行业洞察：勾勒数字隧道的发展脉络

BIM技术展现了一个强大的过程， 允许业主、设计师和承包商更好地协作， 并且提高了项目合作伙伴之间共享信息的透明度。 尽管如此，与许多其他技术相比， BIM也成为了地下空间施工中最常用， 但又最容易被误解的流行语之一。 这可能是因为BIM的外在形象与其内部运作之间存在分歧。 非BIM专家可能更熟悉查看BIM应用过程中的产品 ——3D模型或渲染， 而BIM专业人员通常更关注BIM项目框架内的 组织和信息流层次结构（即工作流）。

关于“到底什么是BIM”的意见分歧已经可以在首字母缩略词中找到答案。但BIM专业人士（至少在美国）中的BIM，几乎完全被定义为“建筑信息模型”，而非BIM专业人士通常继续使用“建筑信息管理”一词。由于各种国家和国际组织提供的BIM定义通常含糊不清，使得这个定义的问题进一步复杂化。国际标准组织(ISO)19650系列将其描述为：建筑和土木工程信息的组织和数字化，包括建筑信息模型(BIM)——使用建筑信息模型的信息管理。

然而，隧道行业常用的是将BIM定义为：使用建筑资产的共享数字来表示和促进设计、施工和运营流程，从而为决策提供可靠的基础。

德国隧道委员会(DAUB)在更加关注隧道工程的文件——《隧道中的BIM》使用了类似的模糊语言，将BIM描述为：基于数字模型的协作方法，用于基础设施在整个生命周期内的设计、实施和运营。

这两种定义都使非BIM专业人士难以立即了解BIM是什么，尤其是BIM在隧道和地下工程领域的含义。尽管如此，这种模糊性还是有一定的必要性。BIM同时描述了一个信息管理过程，即如何在项目中创建和共享信息，使用者可以在项目的任一阶段访问和修改信息、模型（2D、3D或其他）、应用程序和软件操作习惯。

图1 英国BIM成熟度级别

使建设行业对BIM理解变得复杂化的最后一个问题是，在不同项目中的BIM应用水平。了解不同级别中的BIM应用深度，一个基础的方式是理解“BIM 成熟度级别”的概念，该概念由英国政府组建的BIM工作组于2011年引入。引入这些级别是为了帮助政府制定一个标准化的BIM实施框架，以评估政府资助的英国基础设施项目中的BIM应用水平。图1显示了 BIM 成熟度级别的图形。该图形描绘了在不同项目中可能达到的不同级别的BIM应用水平，以及它们之间的差异。虽然图形是以英国的项目情况为重点，但它的实用性可能会立即得到其他国家的认可。

例如，因为没有足够资金支撑的小型项目中可能不包含任何的BIM概念，所以达到的是BIM成熟度级别0。相比之下，较大的基础设施项目通常要求各方使用BIM，交付数字资产。因此，可能更接近BIM级别2或3。按照这个图形划分，可以说，在当前状态下，尤其是在美国的隧道行业中，BIM在不同项目中的成熟度不同，因此对不同的项目参与者也代表不同的情况。

与隧道工程领域中使用的其他几种技术或方法一样，BIM起源于隧道工程之外。虽然自从在建筑和工程中使用计算机以来，BIM的概念就以某种形式存在，但真正将BIM引入建筑工程领域是在2000年，作为软件制造商的Autodesk公司，开始更多地专注于开发BIM定制软件，该软件允许用户在对象/结构模型中集成更多设计信息，而不仅仅是2D或3D几何图形。尽管BIM的开发，最初更多的是用于建筑和建造，而不是直接用于隧道，但这也促使BIM在隧道行业中的采用提前开始。

在隧道掘进中，早期采用BIM通常是围绕BIM的特定用途，例如3D建模或冲突检测，而不是实施项目级信息管理框架。早期采用BIM的项目包括美国旧金山的中央地铁（Central Subway）项目、英国伦敦市中心的Crossrail项目。当时，美国Gall Zeidler Consultants隧道咨询公司也深度参与了这两个项目。

对于中央地铁项目,2008年至2010年间,在地铁车站项目的设计阶段都广泛使用了BIM。然而,BIM在车站设计中的应用仅限于最终结构，不包括施工阶段,也没有要求承包商在其施工组织计划中应用BIM,这也进而导致项目在后续阶段也无法使用BIM。英国Crossrail项目于2008年开始开发项目范围内的BIM应用场景和各种涉及的其他BIM应用流程。随后,在2012年英国政府要求在所有政府主导的大型项目中应用BIM。在Crossrail项目上使用 BIM 进行施工规划,有助于解决施工中遇到的各种挑战,并采取相应的解决方案。

由于BIM在这些早期项目中取得的成功，使BIM在行业中的采用变得更加普遍，尤其是在像英国这种强制使用BIM的国家。在Crossrail项目上成功应用BIM之后，另一个立即实施的BIM项目是沃克斯豪尔（Vauxhall）车站升级改造项目，美国Gall Zeidler Consultants隧道咨询公司为其提供了3D车站设计服务。图2展示了用于施工现场协调的车站项目3D模型。

