盾構(gòu)隧道三維參數(shù)化建模技術(shù)研究*

程雨秋，王國(guó)光,3，楊禮國(guó),3，斯鐵冬，林志軍

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，浙江 杭州311122；3.浙江省工程數(shù)字化技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311122）

二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)歷了飛速發(fā)展，帶動(dòng)了相關(guān)城市軌道交通工程產(chǎn)業(yè)的急速進(jìn)步與發(fā)展。為了提高工程設(shè)計(jì)效率，緊跟計(jì)算機(jī)輔助制圖技術(shù)的進(jìn)步與普及發(fā)展進(jìn)程，BIM技術(shù)在隧道工程行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。

在城市軌道交通工程中，常由于掘進(jìn)工作面受到較大的限制，以及基于工期、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等各個(gè)方面的考慮，為滿足施工速度、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)等各方面要求，采用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工是最佳選擇。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，隧道工程行業(yè)已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)的套標(biāo)準(zhǔn)圖出圖并指導(dǎo)施工的現(xiàn)狀，開(kāi)始逐漸要求設(shè)計(jì)單位提供包含設(shè)計(jì)參數(shù)的BIM模型。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些盾構(gòu)隧道管片排版軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)管片分塊、接縫設(shè)計(jì)，支持通用環(huán)、直線環(huán)+左右轉(zhuǎn)彎環(huán)排版計(jì)算，但是信息輸入不便，擬合排版也未考慮優(yōu)先點(diǎn)位及管片埋深。

對(duì)此，文章以單圓盾構(gòu)、裝配式襯砌為基礎(chǔ)，通過(guò)盾構(gòu)隧道三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究，采用Bentley MicroStation基礎(chǔ)平臺(tái)方案，開(kāi)發(fā)出一套可適用不同隧道半徑、襯砌厚度、分塊模式、拼裝方式、螺栓形式、環(huán)縱縫接頭等的盾構(gòu)隧道管片軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其基于線路三維模型，考慮推薦優(yōu)先點(diǎn)位及優(yōu)先度，滿足各種控制條件下通用環(huán)管片設(shè)計(jì)排版及根據(jù)埋深對(duì)管片預(yù)制加工的要求，對(duì)參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行集成，能彌補(bǔ)以往盾構(gòu)管片建模方面的不足。

1 盾構(gòu)隧道參數(shù)化關(guān)鍵技術(shù)

1.1 管片參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化建模是參數(shù)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，在眾多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法中占主導(dǎo)地位。參數(shù)化模型由一個(gè)個(gè)零件組成，零件又由多個(gè)特征組成，即參數(shù)化模型可以拆分成不同數(shù)量的特征。特征可以分為兩種，正空間特征是凸起的且真實(shí)存在的部分，負(fù)空間特征是通過(guò)布爾運(yùn)算減去的局部凹陷。管片正空間特征如環(huán)縫凸起部分，負(fù)空間特征如注漿孔等。

參數(shù)化建模分兩種：（1）利用基本特征進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，即通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)元素模型進(jìn)行布爾運(yùn)算完成建模[1]。（2）利用草圖進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，即通過(guò)二維圖形進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)（掃描、旋轉(zhuǎn)、拉伸）完成建模。兩種參數(shù)化建模方法的過(guò)程中均只能有一個(gè)主特征，通過(guò)在主特征上依附其他的特征，再將這些特征通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)等進(jìn)行定位，并與主特征保持固定的位置關(guān)系從而完成建模。

盾構(gòu)管片參數(shù)化建模中，既用到了基本特征參數(shù)化設(shè)計(jì)，也用到了草圖參數(shù)化設(shè)計(jì)。盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)中，參數(shù)分為分塊參數(shù)、楔形量、環(huán)縫參數(shù)、縱縫參數(shù)、管片連接和細(xì)部構(gòu)造六個(gè)部分，主特征為指定半徑和厚度的一個(gè)圓柱體。管片三維模型創(chuàng)建流程如圖1所示。具體管環(huán)整體效果如圖2所示，管片效果如圖3所示。

圖1 管片三維模型創(chuàng)建流程

圖2 管環(huán)模型示意

圖3 管片效果

1.2 管片排版建模

在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，隧道建模需要放置大量的管環(huán)。在創(chuàng)建模型時(shí)，通過(guò)路徑模型可得到排版數(shù)據(jù)表，表中包含序號(hào)、環(huán)號(hào)、中心點(diǎn)里程、中點(diǎn)坐標(biāo)、止點(diǎn)坐標(biāo)、管片類型、拼裝點(diǎn)位、埋深等信息，如果通過(guò)手動(dòng)一個(gè)個(gè)放置，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力。排版數(shù)據(jù)示例如表1所示。Shared Cell的定義（VBA中的Shared Cell Definition Element對(duì)象），定義事先寫入DGN中，類似一個(gè)普通的cell但不可見(jiàn)。使用中，當(dāng)反復(fù)調(diào)用同一個(gè)Shared Cell時(shí)，其所占用的磁盤容量會(huì)比反復(fù)調(diào)用cell小得多，尤其是當(dāng)cell很大時(shí)，可以節(jié)約很多磁盤空間。Shared Cell類似于Auto CAD中的塊（Block）。因此，

表1 排版數(shù)據(jù)示例

導(dǎo)入表格后，程序后臺(tái)通過(guò)Bentley中ExcelApplication獲取到完整的表格文件，再選擇其中的指定工作簿，將其中的內(nèi)容轉(zhuǎn)成DataTable數(shù)據(jù)，再通過(guò)讀取DataTable數(shù)據(jù)獲得每個(gè)環(huán)的類型、位置以及旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位。管片的放置分為三步，如圖4所示。排版建模后效果如圖5所示。

