基于Navisworks 平臺的礦山法隧道風(fēng)險(xiǎn)評估軟件開發(fā)及應(yīng)用

卞桂榮，劉旭，李昂，龔濟(jì)平，胡小波

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京 210011；2.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

BIM 技術(shù)作為信息化的有效載體，對于實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)過程的可視化、集約化管理具有重要作用，Navisworks 作為BIM 技術(shù)中具有可視化管理、施工模擬演示等功能的應(yīng)用平臺，在實(shí)現(xiàn)隧道數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，可以利用三維真實(shí)感圖形的形式表達(dá)地質(zhì)和結(jié)構(gòu)對象的空間分布、空間關(guān)系及屬性特征等[1-2]，可以使地質(zhì)分析更為靈活、直觀、準(zhǔn)確，因而引起工程設(shè)計(jì)和施工人員極大的興趣，并已成為當(dāng)前隧道工程領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。相比BIM 應(yīng)用逐漸成熟的建筑業(yè)，隧道工程信息化水平較低，雖然由于手工繪圖被計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)替代，隧道工程設(shè)計(jì)的工作效率得到了顯著的提高，但其本質(zhì)是一種離散的資源管理模式，與BIM 所具有的集中的資源管理模式相差甚遠(yuǎn)。隧道工程不同于工業(yè)、民用建筑工程，有其自身的特點(diǎn)[3]。其中復(fù)雜的地質(zhì)條件和項(xiàng)目管理模式可能成為礦山法隧道BIM 應(yīng)用的最大瓶頸，這也導(dǎo)致了礦山法隧道BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用案例極少[4-7]。本文將基于Navisworks 平臺對礦山法隧道進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)礦山法隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果的集成管理。

1 工程實(shí)例

本工程實(shí)例選取的是北京高麗營隧道，北京至沈陽客運(yùn)專線高麗營隧道起點(diǎn)里程DK33+310，終點(diǎn)里程DK34+510，全長1 200 m。其中，DK33+310—DK33+730 段及 DK34+160—DK34+510 段為明挖段，長770 m；DK33+730—DK34+160 段為暗挖段，長430 m。本隧道位于北京順義、昌平郊區(qū)所在的平原區(qū)，主要位于順義區(qū)和昌平區(qū)轄區(qū)內(nèi)，需下穿六環(huán)主路及酸棗嶺立交A、D、C 三條匝道（由南向北排序）。

2 礦山法隧道的Dynamo 參數(shù)化建模

隧道的BIM 建模需要在Revit 中導(dǎo)入隧道中心線的平面圖和縱斷面圖，由編譯好的Dynamo腳本導(dǎo)出中心線控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)至Excel，再生成隧道的三維中心線。在Dynamo 中運(yùn)用節(jié)點(diǎn)“Select Model Element”與“Element.Geometry”來獲取中心線的曲線，中心線一般是由多段不同的多段線曲線與圓弧線組成，因此需要運(yùn)用節(jié)點(diǎn)“List.Flatten”將曲線信息進(jìn)行列表拍平。列表拍平后通過Dynamo 中的自定義代碼塊節(jié)點(diǎn)“Code Block”將列表各項(xiàng)拆分，以便將獲取的各項(xiàng)曲線信息整合。運(yùn)用“Curve.Join”節(jié)點(diǎn)來逐項(xiàng)連接對應(yīng)編號的曲線。接下來通過節(jié)點(diǎn)“Curve.Length”將曲線分割成2 700 段，并導(dǎo)出相應(yīng)的平面曲線段起點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)。提取曲線段的平面坐標(biāo)點(diǎn)X 和Y，并同時(shí)將中心線縱斷面圖中的高程點(diǎn)Z 提取出來，通過節(jié)點(diǎn)“Point.ByCoordinates”導(dǎo)出，然后將提取出來的坐標(biāo)點(diǎn)存儲于Excel 表格中。

中心線坐標(biāo)點(diǎn)建立后就可以創(chuàng)建自適應(yīng)族，自適應(yīng)點(diǎn)是用于設(shè)計(jì)自適應(yīng)構(gòu)件的修改參照點(diǎn)，通過捕捉繪制的幾何圖形稱為自適應(yīng)構(gòu)件。以創(chuàng)建二類圍巖最外層支護(hù)為例，在Revit 中新建族文件，然后導(dǎo)入CAD 橫斷面圖，并將其圖元分解；刪除其它無關(guān)線條，只保留最外層支護(hù)線條，隧道斷面中心處添加參照點(diǎn)圖元，將點(diǎn)圖元設(shè)置為自適應(yīng)點(diǎn)；視圖需轉(zhuǎn)至立面并將所有圖元沿Z 軸方向復(fù)制，通過外側(cè)環(huán)狀圖元生成實(shí)體，內(nèi)側(cè)環(huán)狀圖元生成空心體，最后形成隧道外層支護(hù)三維實(shí)體，并保存為rfa 族文件。

