基于Civil 3D的鐵路隧道棄渣場(chǎng)三維設(shè)計(jì)軟件研究

賈興斌

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

隧道工程棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)是施工組織設(shè)計(jì)中重要內(nèi)容之一。因隧道工程挖方棄土方量巨大，棄渣場(chǎng)數(shù)量多，制約邊界復(fù)雜，且國(guó)家相關(guān)部門對(duì)棄渣場(chǎng)的安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)、水土保持等設(shè)計(jì)和施工要求越來(lái)越高、越來(lái)越嚴(yán)格，這決定了棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)該項(xiàng)工作也愈加重要[1-3]。

在我國(guó)鐵路建設(shè)快速發(fā)展的背景下，中鐵一院承擔(dān)了多條長(zhǎng)大干線鐵路設(shè)計(jì)任務(wù)，隧道設(shè)計(jì)任務(wù)量隨之加大，棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)工作也在成倍增加。

根據(jù)文獻(xiàn)檢索，目前在鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)有利用Civil 3D進(jìn)行棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)工作的項(xiàng)目，但尚未見(jiàn)研發(fā)出棄渣場(chǎng)輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。對(duì)于棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)還基本處在數(shù)據(jù)處理依靠人工、繪圖工作僅限于利用AutoCAD基本命令出圖層面上，棄渣量計(jì)算還一直沿用人工繪制斷面的方法。在工程約束條件多、地形條件復(fù)雜的工程項(xiàng)目上，特殊情況下甚至還采用工程類比經(jīng)驗(yàn)估算。這種作業(yè)模式一直困擾著設(shè)計(jì)人員，對(duì)于提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量非常不利。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思

鐵路隧道棄渣場(chǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于AutoCAD Civil 3D，通過(guò)識(shí)別已有的二維等高線平面地形圖，生成三維地形曲面模型，在此基礎(chǔ)上完成棄渣場(chǎng)橫斷面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)。然后，建立棄渣場(chǎng)模型和棄渣場(chǎng)曲面，使用曲面體積法計(jì)算容渣量。如棄渣量不能滿足要求，可反復(fù)快速迭代直至符合要求，最后實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算土石方量和工程量，生成施工圖[4]。

系統(tǒng)處理總體流程如圖1所示，其中，最為核心部分是棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)、容渣量計(jì)算和擋渣壩設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)處理流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用AutoCAD Civil 3D 2018 與 Visual Studio 2015組合的開(kāi)發(fā)平臺(tái)與環(huán)境，主要功能包括項(xiàng)目工點(diǎn)管理、棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)、擋渣壩和擋墻設(shè)計(jì)、排水溝設(shè)計(jì)、擋墻穩(wěn)定性檢算等[5-8]，系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

2.1 棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)

棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)包括建立數(shù)字地形模型及棄渣場(chǎng)縱斷面設(shè)計(jì)。

建立數(shù)字地形模型(DTM，Digital Terrain Model)，是棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件之一。首先，對(duì)棄渣場(chǎng)二維平面地形圖進(jìn)行初步處理，保留主等高線、次等高線及離散高程點(diǎn)，刪除圖形上其他圖形元素，作為棄渣場(chǎng)的圖形范圍圖塊插入本地模板中；然后，利用AutoCAD Civil 3D曲面生成功能創(chuàng)建棄渣場(chǎng)地形曲面對(duì)象[9]。

棄渣場(chǎng)縱斷面包括曲面縱斷面和設(shè)計(jì)縱斷面。曲面縱斷面是從棄渣場(chǎng)地形曲面提取沿溝底的地面線生成。溝底地面線即棄渣場(chǎng)范圍沿溝底繪制的多段線，為地面線提取的參照線，根據(jù)等高線的高低由低向高繪制。繪制溝底線時(shí)相鄰切線夾角盡可能大些，即越直越好。選擇棄渣場(chǎng)原地形曲面，設(shè)定“繪制方向、縱向擴(kuò)大比例”等參數(shù)，在圖形上選擇插入點(diǎn)生成既有縱斷面圖。

棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)縱斷面創(chuàng)建有2種方法，一種是縱斷面拉坡設(shè)計(jì)；另一種是文件縱斷面設(shè)計(jì)?？v斷面拉坡設(shè)計(jì)中，用戶根據(jù)命令行提示，交互式輸入變坡點(diǎn)坐標(biāo)或拾取平面點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)繪制布局縱斷面。文件縱斷面設(shè)計(jì)中，要預(yù)先確定設(shè)計(jì)縱斷面各個(gè)變坡點(diǎn)的中樁里程及高程，按照要求的格式寫入文本文件中，由程序讀取該文件信息后自動(dòng)繪制縱斷面圖。既有縱斷面如圖3中下側(cè)線段，設(shè)計(jì)縱斷面如圖3中上側(cè)線段。

圖3 棄渣場(chǎng)縱斷面(單位：m)

2.2 容渣量計(jì)算

2.2.1 曲面法計(jì)算容渣量

曲面法計(jì)算體積(容渣量)，即求設(shè)計(jì)面在原地面基礎(chǔ)上的填方量和挖方量，如兩個(gè)曲面的邊界不是正好相交，曲面體積計(jì)算的是垂直投影重合部分的體積，計(jì)算范圍是指兩者垂直投影重合部分，如圖4、圖5所示。

圖4 體積計(jì)算范圍平面示意

圖5 體積計(jì)算范圍立面(剖面)示意

在AutoCAD Civil 3D環(huán)境中用命令創(chuàng)建棄渣場(chǎng)裝配，并在“指向曲面連接坡度”部件屬性框中指定相應(yīng)的參數(shù)；然后，創(chuàng)建棄渣場(chǎng)模型，在渣場(chǎng)模型“創(chuàng)建道路”中指定“路線、設(shè)計(jì)縱斷面、裝配、目標(biāo)曲面”等參數(shù)，并可根據(jù)路線、地形情況調(diào)整“裝配插入步長(zhǎng)”。生成的道路曲面如圖6所示[10]。

圖6 棄渣場(chǎng)曲面

基于圖6中道路模型曲面，選擇基準(zhǔn)地形曲面，采用曲面法即通過(guò)2個(gè)曲面比較計(jì)算曲面體積(容渣量)，結(jié)果如圖7所示。如容渣量大于棄渣量且在一定范圍，則表示設(shè)計(jì)棄渣場(chǎng)滿足容渣量要求；如容渣量小于棄渣量或比棄渣量大的多，則表示棄渣場(chǎng)不滿足容渣量要求。

圖7 容渣量計(jì)算結(jié)果

如棄渣場(chǎng)不滿足容渣量要求，則需通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)縱斷面高程，改變棄渣場(chǎng)頂曲面、體積曲面，然后重新生成“曲面-棄渣場(chǎng)模型、體積曲面-棄渣場(chǎng)”，再次計(jì)算曲面體積(容渣量)，反復(fù)迭代直至符合容渣量要求[11]。

2.2.2 橫斷面法計(jì)算容渣量

利用橫斷面法計(jì)算容渣量，可單獨(dú)計(jì)算一個(gè)段落的容渣量或計(jì)算全棄渣場(chǎng)的總?cè)菰?。其中，沿路線設(shè)置的橫斷面越多，計(jì)算精度越高。單獨(dú)一個(gè)橫斷面如圖8所示。圖8中，Hs為設(shè)計(jì)高度，Hd為地面高度，H為兩者差值，0+70.00為該斷面中樁里程。

圖8 橫斷面示意

橫斷面法計(jì)算容渣量，調(diào)用“橫斷面相關(guān)對(duì)象”選擇對(duì)話框，選擇與橫斷面采樣線相關(guān)的棄渣場(chǎng)路線、設(shè)計(jì)縱斷面、道路模型及道路曲面；然后，在“創(chuàng)建采樣線編組”對(duì)話框中選擇或輸入“采樣線樣式、采樣線標(biāo)簽樣式、左偏移、右偏移、采樣的數(shù)據(jù)源”等參數(shù)值后，在平面圖上創(chuàng)建采樣線；最后，基于創(chuàng)建的采樣線編組和棄渣場(chǎng)路線，在材質(zhì)列表中對(duì)話框選擇體積計(jì)算方法(推薦“棱(柱)體”)計(jì)算容渣量[12]。容渣量體積計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 容渣量體積計(jì)算結(jié)果

如橫斷面出圖時(shí)，選擇“路線對(duì)象”并設(shè)置橫斷面繪制間隔值，在繪圖區(qū)域選取插入點(diǎn)，橫斷面圖將順次插入到繪圖區(qū)域中，如圖9所示。

