考慮預(yù)埋槽道的盾構(gòu)隧道參數(shù)化BIM設(shè)計研究

齊成龍

中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308

接觸網(wǎng)作為動力供給線，以往多采用后植螺栓的方法安裝。該方法存在材質(zhì)易腐蝕、人工機械打孔造成管片不可逆損傷、施工效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。預(yù)埋槽道技術(shù)可解決這些問題，地鐵項目一般采用全環(huán)預(yù)埋的方式設(shè)置槽道。但是由于結(jié)構(gòu)尺寸大，鐵路盾構(gòu)隧道全環(huán)預(yù)埋槽道會造成巨大浪費，因此一般采用局部塊體預(yù)埋的方式。

眾多學(xué)者開展了以管片排布為核心的盾構(gòu)隧道BIM 設(shè)計方面的研究，并取得豐碩成果。陳曦等［1］基于Revit 軟件開發(fā)Dynamo 插件，實現(xiàn)區(qū)間隧道管片全過程自動拼裝。崔曉［2］使用Dynamo 開發(fā)可視化腳本程序，在腳本當(dāng)中進(jìn)行Revit族文件引用、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，最終自動生成符合線路曲線特征并滿足錯縫拼裝要求的大直徑盾構(gòu)隧道BIM 模型。王曉東等［3］新建Reivt管片族，通過三個自適應(yīng)參照點實現(xiàn)對管片環(huán)空間位置和旋轉(zhuǎn)角度的綁定，完成管片批量BIM設(shè)計。

既有研究成果在一定程度上實現(xiàn)了盾構(gòu)管片三維空間排布設(shè)計，但普遍存在自動化程度不足等缺陷，且不適用于局部塊體預(yù)埋槽道的大直徑盾構(gòu)隧道［4-8］。本文基于 Dassault 平臺 CAA 架構(gòu)開發(fā)盾構(gòu)管片空間排布程序，與Dassault 平臺的基礎(chǔ)建模功能相結(jié)合，實現(xiàn)局部塊體預(yù)埋槽道的區(qū)間盾構(gòu)隧道BIM 正向設(shè)計。

1 盾構(gòu)隧道參數(shù)化BIM設(shè)計流程

盾構(gòu)隧道參數(shù)化BIM 設(shè)計分為通用管片環(huán)BIM建模、管片定位骨架設(shè)計、管片環(huán)BIM 模型的批量實例化三步。

1.1 通用管片環(huán)BIM建模

充分利用Dassault 平臺的復(fù)雜幾何造型功能及其參數(shù)化設(shè)計優(yōu)勢，創(chuàng)建盾構(gòu)隧道通用管片環(huán)BIM 模型。利用knowledge pattern、rule 等知識工程工具以及EKL 參數(shù)化腳本語言，有效解決復(fù)雜曲面、孔洞等建模問題。

根據(jù)三類管片塊的環(huán)向分布規(guī)律，使用Dassault軟件action 知識工程工具，通過EKL 腳本語言命令I(lǐng)nstantiateTemplate（），以分塊模板類型編號、沿環(huán)向起止邊界角度為輸入?yún)?shù)，快速完成各分塊BIM 建模，形成通用楔形盾構(gòu)管片環(huán)參數(shù)化BIM模型。

1.2 管片定位骨架設(shè)計

基于Dassault平臺CAA架構(gòu)開發(fā)盾構(gòu)管片空間排布程序。該程序的用戶交互界面見圖1。

圖1 程序的用戶交互界面

創(chuàng)建盾構(gòu)管片定位骨架BIM 模型前，需要準(zhǔn)備程序輸入?yún)?shù)，包括平面左線、隧道理論中心線、斷鏈表、輸入數(shù)據(jù)表等。由于縱向螺栓將管片沿環(huán)向均勻劃分成若干區(qū)域，各區(qū)域是相鄰管片環(huán)相對轉(zhuǎn)動的基本角度單元。輸入數(shù)據(jù)表描述了管片環(huán)各塊體與環(huán)向分區(qū)的相對關(guān)系，以及基本設(shè)計參數(shù)。

