铁路隧道BIM设计软件——中铁二院

1.  软  件  概  况

     

《铁路工程隧道三维BIM正向设计系统V1.0》是一款以Bentley OpenRail Designer为基础平台，围绕隧道专业的正向设计流程进行了专业性二次开发，满足铁路工程隧道设计标准流程、融合隧道生产实际经验、实现隧道标准化交付的BIM设计软件。该软件创新应用三维设计理念，结合隧道专业设计数据库和文件服务器，极大的改善了资源共享效率低、协同设计程度低的现状，在保证设计效率的同时结合BIM的优势显著提高设计质量。  

 

 

2.  总 体 技 术 路 线

     

整个软件在功能设计上沿用传统二维设计流程，搭载设计数据库及云文件服务器实现BIM设计数据的实时存储与在线共享。首先，通过设计准备接入地质、测绘、线路等专业互提资料；接着，开展标准化参考图设计形成正洞、辅助坑道、附属洞室的标准化结构数据；然后，结合标准化结构数据完成各隧道工点的洞口、洞身及其他附属设施的细节设计；最后，在BIM设计过程中同步输出满足行业及项目交付要求的二维图纸、工程数量及三维模型。

 

 

 

整个软件在功能设计上沿用传统二维设计流程，搭载设计数据库及云文件服务器实现BIM设计数据的实时存储与在线共享。首先，通过设计准备接入地质、测绘、线路等专业互提资料；接着，开展标准化参考图设计形成正洞、辅助坑道、附属洞室的标准化结构数据；然后，结合标准化结构数据完成各隧道工点的洞口、洞身及其他附属设施的细节设计；最后，在BIM设计过程中同步输出满足行业及项目交付要求的二维图纸、工程数量及三维模型。

 

（1）通用设计  

通用设计主要完成项目前期正洞、辅助坑道洞身、附属洞室等标准化参考图设计，包含类型管理、参数化轮廓设计、特殊轮廓设计、钢架交互式设计等共计63个功能。  

①类型管理  

所有标准化参考图构件均采用三级结构树进行管理，各设计数据使用范围更加直观，不同类型构件设计数据的查询及修改更加便捷。

 

②参数化轮廓设计  

开发隧道轮廓参数化交互设计工具，设计人员根据项目需要调整左侧必要的设计参数完成衬砌设计，右侧提供实时的模型预览辅助设计人员核查轮廓是否满足设计要求，针对同一参考图的同类轮廓仅需修改少量参数便能快速批量完成断面设计，大大减少了原来需要手动制作三维模板库或绘制断面参考图的工作量。

 

③特殊轮廓设计  

针对部分无法完全利用参数化进行设计的结构轮廓，如明洞衬砌、满足特殊结构要求的洞身衬砌等，开发了一套特殊轮廓设计功能，对参数化轮廓进行补充。通过该功能可完成任意轮廓的设计定义，对不同构件的名称、图层及类型进行配置，并上传至云端文件服务器进行共享，实现特殊、异形轮廓的数据化，保证了后期的设计、算量、建模工作的需要。

 

④钢架设计  

针对隧道型钢、格栅钢架，若完全采用参数化设计，设计参数较多且灵活性不强，不便于设计人员使用。为解决这一问题，本软件采用了参数化+交互式的方式完成型钢钢架、格栅钢架设计，节点板采用参数化设计确保了不同钢架结构节点快速精确的设计，节点及其他附属构件采用交互式设计，设计人员自由可根据需要灵活调整布置数量和布置位置，确保了设计通用性。

 

（2）工点设计  

工点设计是在通用设计轮廓基础上根据隧道工点的实际情况开展洞门结构设计、洞身纵断面设计等工作，实现各个工点的详细设计。  

①设计工具箱  

为提高工点设计效率，根据隧道人员设计习惯以及统计要求制作了一些辅助工点设计的小工具，以提高工作效率。包括属性显示、结构树、里程查询、埋深统计、用地统计等。  

 

②洞身设计  

洞身设计模块继承传统二维纵断面图设计思路，通过人机交互式操作实现基于围岩分段的纵断面快速分段、插入、移动、合并、修改，以及段落工法和支护的自动更新等纵断面基础设计功能；通过调用预先设置的下锚段参数，自动计算对应锚段，完成锚段半自动化设计；自动调取预先配置的线间距参数，结合衬砌断面参数化轮廓，快速实现衬砌断面加宽设计；根据地质专业提供的不良地质、涌水等基础信息，实现一键纵断面特殊信息设计。支持线间距、不良地质、数据线等表格的一键输出功能，实现不同比例尺、表格行的快速调整出图。

 