圖9 棄渣場(chǎng)橫斷面示意

橫斷面法有利于圖紙的表達(dá)，可計(jì)算出材料體積即容渣量，缺點(diǎn)是計(jì)算精確度相對(duì)略低，地形越復(fù)雜計(jì)算精確度越低。

2.3 擋渣壩和擋墻設(shè)計(jì)

2.3.1 創(chuàng)建自定義組件

對(duì)于AutoCAD Civil 3D不能直接提供的特殊結(jié)構(gòu)部件，如擋渣壩、擋墻、水溝、垂裙，利用AutoCAD Civil 3D部件編輯器“Subassembly Composer”(通常簡(jiǎn)稱為SAC)來(lái)創(chuàng)建自定義部件，并給“點(diǎn)”“連接”及“造型”設(shè)置代碼[13]。以下是擋渣壩部件創(chuàng)建過(guò)程，擋墻等部件與此類似。

如圖11所示，由中間下側(cè)Condition的值決定擋渣壩是平底還是斜底。擋渣壩的主要連接代碼如下。①Top：指定給完工坡面上所有已鋪裝或未鋪裝的連接，可用于生成整個(gè)完工坡面的曲面模型。②Pave：指定給完工坡面上所有已鋪裝連接的第二個(gè)代碼，可用于以特定顏色和紋理渲染完工坡面曲面的已鋪裝部分。③Base：鋪裝橫斷面基層曲面上的所有連接，可用于定義粒狀基礎(chǔ)材質(zhì)區(qū)域的底部，以進(jìn)行材質(zhì)體積分析。④Subbase：指定給底基層底部和側(cè)邊上的所有連接[14-15]。擋渣壩輸入?yún)?shù)如表2所示，擋渣壩輸出參數(shù)如表3所示。

圖10 擋渣壩部件

表2 擋渣壩輸入?yún)?shù)

表3 擋渣壩輸出參數(shù)

將創(chuàng)建的擋渣壩部件導(dǎo)入AutoCAD Civil 3D作為“擋渣壩”公共部件，在創(chuàng)建擋渣壩裝配時(shí)調(diào)用。

2.3.2 擋渣壩和擋墻設(shè)計(jì)

在AutoCAD Civil 3D中選擇“擋渣壩/擋墻”部件，在其屬性框中指定相關(guān)參數(shù)，根據(jù)擋渣壩/擋墻高度變化，對(duì)應(yīng)地修改壩體高度、壩基底寬度等參數(shù)，為不同壩高指定不同的裝配[16]。

分別創(chuàng)建擋渣壩/擋墻縱斷面地面線和設(shè)計(jì)線(壩頂線和墻頂線)，完成擋渣壩/擋墻縱斷面的創(chuàng)建。基于裝配和擋渣壩/擋墻縱斷面，最終在擋渣壩位置生成擋渣壩/擋墻曲面模型[17]。

選擇道路模型，指定曲面名稱，生成擋渣壩/擋墻曲面。指定采樣線的左右偏移值、采樣的數(shù)據(jù)源，以生成擋渣壩/擋墻采樣線。選擇采樣線編組，添加設(shè)置計(jì)算材質(zhì)的“土方量標(biāo)準(zhǔn)”創(chuàng)建材質(zhì)體積表。

根據(jù)擋渣壩/擋墻模型，從道路基線中獲取相關(guān)部件參數(shù)信息，繪制擋墻或擋渣壩平面、立面、斷面示意圖，結(jié)構(gòu)尺寸表，其中，擋渣壩斷面示意如圖11所示。

圖11 擋渣壩斷面示意

2.4 擋墻穩(wěn)定性檢算

擋墻計(jì)算項(xiàng)目包括：滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算、傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基土承載力驗(yàn)算及墻身材料應(yīng)力驗(yàn)算[18]。一般情況下，傾覆穩(wěn)定性較易滿足，主要由基底壓力(尤在墻高較大時(shí))和滑動(dòng)穩(wěn)定性來(lái)控制設(shè)計(jì)，一般無(wú)需驗(yàn)算墻身應(yīng)力。

2.4.1 抗滑穩(wěn)定性

一般地區(qū)滑動(dòng)穩(wěn)定性檢算基本公式為[19]

(1)

式中，G為墻重；Ex、Ey分別為主動(dòng)土壓力的水平、垂直分力；μ為基底摩擦系數(shù)。

一般地區(qū)傾覆穩(wěn)定性檢算基本公式為

(2)