圖4 管片放置步驟流程

圖5 排版建模后效果

1.3 管片模型共享單元

在模型排版建模階段，需要將同一管環(huán)進(jìn)行多次放置。在Microstation中，cell是一個(gè)復(fù)雜元素，由一個(gè)單元頭和其包含的分量元素組成。如果使用cell進(jìn)行排版建模，反復(fù)對(duì)同一個(gè)cell進(jìn)行調(diào)用，占用空間大、調(diào)用時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響建模效率。

共享單元（Shared Cell）是一個(gè)簡(jiǎn)單元素，指向在管片放置時(shí)，程序首先加載指定的cell文件，然后獲取添加的cell library的名稱，接著通過(guò)名稱依次獲取其中的cell元素，并根據(jù)這些cell元素生成對(duì)應(yīng)的Shared Cell，再進(jìn)行放置，節(jié)約磁盤空間，以防止放置后當(dāng)前dgn文件所占磁盤空間過(guò)大，進(jìn)而影響其他設(shè)計(jì)流程的操作。

1.4 管片屬性掛接

管片排版建模后，實(shí)際使用中經(jīng)常需要查看部分管環(huán)的信息。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，程序通過(guò)EC Framework技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)各個(gè)管環(huán)除中止點(diǎn)外的信息，并掛接到對(duì)應(yīng)管環(huán)上。EC Framework是Bentley公司為增強(qiáng)不同軟件之間的信息傳導(dǎo)而提出的技術(shù)框架，規(guī)定了一系列接口，支持不同數(shù)據(jù)源，可提高系統(tǒng)的信息傳導(dǎo)效率，實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)”。EC Framework中包含了一些數(shù)據(jù)相關(guān)的概念，EC Class表示對(duì)象類型，EC Class又包含一組屬性（EC Property），使用對(duì)象類型可以創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例（EC Instance）。同時(shí)，EC Framework還提供了向圖形元素讀寫EC Instance數(shù)據(jù)的方法。EC Class與面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)語(yǔ)言中的Class非常相似，但EC Class是用XML文本來(lái)定義和描述的，XML是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語(yǔ)言，是允許用戶對(duì)自己的標(biāo)記語(yǔ)言進(jìn)行定義的源語(yǔ)言[2]。各個(gè)BIM平臺(tái)都支持XML，因此使用XML可以擺脫平臺(tái)的依賴，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享。比如單獨(dú)“管環(huán)模型”具有“編號(hào)”“X坐標(biāo)”“Y坐標(biāo)”“起始點(diǎn)”等屬性可以用XML描述如下：

2 應(yīng)用實(shí)例

文章介紹的盾構(gòu)管片參數(shù)化建模方法，已用于成都地鐵十八號(hào)線工程、杭紹線地鐵工程、深圳地鐵十六號(hào)線工程等多個(gè)地鐵項(xiàng)目工程。以深圳地鐵十六號(hào)線東縱—新屋區(qū)間為例，該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，全長(zhǎng)864m，為地下線。深圳地鐵十六號(hào)線東縱-新屋區(qū)間模型如圖6所示，細(xì)節(jié)圖如圖7所示。

圖6 深圳地鐵十六號(hào)線東縱-新屋區(qū)間模型

圖7 細(xì)節(jié)圖

盾構(gòu)區(qū)間隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，通用雙面楔形環(huán)錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)楔形量為40mm。每環(huán)由6塊管片構(gòu)成，其中封頂塊1塊（F）、鄰接塊2塊（L1、L2）、 標(biāo) 準(zhǔn) 塊 3塊（B1、B2、B3）。 管 片 內(nèi) 徑 為5500mm，管片外徑為6200mm，管片厚度為350mm，管片寬度為1500mm。管片縱向和環(huán)向均采用螺栓連接。管片環(huán)與環(huán)之間用16根M27的縱向螺栓相連接。每環(huán)管片塊與塊間以12根M27的環(huán)向螺栓連接。

文章研究的基于MicroStation的盾構(gòu)管片參數(shù)化建模方法在工程中得到了充分的利用。在具體的項(xiàng)目應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)上千片管片的建模與連接原本需要2個(gè)工作日，但應(yīng)用該建模方法僅需20min，極大地減少了工程人員的建模工作量，提升了建模效率，確保了生產(chǎn)壓力下的建模工作進(jìn)度以及質(zhì)量。進(jìn)行三維參數(shù)化建模設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要注意以下三點(diǎn)：（1）理清各個(gè)參數(shù)之間的約束關(guān)系，防止參數(shù)間不匹配；（2）剪切元素可適當(dāng)放大，防止被剪切元素負(fù)空間特征存處在多余部分；（3）建成后需將細(xì)節(jié)放大，檢查各個(gè)交界處是否無(wú)誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了一種盾構(gòu)管片參數(shù)設(shè)計(jì)的BIM技術(shù)，并在MicroStation平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)管片參數(shù)化建模和排版放置，能夠一鍵參數(shù)化建模，生成cell文件，并實(shí)現(xiàn)一鍵放置大量管片。通過(guò)在各個(gè)地鐵工程項(xiàng)目上的實(shí)際應(yīng)用，證明該技術(shù)方案能夠顯著提高設(shè)計(jì)階段的建模效率，減少人工工作量，避免人為差錯(cuò)，加速整體設(shè)計(jì)的進(jìn)程。在工程全生命周期應(yīng)用中，盾構(gòu)管片參數(shù)化模型可以進(jìn)一步指導(dǎo)管片預(yù)制加工、輔助施工、控制拼裝，并為后期運(yùn)維提供數(shù)字化基礎(chǔ)。