基于BIM技術(shù)的隧道洞口二三維同步設(shè)計(jì)方法研究

徐 博

(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)

引言

隨著近幾年鐵路投資的不斷增加,山嶺隧道占比越來(lái)越大。隧道洞口作為隧道工程的重要組成部分,在施工及運(yùn)營(yíng)安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在施工期間,合理的洞口及明暗分界位置、臨時(shí)邊坡及排水設(shè)計(jì)能夠確保隧道安全進(jìn)洞,并在雨季與地震等作用影響下保持穩(wěn)定。在運(yùn)營(yíng)期,科學(xué)有效地設(shè)置隧道洞口永久坡面防護(hù)、明洞等工程能夠防止在極端條件下洞口危巖落石、滑坡等造成的安全事故,確保運(yùn)營(yíng)安全。由此可見(jiàn),隧道洞口設(shè)計(jì)合理與否將直接關(guān)系到后續(xù)隧道施工、運(yùn)營(yíng)階段的安全[1-3]。

目前傳統(tǒng)的隧道洞口設(shè)計(jì)方法是基于二維等高線圖點(diǎn)繪或通過(guò)實(shí)測(cè)線路橫斷面,采用“帶帽法”進(jìn)行隧道洞口設(shè)計(jì),通過(guò)不斷的迭代試畫(huà),最終確定所有設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力。確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),沿線路方向缺少連續(xù)性。在淺埋、偏壓等復(fù)雜地形、地質(zhì)情況下存在一定范圍的設(shè)計(jì)盲區(qū)。設(shè)計(jì)人員難以準(zhǔn)確掌握隧道洞口填挖邊界,給填挖方工程數(shù)量計(jì)算、洞口排水、坡面防護(hù)等設(shè)計(jì)精度造成較大影響[4-5]。為解決上述問(wèn)題,從設(shè)計(jì)角度出發(fā),研究了隧道洞口二三維同步設(shè)計(jì)方法,并基于BIM技術(shù)建立了符合鐵路隧道設(shè)計(jì)習(xí)慣的三維隧道洞口設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

在研發(fā)隧道洞口輔助設(shè)計(jì)軟件方面,目前國(guó)內(nèi)高校及設(shè)計(jì)院均有相關(guān)研究成果。閆智[6]基于MicroStation采用MVBA技術(shù)開(kāi)展了基于BIM的鐵路隧道洞門(mén)輔助設(shè)計(jì)研究,提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)洞門(mén)結(jié)構(gòu)及附屬工程、仰坡的方法;何守旺[7]在AutoCAD Civil3D環(huán)境下通過(guò).NET API接口實(shí)現(xiàn)了隧道洞口位置的選擇、數(shù)字地形的建立與洞門(mén)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能;黃琦茗等[8]等提出了在MicroStation下參數(shù)化創(chuàng)建帽檐斜切式洞門(mén)的流程與方法,開(kāi)發(fā)出能夠高效創(chuàng)建帽檐斜切式洞門(mén)模型與計(jì)算工程數(shù)量的程序;李俊松等[9]通過(guò)洞門(mén)參考圖提取關(guān)鍵幾何參數(shù),實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)際線路的洞門(mén)模型快速實(shí)例化;伍丹琪等[10]針對(duì)斜切式洞門(mén)提出基于4條輪廓線要素的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,并在高鐵項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證。但現(xiàn)有研究多為針對(duì)特定洞門(mén)類(lèi)型設(shè)計(jì)或在設(shè)計(jì)參數(shù)已確定的情況下,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)參數(shù)化生成洞門(mén)結(jié)構(gòu)模型;亦或其輸出成果僅為三維模型,不能同步生成二維設(shè)計(jì)文件滿足當(dāng)前法定文件交付格式的需求。從工點(diǎn)設(shè)計(jì)角度來(lái)看,并未充分利用線路、地形等邊界條件。在系統(tǒng)性方面也未涵蓋比較完整的設(shè)計(jì)內(nèi)容解決方案?？梢?jiàn),符合隧道工點(diǎn)洞口工程設(shè)計(jì)流程的三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍有必要探討研發(fā)[11-13]。

1 隧道洞口設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

在隧道洞口設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格遵循“早進(jìn)晚出”“順應(yīng)實(shí)際地形”“減少開(kāi)挖,盡量保持邊仰坡穩(wěn)定”“重視洞口排水系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)理念與原則[14]。因此,在隧道洞口工程設(shè)計(jì)過(guò)程中做好洞門(mén)結(jié)構(gòu)選型、關(guān)鍵里程確定、填挖方設(shè)計(jì)、洞口排水設(shè)計(jì)等工作就顯得尤為重要[15-17]。