式中，b′為墻重心至墻趾的水平距離；a為主動(dòng)土壓力垂直分力至墻趾的水平距離；h′為主動(dòng)土壓力水平分力至墻趾的垂直距離。

地基土承載力公式為

(3)

(4)

式中，Pmax、Pmin分別為基礎(chǔ)底面邊緣處最大、最小壓力；b為墻底寬；e為荷載作用于基礎(chǔ)面上偏心距。

(5)

2.4.2 擋墻自重計(jì)算

擋土墻自重計(jì)算等于每延米體積乘以重度，有“分割法、平面多邊形坐標(biāo)法”2種計(jì)算方法[20]。

分割法是將一個(gè)多邊形分割成幾個(gè)簡(jiǎn)單基本圖形(三角形、平行四邊形、矩形、梯形、圓形、橢圓形、扇形)，再計(jì)算出每個(gè)基本圖形的形心及面積；然后，計(jì)算出整體圖形的形心位置及面積。

平面多邊形坐標(biāo)法是將有N個(gè)頂點(diǎn)的平面多邊形剖分成N-2個(gè)三角形，分別求出其重心和面積；然后，用加權(quán)平均法計(jì)算出多邊形重心坐標(biāo)。

(1)多邊形面積公式

(6)

(2)重心坐標(biāo)公式

(7)

(8)

平面多邊形應(yīng)為一個(gè)封閉的非自交多邊形，分成的三角形序號(hào)按照逆時(shí)針?lè)较蚺帕小?/p>

2.4.3 計(jì)算結(jié)果分析處理

系統(tǒng)最終提供的擋墻穩(wěn)定性計(jì)算如圖12所示，軟件按照給定的參數(shù)進(jìn)行擋墻試算(表4)，若計(jì)算成功則生成計(jì)算表格(表5)；若計(jì)算失敗則給出失敗原因，然后修改有關(guān)參數(shù)后再次重新計(jì)算。

圖12 擋墻檢算

表4 擋墻計(jì)算說(shuō)明

表5 擋墻計(jì)算表格

3 軟件應(yīng)用情況

在蘭州至合作鐵路初步設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，選取具有帶狀地形的考勒隧道、曲奧隧道和黃家?guī)X隧道3座隧道棄渣場(chǎng)作為典型工點(diǎn)，使用本軟件進(jìn)行棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)及工程數(shù)量計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用表明，軟件計(jì)算棄渣場(chǎng)容渣量、擋渣壩/擋墻材質(zhì)及水溝材質(zhì)數(shù)量準(zhǔn)確，軟件方式與手工方式比較，在初次設(shè)計(jì)中提高效率約3倍(二者在資料和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段基本無(wú)差異，軟件在計(jì)算和成圖階段提高了效率和質(zhì)量)，在方案迭代優(yōu)化中，效率提高5～10倍。驗(yàn)證了采用本軟件可顯著提高棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)的效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鐵路隧道工程棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)既有工作模式存在的不足，在研究棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)工程和計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)，基于AutoCAD Civil 3D進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了“鐵路隧道棄渣場(chǎng)三維輔助設(shè)計(jì)軟件”，為提高棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量提供了一種方法和設(shè)計(jì)軟件，結(jié)論如下。

(1)根據(jù)原始平面地形圖，通過(guò)對(duì)二維地形圖的識(shí)別處理，建立三維數(shù)字地形模型，實(shí)現(xiàn)棄渣場(chǎng)三維設(shè)計(jì)。

(2)采用BIM技術(shù)，自定義擋渣壩等基本部件模型，采用Civil 3D裝配方式進(jìn)行擋渣壩BIM模型設(shè)計(jì)。基本部件參數(shù)化，滿足同類型不同尺寸的建模設(shè)計(jì)需求，響應(yīng)了設(shè)計(jì)快速變化的業(yè)務(wù)需求。

(3)使用曲面法計(jì)算容渣量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)方案即精確又快速的迭代優(yōu)化；使用斷面法不僅有利于圖紙表達(dá)，還可以計(jì)算出材料體積，綜合提高了設(shè)計(jì)效率。

該軟件對(duì)地形要求較高，下一步將重點(diǎn)研究軟件對(duì)復(fù)雜地形的處理，對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化、提高設(shè)計(jì)效率。