相應(yīng)的自適應(yīng)族文件建立好以后就可以通過Dynamo 來進(jìn)行組裝，首先導(dǎo)入隧道中心線的數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)后運(yùn)用節(jié)點(diǎn)“Point. By Coordinate”＞“Poly Curve. By Points”生成中心線，同時(shí)運(yùn)用節(jié)點(diǎn)“List.Join”將兩條中心線的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)列表整合。獲取隧道的分段中心線后就可以運(yùn)用節(jié)點(diǎn)“Family Types”和“Adaptive Component. By Points”組裝所有配件并生成實(shí)體，最后運(yùn)行程序生成模型，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)段Dynamo 建模效果圖Fig.1 Dynamo modeling effect of test section

3 礦山法隧道的模糊層次風(fēng)險(xiǎn)評估軟件開發(fā)

3.1 需求分析

隧道工程建設(shè)投資大，施工工藝復(fù)雜、周期長，周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑材料和施工設(shè)備繁多，涉及專業(yè)工種與人員眾多。反映隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)有很多，如建筑規(guī)模、災(zāi)害發(fā)生頻率、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化程度、氣候因素、人類工程活動、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、環(huán)境破壞程度等等。但是對于隧道施工環(huán)境，由于各個(gè)工程地質(zhì)條件不同，施工環(huán)境也不同，很難預(yù)測人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此，以經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡角度來評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級不能完全反映隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。需要采用一種能通過客觀情況和主觀經(jīng)驗(yàn)綜合的方法，在一定程度上反映隧道的安全狀況。

3.2 功能設(shè)計(jì)

層次分析法能夠把定性和定量資料有機(jī)地結(jié)合起來，對指標(biāo)進(jìn)行全面和系統(tǒng)的分析和評價(jià)，從而得出各個(gè)指標(biāo)的組合權(quán)重，這樣比單純憑經(jīng)驗(yàn)確定評價(jià)因素權(quán)重的專家咨詢法更為科學(xué)，再者，層次分析法通過計(jì)算判斷矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，可以對得分值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，因而其權(quán)重計(jì)算的科學(xué)性有明顯提高。模糊層次綜合評估法同時(shí)擁有層次分析法和模糊數(shù)學(xué)綜合評判的優(yōu)點(diǎn)，該方法克服了模糊數(shù)學(xué)綜合主評判法中評價(jià)因素對評價(jià)對象的權(quán)重確定主觀性強(qiáng)等缺點(diǎn)，因此，本文選用了模糊層次綜合評估法來構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素識別體系。

本次風(fēng)險(xiǎn)因素的識別主要從隧道施工的影響因素角度考慮，選擇和風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生直接相關(guān)，并能反映施工風(fēng)險(xiǎn)的因素進(jìn)行評判，排除那些次要的或與風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系不大的因素，確定可作為隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)的主要指標(biāo)，軟件中的主要功能可按照圖2 中的結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。

圖2 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素的層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Hierarchical structure model of risk factors in tunnel construction

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

對項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的初步判斷，量化項(xiàng)目各級風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，劃分項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級，具體功能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目如下：

1）主要因素排序：針對客戶的項(xiàng)目，列出該項(xiàng)目中風(fēng)險(xiǎn)的一級因素，客戶根據(jù)實(shí)際情況輸入風(fēng)險(xiǎn)因素相互之間的重要性對比情況，點(diǎn)擊“排序”按鈕計(jì)算并顯示各因素占項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重。

2）次要因素排序：一級因素下細(xì)分成若干二級因素，客戶輸入二級因素相互之間的重要性對比情況，點(diǎn)擊“排序”按鈕后可以顯示二級因素占項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重。

3）風(fēng)險(xiǎn)等級劃分：客戶根據(jù)實(shí)際情況輸入各二級因素發(fā)生的可能情況，點(diǎn)擊“風(fēng)險(xiǎn)等級劃分”按鈕后可以顯示項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級劃分情況。

