1、173工程设计工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月“十四五”以来，国家加大了对 BIM 技术的推广力度，住建部在 2022 年 3 月印发“十四五”工程勘察设计行业发展规划，提出逐步推广 BIM 正向设计、协同设计，稳步提升数字化交付比例1。明挖地道是典型的地下工程，与地质条件关系紧密2，目前主要依靠二维设计，三维技术以“翻模”为主，即根据已有图纸创建三维模型，通过 BIM 技术逆向检验二维设基于达索 3DE 平台的明挖地道三维设计方法研究杨京鹏上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092Research on 3D Design Method of
2、 Open-cut Tunnel Based on Dassault 3DE PlatformYANG JingpengShanghai Municipal Engineering Design Institute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China055.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：杨京鹏，男，本科，工程师，研究方向为 BIM 技术研发与应用。计成果。设计人员除了先要完成二维设计，还要再创建三维模型，带来了额外的负担，阻碍了以三维模型为基础的 BIM 技术在此类工程中的推广。1 明挖地道传统设计和三维设计
3、传统的明挖地道设计一般由道路总体专业提交线路设计数据，结构专业在此基础上完成地道结构及围护设计，有很强的流程性。但也造成专业间的协同较差，影响设计进度。在表达形式上，二维图纸需要设计师先将地道三维形式解构成二维图纸，这个过程存在表达简化，施工人员理解不到位，就容易出现各种问题。在交付成果上，明挖地道二维设计主要以图纸交付，图纸会按不同的内容分类，如平面图、纵断面图、构造图、配筋图等，配合使用多张图纸才能掌握工程设计内容，也增大了图纸出错的概率。基于达索 3DE 平台的明挖地道三维设计是在一个协同的工作环境中进行设计3，设计人员根据设计权限共享设计内容，模型之间也有链接关系，可以缩短交接时间。在
4、表达形式上，明挖地道三维设计的思路是设计人员将设计理念直接转化为三维模型4，呈现内容更完整更丰富，施工人员能更好地理解设计成果。在交付成果上，三维设计的主要成果为模型和相关应用。2 明挖地道三维设计关键技术2.1 明挖地道编码在 BIM 技术的实施过程中，为了保证 BIM 行为的规范性和系统性，需要制定 BIM 技术实施标准，内容通常包括工作流程、协同平台、BIM 模型、BIM 应用摘要：明挖地道属于线性工程，且与地形、地质关系紧密，现阶段地道设计以二维技术应用为主，三维技术主要应用在“翻模”层面。文章基于达索 3DE 平台探索了明挖地道的三维设计方法，结合工程特点研究了明挖地道三维设计中的关
5、键技术，并对模型进行BIM 技术应用，总结出一套高效的三维设计流程，以供相关人员参考。关键词：明挖地道；三维设计；BIM 技术Abstract:The open-cut tunnel belongs to the linear engineering,and is closely related to the topography and geology.At present,the tunnel design is mainly based on the application of two-dimensional technology,and the 3D technology is ma
6、inly used in the turnover level.Based on the Dassault 3DE platform,this paper explores the 3D design method of open-cut tunnels,studies the key technologies in the 3D design of open-cut tunnels in combination with engineering characteristics and applies BIM technology to the model,and summarizes a s
7、et of efficient 3D design process for the reference of relevant personnel.Key Words:open-cut tunnel;3D design;BIM technology分类号：TU93174工程设计 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究及交付成果等，其中 BIM 模型的编码标准至关重要。至今，我国在国家层面发布实施的建筑信息模型分类和编码标准（GB/T 512692017）主要适用于建筑工程行业5。而明挖地道这类线性工程，采用基于道路中心线平纵横的设计方法，与建筑工程的轴网标高设计方法差异较大
8、。由于国标的适用性有限，明挖地道的编码集中在项目级和企业级的自主编码上，编码规则的不统一影响了模型的通用性。文章在已有国标建筑信息模型分类和编码标准（GB/T 512692017）的基础上，利用编码表中的编码留空，在相应位置插入新的分类编码，补充体现明挖地道特色的元素、产品、阶段、领域、行为、材质等内容。通过现有国标“引用”和明挖地道“扩展”的表现形式（见表 1），体现与现有国标的兼容性。在设计阶段的地道模型中融入模型编码，可以为施工、运维阶段的模型应用奠定基础。表 1 基于国标的明挖地道编码扩展示意2.2 三维地质创建目前有的明挖地道地质建模方法交互程度较差，无法处理断层、褶皱等复杂地质，有