用戶在交互界面的SelectInputSet和SelectOutputSet選擇框位置手動選擇輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的幾何圖形集，并完成其他參數(shù)設(shè)置后，批量創(chuàng)建管片定位骨架坐標(biāo)系BIM模型。運行結(jié)束后，程序在輸出的幾何圖形集中創(chuàng)建子集OrdinaryAxisGS、SlotEmbeddedAxisGS，分別存儲普通管片環(huán)、預(yù)埋槽道環(huán)的定位骨架坐標(biāo)系BIM模型。

1.3 管片環(huán)BIM模型的批量實例化

使用 Dassault 平臺中的 Assembly Pattern 功能，分別選擇上述程序生成的用于存儲定位骨架坐標(biāo)系BIM模型的幾何圖形集，以及管片環(huán)BIM 模板，自動完成管片環(huán)BIM模型的批量實例化。

2 管片空間排布程序

基于Dassault平臺CAA架構(gòu)開發(fā)盾構(gòu)管片空間排布程序，通過用戶交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和骨架設(shè)計模塊實現(xiàn)其功能。用戶交互模塊用于創(chuàng)建工具條和用戶交互窗口；數(shù)據(jù)存儲模塊用于輸入和輸出數(shù)據(jù)、管片環(huán)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和表達(dá)；骨架設(shè)計模塊實現(xiàn)最優(yōu)管片環(huán)位置姿態(tài)的篩選功能，并批量創(chuàng)建骨架坐標(biāo)系模型。以下依次介紹各模塊的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)。

2.1 用戶交互模塊

管片空間排布程序運行時需要用戶手動選擇用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)的幾何圖形集以及初始管片定位骨架坐標(biāo)系，這些都屬于用戶與程序之間交互的功能范疇。交互界面模塊的開發(fā)分為創(chuàng)建工具按鈕和創(chuàng)建用戶交互窗口兩部分。

2.1.1 創(chuàng)建工具按鈕并與骨架批量建模命令關(guān)聯(lián)

工具條采用Add-in 的方式添加，為了將骨架批量建模功能嵌入到零件設(shè)計模塊，Add-in 必須首先重載CATIPrtCfgAddin接口的函數(shù)。再通過CATAfrCommand Header：：CATCreateCommandHeader（）成員函數(shù)使添加的工具條與骨架批量建模命令關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)在已有零件設(shè)計模塊中添加按鈕，用戶點擊按鈕，即可激活骨架坐標(biāo)系批量建模命令。

2.1.2 在骨架批量建模命令中嵌入用戶交互窗口

首先創(chuàng)建用戶交互窗口Dialog 文件，該文件與骨架批量建模命令所在文件相互獨立。在骨架批量建模命令文件中，通過對CATMmrPanelStateCmd 類的派生，重載GiveMyPanel（）方法，使包含骨架批量建模命令的派生類與Dialog文件關(guān)聯(lián)。對話流程操作是通過重載BuildGraph（）方法實現(xiàn)的。

BuildGraph（）方法通過命令狀態(tài)和代理兩個關(guān)鍵元素來實現(xiàn)用戶在界面中的交互響應(yīng)［9］。代理的作用是將用戶在界面中的交互轉(zhuǎn)化為一種參數(shù)輸入。本程序使用了 CATDialogAgent、CATPathElementAgent、CATFeatureImportAgent 三種代理，分別用于捕獲幾何圖形集、對象路徑和坐標(biāo)系模型。以代理為核心的命令狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程見圖2。

圖2 命令狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

2.2.1 管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度

理論上講，在沒有任何約束的情況下0 ～360°任何一個角度都可以作為管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度，但在實際工程中管片環(huán)相對旋轉(zhuǎn)角度需要滿足以下四個層級的約束：①相鄰管片環(huán)的縱向螺栓孔須對齊；②管片須錯縫拼接，因為通縫時整體剛度小于錯縫，破壞時迅速失穩(wěn)［10］；③封頂塊須出現(xiàn)在下方區(qū)域，避免封頂塊朝下的不利工況［11］；④預(yù)埋槽道塊須位于管片環(huán)的正上方。