4 基于霍克-布朗破壞準(zhǔn)則的礦山法隧道數(shù)值分析

由于本項(xiàng)目中的礦山隧道大多數(shù)情況是在軟巖中進(jìn)行開挖，因此在模擬時(shí)不適合選用傳統(tǒng)的摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則來描述本構(gòu)，需要采用適用于巖體的霍克-布朗破壞準(zhǔn)則[8]。算例中使用Plaxis建模進(jìn)行事故前后的隧道結(jié)構(gòu)變形。建立好土層后則需要對不同的巖土材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，土層選取的本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，巖層選取的本構(gòu)關(guān)系為霍克-布朗破壞準(zhǔn)則。土層建立好后就可以直接利用隧道編輯器來創(chuàng)建隧道，隧道編輯器創(chuàng)建點(diǎn)的坐標(biāo)是位于隧道底部的中點(diǎn)，輸入坐標(biāo)點(diǎn)后就可以在“剖面”選項(xiàng)中繪制隧道襯砌的輪廓線。輪廓線建立好后在屬性中添加“錨桿”與“負(fù)向界面”。

建立好隧道后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇“中等”密度的單元格劃分后得到相應(yīng)的計(jì)算模型。為了模擬礦山隧道的開挖，必須要進(jìn)行分布施工的計(jì)算。隧道開挖模擬需要激活襯砌的同時(shí)解除隧洞內(nèi)的巖體部分，該計(jì)算部分為塑性分析。三維的拱體效應(yīng)可以通過Plaxis 中內(nèi)置的β 法來完成。該方法是將作用在隧道周邊初始應(yīng)力pk分解成（1-β）pk和βpk兩部分，前者用于施加在未支撐的隧道上，后者用于施加在已支撐的隧道上。分布施工的第一分析步是將計(jì)算類型選擇為“重力施加”；第二分析步是進(jìn)行“塑性”計(jì)算，在設(shè)置第二步時(shí)需要激活隧洞區(qū)域的巖體，并將對象瀏覽器中的“Deconfinement（1-β）”設(shè)置為60%；第三分析步的計(jì)算類型仍為“塑性”，該分析步中需要把隧洞區(qū)域巖體的“Deconfinement（1-β）”設(shè)置為100%，并激活襯砌與錨桿部分。

分布施工設(shè)置完成后即可選擇“生成曲線所需的點(diǎn)”來記錄計(jì)算過程中所選節(jié)點(diǎn)的位移情況，待上述設(shè)置全部完成后則可以進(jìn)行計(jì)算。圖3 給出了圍巖塑性區(qū)域示意圖；由于隧道開挖的影響，隧洞頂部的巖體會形成小范圍的塌落拱，位移等值線呈倒扇形分布，隧洞外側(cè)的錨桿在一定程度上遏制了塌落拱的形成。從圖中可以看出，圍巖塑性區(qū)域，其影響范圍大幅度減小，塑性區(qū)域只在隧道頂部、底部和巖層的層間出現(xiàn)。

圖3 圍巖塑性區(qū)域示意圖Fig.3 Plastic zone of surrounding rock

5 礦山法隧道的Navisworks 插件開發(fā)

Navisworks 是一種可用于綜合項(xiàng)目查看的軟件，可以對項(xiàng)目進(jìn)行分析、施工模擬以及交流設(shè)計(jì)圖等，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。它可以導(dǎo)入由Revit 平臺生成的三維模型，對每一個(gè)具體構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化操作，實(shí)現(xiàn)部分“數(shù)字孿生”的功能[9]。這種信息化管理平臺具有可視化、動態(tài)化的優(yōu)點(diǎn)，并提供了外部的API 接口，可以通過C# 編程語言來直接調(diào)用其函數(shù)庫對相關(guān)信息功能進(jìn)行拓展。

Navisworks 二次開發(fā)是在其已有的功能基礎(chǔ)上拓展其它相關(guān)聯(lián)的可視化應(yīng)用，在現(xiàn)有的軟件上定制修改、功能擴(kuò)展，達(dá)到項(xiàng)目需求的功能，不改變原有系統(tǒng)的內(nèi)核，能夠更全面地滿足用戶對平臺的各種特定需求。軟件商將數(shù)據(jù)庫函數(shù)內(nèi)置于Navisworks 的API 接口中，使 Navisworks 二次開發(fā)更加便利。Navisworks 二次開發(fā)是通過界面插件的形式結(jié)合三維模型的構(gòu)件超鏈接來實(shí)現(xiàn)，可以滿足不同的用戶需求靈活調(diào)整[10]。

Navisworks 開發(fā)環(huán)境是建立在Microsoft.NET Framework 的基礎(chǔ)上，Navisworks API 允許開發(fā)人員通過C# 語言進(jìn)行編程[11]。其開發(fā)流程是通過Navisworks API 應(yīng)用.NET 開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)，流程如圖4 所示。根據(jù)隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與施工信息與BIM 模型結(jié)合的需求，需要在現(xiàn)有的軟件上進(jìn)行定制修改、功能擴(kuò)展，達(dá)到項(xiàng)目需求的功能，不改變原有系統(tǒng)的內(nèi)核。開發(fā)過程中利用Windows窗體來創(chuàng)建界面，界面中在由Revit 創(chuàng)建的三維模型上設(shè)置所關(guān)注的點(diǎn)位，并通過導(dǎo)入jpg 圖像文件來實(shí)現(xiàn)查看各點(diǎn)位的信息功能，實(shí)現(xiàn)信息的集成查看功能。