图2 英国沃克斯豪尔车站项目中的施工现场3D模型

强制要求在所有主要的国内和国际隧道和地下建设项目中使用BIM，已成为更加标准的做法。举一些例子，加拿大多伦多的安大略线地铁、英国的HS2项目、法国的大巴黎地铁、奥地利和意大利之间的布伦纳基线隧道，以及纽约和新泽西的Gateway计划都指定了在某种程度上使用 BIM。然而，在这些项目中，将BIM整合到这些项目中的情况却存在很大的差异。

Gateway项目目前仅指定使用BIM作为支持工具。尽管BIM的使用受到了限制，但它仍然提供了强大的技术优势，例如在早期设计阶段的碰撞检测，或将规划中的隧道和竣工后结构的地理位置进行准确的定位，如图3所示。将Gateway的BIM应用水平与英国的HS2项目相比，可以发现，HS2在很大程度上几乎完全按照BIM原则运行。HS2项目的所有信息都在称为通用数据环境（CDE）的中央项目数据库上进行交换，并且以3D方式执行设计。这也带来很多额外的好处，例如早期设计阶段学科之间的冲突检测。

图3 规划中的哈德逊河隧道与新泽西州现有建筑物的相对位置

图4 英国HS2项目路线自动生成隧道模型

无论其集成水平如何，BIM软件都已经发展到无法再忽视其优势的程度。特别是从承包商的角度来看，3D、4D（3D+时间）和5D（3D+时间+成本）调度工具可以避免项目中的成本和时间超支，从而确保盈利。同样，利用BIM概念，项目咨询方可以为业主提供20年甚至10年前无法实现的服务。这方面的一个例子是在纽约市即将完成的东区通道项目的后期阶段，采用BIM作为项目施工管理工具。

BIM 软件和信息管理方法已经达到了一定的水平，允许业主、咨询方和承包商以100%的数字化方式建设隧道和地下工程项目，从设计到施工，最后到资产管理。尽管如此，某些障碍仍然阻碍了BIM在整个行业中的全面应用。

首先，当然也是最重要的，是对BIM缺乏深入的了解。BIM在项目中的成功应用需要所有参与者转变先入为主的观念，重新调整项目的工作流程。例如，3D设计比2D设计需要更多的前端协调。在传统的2D设计中，清除学科之间的冲突贯穿整个设计施工过程。相比之下，3D设计需要在所有设计阶段协调所有学科。同样，3D模型比2D模型需要花费更多的设置时间。诸如此类的问题也导致人们认为应用BIM平台将导致产生更高的成本。虽然这种想法对于初始设置时可能是正确的，但成功的BIM应用可以通过消除冲突来节约时间，降低整体项目的成本。

在隧道工程中采用BIM的另一个主要障碍是，现有的BIM软件并不总是以隧道工程为重点。虽然现有软件可以并且正在成功地用于隧道工程中，但并非所有的BIM建模软件都可以正确地模拟水平结构，例如隧道。同样，软件之间的数据交换通常会出现困难，因为隧道项目中的特定文件格式很少见。

幸运的是,业界正在解决上述两个挑战。为了解决对BIM认识不足的问题，隧道行业正在加紧制定更多的BIM项目标准,推进BIM的深化应用。ISO 19650系列虽然不是隧道专用的体系，但于2018年发布至今，已成为隧道行业的信息管理框架标准。同样，DAUB BIM指南在2019年发布后，又在2020年发布了更多补充材料。为了进一步推动这一趋势，国际隧道工程协会(ITA)第22号工作组的《隧道信息建模》，目前正在制定隧道工程中特定的BIM应用指南，该指南计划于2022年年中发布。

同样，行业和软件开发商正在解决隧道工程BIM软件缺乏特异性的问题。较新版本的建模软件越来越多地结合了站点（链）建模的功能，buildingSMART正在IFC-隧道项目下开发特别应用于隧道的非专有文件格式，以更好地在不同软件工具之间交换数据。

行业的另一个重大转变是采用BIM进行资产管理。随着越来越多的项目采用BIM，越来越多的在设计过程中创建“数字资产”，业主也越来越期望在设计和施工过程中创建的BIM模型用作资产管理工具。当前软件的复杂程度基本上允许创建资产的“数字孪生”，即资产的数字表示，其中包含维护和操作结构所需的所有相关过程信息。

随着数字化趋势的日益增强，不仅是隧道，而是所有行业，BIM概念肯定会根植于更多的隧道项目中。同时，随着软件技术的不断进步，隧道行业会变得越来越了解BIM，什么是BIM，以及如何看待 BIM，都将有进一步的发展。BIM是一个广泛的主题，包含许多想法、概念和技术，而10年或20年后，如果还有BIM的话，将会发展到什么程度，还有待观察。