2.2.2 管片環(huán)的旋轉(zhuǎn)位置

為了清晰表達(dá)當(dāng)前管片相對于前一環(huán)的旋轉(zhuǎn)位置，以及當(dāng)前環(huán)的絕對旋轉(zhuǎn)位置，建立用于表達(dá)管片環(huán)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的xoy絕對坐標(biāo)系和x′oy′參考坐標(biāo)系，見圖3。其中：A1—A7，B1—B2，K 分別是管片環(huán)的塊體編號。A2，A6 為預(yù)埋槽道塊，縱向螺栓沿環(huán)向?qū)⒐芷瑒澐譃?8個區(qū)域?？梢钥闯?，管片在環(huán)向被等間距的縱向螺栓孔分割，相鄰縱向螺栓構(gòu)成的環(huán)向分區(qū)代表了最小相對旋轉(zhuǎn)范圍。相鄰管片環(huán)之間的旋轉(zhuǎn)角度只能是該環(huán)向分區(qū)的整數(shù)倍。本程序采用該最小分區(qū)的整數(shù)倍表征管片之間的相對旋轉(zhuǎn)角度。

圖3 絕對坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系

縱向定位螺栓將盾構(gòu)管片沿環(huán)向劃分出n個分區(qū)，x′oy′參考坐標(biāo)系的ox′軸指向正上方，各分區(qū)與ox′、oy′軸的相對位置不變。

2.2.3 存儲方式

本程序讀取表格后，使用TunnelInputClass 類存儲xoy絕對坐標(biāo)系與x′oy′參考坐標(biāo)系重合時管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度序列、管片環(huán)下方限制區(qū)域、各塊體的初始和結(jié)束分區(qū)的編號等數(shù)據(jù)。

使用結(jié)構(gòu)體類型的對象TunnelSegmentResultStruct存儲每環(huán)管片的排布結(jié)果。具體包括管片環(huán)編號及里程、管片環(huán)中心與隧道理論中心線的距離、管片相對于前一環(huán)沿順時針方向的旋轉(zhuǎn)角度（以分區(qū)數(shù)目的整數(shù)倍表達(dá)）、當(dāng)前環(huán)K 塊所在的分區(qū)編號、當(dāng)前環(huán)正上方的塊體編號、當(dāng)前管片是否預(yù)埋槽道。

2.3 骨架設(shè)計模塊

2.3.1 生成管片環(huán)相對旋轉(zhuǎn)角度序列

使用GenRotateAreaAvailable（）函數(shù)，考慮四層約束條件，生成當(dāng)前管片環(huán)相對于前一環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度序列。本函數(shù)的執(zhí)行流程見圖4。

圖4 GenRotateAreaAvailable（）函數(shù)的執(zhí)行流程

2.3.2 從相對旋轉(zhuǎn)角度序列中篩選最優(yōu)值

如圖5所示，管片環(huán)為楔形幾何體，假設(shè)在其初始端面、前進(jìn)端面各有一個定位骨架坐標(biāo)系。這些定位骨架坐標(biāo)系的x軸指向封頂塊，z軸垂直于初始端面或前進(jìn)端面。管片i+1 相對于管片i的轉(zhuǎn)角可從相對旋轉(zhuǎn)角度序列中選擇，圍繞初始端面坐標(biāo)系o1x1y1z1的z1軸旋轉(zhuǎn)，得到與每個相對旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的前進(jìn)端面坐標(biāo)系o2x2y2z2，生成的每個前進(jìn)端面坐標(biāo)系原點都是一個試算點。

圖5 相鄰管片環(huán)未發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)時端面坐標(biāo)系示意

管片i+1 初始端面坐標(biāo)系o3x3y3z3的原點與所有可能的前進(jìn)端面坐標(biāo)系o4x4y4z4的原點（也就是試算點）構(gòu)成一個圓錐形（圖6）。從所有可能的試算點中選擇最靠近隧道理論中心線的一個，其對應(yīng)的相對旋轉(zhuǎn)角度就是管片環(huán)i+1相對于管片環(huán)i的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度。

圖6 初始端面坐標(biāo)系、隧道理論中心線與試算點幾何關(guān)系示意

2.3.3 根據(jù)最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度生成管片定位骨架

已知管片i，確定i+1 及后續(xù)各管片的位置需要兩個關(guān)鍵步驟：①將管片i+1 的初始端面坐標(biāo)系o3x3y3z3繞z3軸旋轉(zhuǎn)；②建立每個管片環(huán)初始端面坐標(biāo)系與前進(jìn)端面坐標(biāo)系的相互關(guān)系。

1）坐標(biāo)系繞z3軸旋轉(zhuǎn)