9、的方法需要大量的勘察数据且过程中需要较多的人工干预。此研究基于达索 3DE 平台自主开发了线性工程的地质模型创建模块。模块以道路中心线、钻孔数据为输入条件，减少了需要的钻孔数据，可以分别创建初勘、详勘阶段的三维地质。该方法生成的钻孔柱状模型，可以查看其与明挖地道的位置关系，方便相关计算的钻孔选择。地质实体模型沿道路中心线生成（见图 1），模型的剖面与传统地质的剖面保持一致，可以为设计提供准确的地质依据。图 1 线形地质模型创建2.3 地道结构设计在设计地道结构时，首先根据道路交接数据创建三维中心线。三维中心线可以对地道工程结构进行有效的总体控制，实现骨架驱动模型。在基于达索 3DE平台上开发了
10、地道结构设计模块（见图 2），设计人员输入地道节段起点、终点桩号，选择道路类型和相关结构尺寸，模块会根据道路设计标高、现状标高等数据生成地道结构模型。基于道路设计数据生成的地道结构模型，除了可以创建标准段结构，还可以根据道路边线自动拟合生成复杂的变宽段，大幅度提高设计效率。图 2 明挖地道结构设计软件界面截图2.4 地道围护设计围护设计是明挖地道设计中的重要组成部分。首先构建明挖地道常用的围护结构模板库，如拉森钢板桩、重力挡土墙、SMW 工法桩、钻孔灌注桩、地连墙等。此外还在三维设计中融入了简单的知识库理念，在选择围护结构时，可以根据基坑适用深度、变形控制、止水效果、施工空间和周期等比选因素形
11、成推荐结果 见表 2（见下页）。设计时设计人员选择合适的围护形式，将地道结构边线和地质模型作为布设基准和设计依据。围护结构生成后，可以进行局部调整，如基坑转角、两种围编码类目名称备注14-20.00.00结构引用14-20.10.00地基基础引用14-20.10.03基础引用14-20.10.06基础梁引用14-20.10.09基础底板引用14-20.10.12基坑围护引用14-20.10.15桩引用引用14-63.20.00明挖隧道扩展14-63.20.05U 型槽扩展14-63.20.10填混凝土扩展14-63.70.00围护结构扩展14-63.70.05止水帷幕扩展14-63.70.10
12、围护桩扩展扩展175工程设计工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月护接缝等处，确保结构搭接满足规范要求（见图 3）。图 3 明挖地道围护设计3 明挖地道三维设计模型应用3.1 计算分析计算分析是确保地道安全性必不可少的手段。常规设计是在计算软件中，根据二维图纸输入数据计算，不足之处在于复杂结构建模困难，且遇到调整需要重新建模。三维设计可以将设计好的三维模型直接导入有限元分析软件中，输入荷载和边界条件后，直接计算分析。当不满足要求时，可以在三维设计平台中更改参数，模型自动更新调整，再导入计算软件中，可以帮助快速找到最优设计。3.2 工程量统计工程量统计与模型的精细度、编
13、码密切相关。创建 BIM 模型之前需要按照地道的结构关系及施工顺序制定拆分规则，如整体可以按照节段拆分，节段可以按照垫层、底板、侧墙、中墙、顶板等不同部位拆分。拆分后按照基于国标的明挖地道编码标准进行编码，在达索 3DE 平台中自定义报表模板，获取各部分模型的工程量。3.3 二维出图由于目前设计阶段具有法律效力的交付成果仍然是二维蓝图，在二维设计向三维设计的转型阶段，需要有通过三维模型出二维图纸这样的过渡期。如今建筑行业已经有三维模型直接用于施工的先例，可以预见 BIM 在其他建设工程中应用也不再是一个遥不可及的目标。在达索 3DE 平台中，将地道的工程图纸与三维模型相链接，嵌入结构模板中，当
14、三维设计调用模板时，二维图纸也随之生成。最后通过定制标注和图框，可以达到二维出图的要求。4 结束语文章基于达索 3DE 平台研究了明挖地道的三维设计方法，分析了传统二维设计和三维设计的特点，介绍了明挖地道编码、三维地质创建、地道结构设计、围护设计等关键技术，并将三维设计与计算分析、工程量统计、二维出图等主要设计内容对接，形成一套完整的明挖地道三维设计流程。相信随着技术的发展，三维设计将大幅度提高明挖地道的设计质量和效率，在设计手段的数字化转型上发挥重要作用。参考文献1 发挥引领作用提升建设质效 推进城乡建设高质量发展:“十四五”工程勘察设计行业发展规划解读J.工程建设标准化,2022(7):3
15、6-38.2 程马遥,曾洋.BIM 技术在地铁工程中的数据库建立及其应用J.山东农业大学学报(自然科学版),2021,52(1):115-119.3 刘忠伟,汪优,周盛,等.深圳市交通建设领域BIM 标准体系框架研究J.土木建筑工程信息技术,2021,13(2):44-50.4 冯山群.达索3DEXPERIENCE 平台基于隧道BIM 模型的数值分析研究J.铁道标准设计,2018,62(9):114-118.5 齐成龙.基于达索平台的铁路土建工程BIM 协同设计技术研究J.铁路计算机应用,2022,31(8):46-51.表 2 明挖地道围护比选围护结构类型支护刚度适用深度 H/m变形控制止水效果施工空间施工扰动施工周期造价控制拉森钢板桩最弱3 8差一般满足桩长净高大最短小重力式挡墙弱3 5主动变形，差好横向宽度0.8H小短小SMW 工法桩中4 12较好好机械高度24 28 m小较短中钻孔灌注桩强4 18好较好最小约 8 m小较短较高地下连续墙最强12 25最好最好最小约 12 m小长高钻孔咬合桩强5 20好好最小约 8 m较大长高