圖4 二次開發(fā)流程圖Fig.4 Flow chart of secondary development

風(fēng)險(xiǎn)評估成果的展示主要功能是顯示項(xiàng)目模型各標(biāo)段對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)測結(jié)果和施工信息，施工信息包括風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果、掌子面照片、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果、仿真分析結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)等，使用時(shí)需要先安裝好suidao.dll 動態(tài)鏈接庫文件，安裝完成以后在Navisworks 中會出現(xiàn)內(nèi)置的“隧道BIM 平臺”的窗口選項(xiàng)，然后在查看選項(xiàng)卡中選擇“窗口”下拉菜單，再選擇“隧道BIM 平臺”即可打開選項(xiàng)卡，操作時(shí)需要先點(diǎn)擊隧道三維模型標(biāo)識中的字體，點(diǎn)擊相對應(yīng)的結(jié)果后可以彈出該位置的預(yù)存結(jié)果，具體展示細(xì)節(jié)如下：

1）施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果：對于相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)在風(fēng)險(xiǎn)評估軟件中計(jì)算各區(qū)段的模糊層次評估法的評估結(jié)果，然后保存為圖片，通過導(dǎo)入圖片在Navisworks 中進(jìn)行查看，對存在較大風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)段進(jìn)行“預(yù)警”標(biāo)識；

2）掌子面和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：導(dǎo)入、實(shí)時(shí)查看挖掌子面的現(xiàn)場真實(shí)照片和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，包括掌子面巖性和滲水情況，方便對開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)評判。

3）仿真分析：對于相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)在有限元軟件中計(jì)算各區(qū)段的模擬仿真分析云圖，然后保存為圖片，通過導(dǎo)入圖片在Navisworks 中進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，對模擬結(jié)果異常的區(qū)段進(jìn)行“預(yù)警”標(biāo)識；

4）監(jiān)測數(shù)據(jù)：對于相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)在Excel 中讀取各區(qū)段的長期變形數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)入圖片在Navisworks 中進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，對模擬結(jié)果異常的區(qū)段進(jìn)行“預(yù)警”標(biāo)識導(dǎo)入、實(shí)時(shí)查看支護(hù)完成區(qū)段的長期變形數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

本文針對隧道參數(shù)化建模和Navisworks 二次開發(fā)方面開展了研究，形成了適用于礦山法隧道施工的BIM 信息集成方法。通過Microsoft.NET Framework 平臺和照片的形式，并利用C#編程語言開發(fā)Navisworks 的拓展查看功能，在Revit 所建立的三維模型基礎(chǔ)上整合了隧道施工現(xiàn)場的進(jìn)度信息，該類信息可用于展示風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果、掌子面情況、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)和仿真分析等結(jié)果，能夠更直觀地在BIM 模型中進(jìn)行隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評估。主要研究成果及結(jié)論如下：

1） 研究形成了適用于礦山法隧道施工BIM建模方法，采用Revit 自適應(yīng)族和Dynamo 自動連續(xù)放置族，形成精細(xì)的隧道模型。同時(shí)，建立了隧道構(gòu)件族庫和施工設(shè)備族庫。

2）在施工開展前，采用模糊綜合層次評估地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素，開發(fā)了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估軟件，用于評估隧道施工各區(qū)段的最大風(fēng)險(xiǎn)源。

3）在施工過程中，采用霍克-布朗破壞準(zhǔn)則對注漿加固后的隧道結(jié)構(gòu)-地層進(jìn)行仿真分析，控制隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。

4）在三維模型的基礎(chǔ)上，利用C#編程語言開發(fā)Navisworks 拓展插件，用于展示風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果、掌子面情況、隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)以及仿真分析等結(jié)果。

在隧道工程成本中，支護(hù)及維護(hù)費(fèi)用就占40%～60%，因此根據(jù)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估情況調(diào)整優(yōu)化超前支護(hù)及其他輔助施工措施，可以在保證施工安全程度的前提下，最大限度地節(jié)省施工經(jīng)費(fèi)?；贐IM 的隧道施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以為信息化平臺軟件的采購提供技術(shù)與指標(biāo)參考，達(dá)到節(jié)約投資、提高效益的目的。