分別通過 GetOrigin（）、GetDirections（）成員函數(shù)獲取坐標(biāo)系的原點和方向向量，將其作為輸入?yún)?shù)。調(diào)用構(gòu)造函數(shù)生成CATMathLine 線對象，將其作為旋轉(zhuǎn)軸，生成CATMathTransformation 空間變換對象。調(diào)用該對象的成員函數(shù)ApplyToAxis（）完成CATMathAxis類型坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)操作。

2）從初始端面坐標(biāo)系生成前進(jìn)端面坐標(biāo)系

如圖7所示，根據(jù)楔形量w和管片環(huán)外徑d確定楔形角度θ。將初始端面坐標(biāo)系x3o3z3先繞y軸順時針旋轉(zhuǎn)θ度，然后沿z軸平移標(biāo)準(zhǔn)幅寬s，再繞y軸順時針旋轉(zhuǎn)θ，得到前進(jìn)端面坐標(biāo)系x4o4z4。

圖7 管片徑向剖面

3 工程應(yīng)用

廣湛（廣州—湛江）高速鐵路湛江灣海底隧道為250 km/h 雙線盾構(gòu)隧道，全長8.5 km，位于湛江市區(qū)，最大埋深約31 m。出于精細(xì)化設(shè)計和信息化建設(shè)管理需求，對該隧道開展BIM設(shè)計。

縱向螺栓將管片劃分為28 個環(huán)向分區(qū)。10 個塊體與分區(qū)的關(guān)系見表1。第4列“是否預(yù)埋”中“1”表示當(dāng)前塊體為預(yù)埋槽道塊，否則是常規(guī)塊體。

表1 10個塊體與分區(qū)的關(guān)系

使用Dassault 軟件創(chuàng)建盾構(gòu)管片環(huán)精細(xì)化BIM 模型，每個管片環(huán)所包含的封頂塊、標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊三種塊體模型見圖8。

圖8 每個管片環(huán)的三種塊體模型

以隧道理論中心線、空間左線為輸入條件，讀入數(shù)據(jù)表，開展管片定位坐標(biāo)系批量建模，繼而使用Assembly Pattern 功能，完成管片環(huán)模型實例化，在Dassault平臺實現(xiàn)區(qū)間盾構(gòu)隧道BIM設(shè)計。

每個預(yù)埋槽道環(huán)包含4 號、8 號兩個預(yù)埋槽道塊（參見表1）。BIM 設(shè)計成果見圖9。其中預(yù)埋槽道塊用紫色標(biāo)識，各管片環(huán)錯縫拼接，預(yù)埋槽道環(huán)按預(yù)定間距沿縱向布置。對于每一個預(yù)埋槽道環(huán)，可以保證其兩個預(yù)埋槽道塊中的一個位于正上方，從而滿足接觸網(wǎng)等四電設(shè)施的基礎(chǔ)預(yù)埋要求。

圖9 廣湛高速鐵路湛江灣海底隧道BIM模型

4 結(jié)論

針對盾構(gòu)管片三維空間BIM 設(shè)計存在的自動化程度不足、不適用于局部塊體預(yù)埋槽道的大直徑盾構(gòu)隧道等問題，本文基于Dassault 平臺CAA 架構(gòu)開發(fā)管片空間排布程序，實現(xiàn)了考慮局部塊體預(yù)埋槽道的區(qū)間盾構(gòu)隧道BIM設(shè)計。

本程序包含用戶交互、數(shù)據(jù)存儲和骨架設(shè)計三個重要模塊。用戶交互模塊通過Add-in 和代理機制創(chuàng)建工具條及用戶交互窗口。數(shù)據(jù)存儲模塊以縱向定位螺栓的環(huán)向分區(qū)為基準(zhǔn)，建立xoy絕對坐標(biāo)系和x′oy′參考坐標(biāo)系，存儲和表達(dá)管片環(huán)的位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)。骨架設(shè)計模塊考慮多層次約束條件，計算管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度序列，以端面坐標(biāo)系原點最接近隧道理論中心線為原則，篩選出最優(yōu)的管片環(huán)相對旋轉(zhuǎn)角度，批量創(chuàng)建管片定位骨架坐標(biāo)系模型。

使用Dassault 平臺的模型實例化等功能，并結(jié)合本程序，成功實現(xiàn)了廣湛高速鐵路湛江灣海底隧道BIM設(shè)計。