③洞口设计  

受限于地质专业提资，传统CAD环境下二维设计洞口里程断面基本由相邻具备勘察数据的断面推测得到，导致设计与施工现场存在误差。本软件在洞口设计方面采用全三维的设计理念，开发了截水天沟、挡墙、边仰坡等设计工具，较大地提升洞口设计的准确性和合理性，充分发挥数据共享的价值。

 

（3）辅助坑道设计  

辅助坑道设计功能在工点设计洞身、洞口设计基础上额外增加了辅助坑道管理功能，用于管理和配置同一条隧道中不同辅助坑道长度、围岩分段、平纵坡度等信息，便于后期色设计输出及信息附加，其中平纵信息可直接提取ORD中绘制的辅助坑道线位得到。

 

（4）特殊设计  

除所有隧道工点设计都会涉及的洞口、洞身设计外，针对长大隧道、重难点隧道还包括施组、碴场、通风、防灾救援等特殊设计。  

①施工组织设计  

结合交汇面快速求解、施组线自动绘制、平导施组绘制、辅助坑道快速增设、施组图一键绘制等功能，辅助设计人员快速、准确地完成施组设计。通过读取预先配置的施组速度、折减数据，自动结合工点围岩、衬砌分段等因素给出推荐的工点施组方案，用户通过编辑施组功能开展深入的施组设计。  

②弃渣场设计  

通过绘制初始碴场平面线，设计碴场堆放范围（封闭线框），根据地形条件设计碴场挡墙形式、高度、厚度等，结合三维地形、碴场支档结构等生成三维模型，并快速计算碴场方量，供设计人员校核碴场设计的合理性，最终一键生成碴场剖面图和工程量。  

（5）设计输出  

基于设计数据实现二维三维成果的输出，包括二维设计图纸生成、三维模型生成、工程信息附加等功能。  

①二维图纸生成  

利用图框设计工具通过选择图纸尺寸及图纸审查级别自动生成参数化的设计图框，并根据登录信息自动填写图框中相关内容；通过图纸调整功能实现纵断面的标准化出图，可在洞身纵断面设计成果的基础上动态调整出图内容，满足不同项目出图要求。

 

②三维建模  

开发洞身批量生成工具，在隧道洞身、洞口设计完成后快速建立正洞、附属硐室、辅助坑道等模型。通过读取隧道设计数据库纵断面设计成果，自动计算起止里程的长度，核对段落长度等信息，辅助设计人员快速建立洞身模型，并自动完成交叉构件之间的布尔运算（如附属硐室与正洞之间的剪切计算）。开发标准段建模工具，根据通用参考图设计信息一键生成标准衬砌段落的精细模型，包括超前支护、初期支护（钢架、喷射混凝土、钢筋网）、二次衬砌（模筑混凝土、钢筋）等，建模精度可达到LOD400。

 

③通用信息附加  

大部分BIM模型在完成设计建模的同时会自动附加相应的设计信息，但铁路BIM联盟标准要求的部分非几何信息以及施工阶段信息需要手动添加，为了提高信息附加效率提供通用信息附加工具，可以自定义图层及信息类型并批量完成信息附加工作。

 

本软件深度结合了传统设计习惯及设计生产成果需求，在兼顾隧道BIM正向设计思路的前提下，实现隧道设计BIM建模、出图提质增效的综合目标。  

产品使用前，BIM项目中隧道模型工作量巨大，需要大量人力推进建模工作，首先需要按照隧道参考图导入CAD，手动描绘隧道参考图2000余张，并按隧道工点衬砌表按里程、线路创建隧道洞身模型，并手动剪切附属洞室、辅助坑道连接等部分内容，除此之外还需要按标准附加隧道信息，信息条数达上百万条，工作量极大。没有该软件前，只能按照Bentley软件原生功能创建可研精度模型，无法达到业主要求，使用软件后，团队项目技术路线得以梳理，能够采用该软件合同要求的完成初步阶段、施工图阶段模型及信息附加，在建模效率方面，相比应用软件原生功能开展建模可综合提高工作效率超过30倍。  

在多个铁路BIM项目中，隧道相关工作均依赖该软件，其工作效率得以明显提升。在2021-2023年前后3年的使用中，该软件将60-70人的工作团队人力成本（54座隧道及2000个参考图断面），压缩到了7人的隧道开发应用小组，人力成本减少显著。项目对海量信息数据的自动添加，能够显著减少人工填报的错误数量，效果明显。  

在设计质量方面，通过高原铁路、西昆铁路、成渝中线等项目完成系统性试用并开展设计优化，总计核查问题157处，其中洞口问题75项、洞身问题58项、接口问题24项，为设计质量提升提供三维设计新思路、新方法。