设置、洞身设置、洞门设置、模型创建导出等；展示层为Winform窗口和Unity、OCC三部分。

图2 系统架构

作为前处理数据,再采用可自定义的通用模板库对洞身模型进行参数化设计，用调整参数实时建模的方式，对多洞门模型进行交互式设计，最后合并洞身与洞门模型，使用通用模型格式输出。

建模系统的实现与应用

系统的功能设计应具有模块化、面向对象、低耦合、方便使用的特点，通过合理划分模块与设计对象粒度大小，将隧道BIM设计系统分成互相关联却又相互独立的多个功能。根据技术路线，经过研究后为系统需要能够实现设计资料录入，支护衬砌方案设计、隧道总体参数设置、洞身三维模型创建、洞门交互式建模、模型拼装与输出。由此演化出的功能模块为项目管理、基础数据、模型设计、模型创建、通用库。

各功能模块的主要功能为：项目管理——隧道项目新建、打开、另存为与项目关闭；基础数据——路线与地质数据录入，隧道洞口地形的尺寸设计；模型设计——隧道总体断面划分与洞身断面设计；模型创建——洞门模型创建、地形模型创建、模型融合；通用库——支护衬砌方案设计、隧道洞门断面设计、隧道路面结构设计、洞身设施设置。

系统功能的使用流程为数据设置—模板库设置—隧道段落划分—洞身衬砌方案设置—隧道横断面设置—带地形洞门模型创建—洞身三维模型创建—洞身洞门模型拼装。

系统完成后，进行多次用户测试，根据用户意见多次对系统功能进行更改与优化，并在贵州省都匀至安顺高速公路项目中毛尖、竹林寨、华高岭隧道等工点中得到了实际应用。

以毛尖隧道在系统中的应用情况与流程为例。设计人员导入毛尖隧道洞口位置处的DEM数字地面模型文件，解析后按照所需尺寸进行裁剪，创建起点洞门地形与终点洞门地形。导入毛尖隧道沿线围岩地质数据，设计支护衬砌库等通用模板后进行隧道横断面结构设计。根据地形数据与洞门类型交互式创建带地形洞门模型，根据洞身设计数据创建洞身三维模型。带地形洞门模型与洞身模型融合后，将整体隧道模型以通用格式输出，为项目实施过程中数字化设计与交付提供了支持。

图3 隧道横断面设计

图4 端墙式洞门交互式设计

立足于隧道项目设计的实际需求，提出了基于BIM的山岭隧道建模系统的研究，在突破种种技术难关后实现了隧道的洞门与地形融合交互，洞身的方案设计与模型构建，模型的尺寸与工程量属性携带。在都安高速毛尖隧道等项目设计中的使用，实现了隧道设计与建模需求，验证了系统的稳定性与可行性，提高了隧道洞身设计质量与洞门设计效率。

目前，系统对地质条件可输入的信息门类不足，衬砌方案设计精细度仍有欠缺。面对复杂的地形与特殊的洞门时，地形与洞门的开挖融合处理不够完善，需要进一步的研究地形构建与切割技术，不断地优化改进系统。

本文刊载 / 《BIM视界》杂志

2023年 第2期 总第25期

作者 / 胡玉龙 胡燕 刘云飞 等

作者单位 / 中交第二公路勘察设计研究院有限公司

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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