1.1 洞門(mén)結(jié)構(gòu)選型

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初應(yīng)針對(duì)隧道洞口地形、地質(zhì)特點(diǎn),因地制宜選取合適的洞門(mén)類(lèi)型。通常需要通過(guò)觀察線路走向與等高線的交角或手動(dòng)點(diǎn)繪橫縱斷面確定洞門(mén)類(lèi)型[18]。當(dāng)線路與等高線基本垂直時(shí)可選擇斜切式或端墻式洞門(mén);當(dāng)線路與等高線相交角度較小時(shí)則采用臺(tái)階式洞門(mén);當(dāng)洞口地勢(shì)比較平緩時(shí),為確保施工與運(yùn)營(yíng)安全,還需要考慮設(shè)置明洞洞門(mén)。傳統(tǒng)采用基于典型斷面的設(shè)計(jì)方法具有明顯的局限性,當(dāng)洞門(mén)“帽子”放置在橫斷面相應(yīng)位置后,設(shè)計(jì)人員只能通過(guò)平面和特定的剖面,抽象地判斷洞門(mén)結(jié)構(gòu)是否在三維環(huán)境下與當(dāng)前地形相適應(yīng),很難確保當(dāng)前洞門(mén)結(jié)構(gòu)是否符合綠色環(huán)保等要求。

1.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)里程確定

隧道洞口關(guān)鍵設(shè)計(jì)里程有隧道洞口里程及明暗分界里程,應(yīng)同時(shí)兼顧最小進(jìn)洞安全覆土厚度和最小洞口開(kāi)挖量的要求。關(guān)鍵里程的選取將直接關(guān)系到隧道進(jìn)洞施工安全。采用手工點(diǎn)繪橫斷面,通過(guò)不斷試畫(huà)迭代雖然能夠確定上述關(guān)鍵里程,但當(dāng)線路平、縱設(shè)計(jì)發(fā)生變化后,設(shè)計(jì)人員需要重復(fù)上述步驟再次確定相關(guān)里程。設(shè)計(jì)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且不能實(shí)現(xiàn)精確的關(guān)鍵里程卡控。

1.3 填挖方設(shè)計(jì)

在隧道洞口設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能減少對(duì)洞口的刷方與擾動(dòng)[19]。但大多數(shù)隧道洞口設(shè)計(jì)仍不可避免涉及洞口挖方。一方面是為獲得比較穩(wěn)定的臨時(shí)邊坡和永久邊坡,同時(shí)能夠確保隧道進(jìn)入暗洞前留有足夠的安全覆土厚度;另一方面,在明挖段還會(huì)涉及洞口填方設(shè)計(jì)。二維設(shè)計(jì)通常選取洞口典型斷面進(jìn)行邊、仰坡設(shè)計(jì)及明洞回填設(shè)計(jì),而在繪制平面圖時(shí)就會(huì)遇到開(kāi)挖邊界及回填邊界難以確定的問(wèn)題,只能以點(diǎn)帶面的簡(jiǎn)化繪制。這樣會(huì)對(duì)工程數(shù)量計(jì)算及邊坡?lián)踝o(hù)設(shè)計(jì)精度造成一定影響。

1.4 洞口排水設(shè)計(jì)

洞外排水主要由截水溝、平臺(tái)排水溝、回填頂面排水溝與側(cè)溝組成。截水溝是防止地表水進(jìn)入隧道范圍的第一道防線,能夠有效降低施工期間坡面浸水失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。截水溝設(shè)計(jì)跟洞口開(kāi)挖邊界線有一定關(guān)聯(lián)。根據(jù)坡面地質(zhì)特性,一般距離坡口線5～10 m設(shè)置截水溝,并根據(jù)不同的自然坡降,選用不同的水溝基礎(chǔ)類(lèi)型[20]。在二維設(shè)計(jì)中,開(kāi)挖邊界線主要是通過(guò)線路中線至邊、仰坡坡口水平距離卡控確定的,只能大致反映開(kāi)挖線的趨勢(shì)。因此,也會(huì)導(dǎo)致截水溝的平面設(shè)計(jì)精度不高。

由此可見(jiàn),采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行隧道洞口工程設(shè)計(jì)具有明顯局限性,亟需研究新的設(shè)計(jì)方法,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

2 隧道洞口BIM設(shè)計(jì)方法研究

2.1 基礎(chǔ)平臺(tái)選擇

實(shí)現(xiàn)隧道洞口工程三維設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)建模軟件具備以下功能:①BIM建模能力;②地形模型創(chuàng)建與剪切能力;③對(duì)線路要素的支持程度;④二維出圖能力。經(jīng)過(guò)對(duì)3款主流BIM軟件進(jìn)行建模測(cè)試,對(duì)比情況如表1所示。

表1 隧道洞口三維建模適應(yīng)性測(cè)試統(tǒng)計(jì)Table 1 Adaptability test statistics for 3D modeling of tunnel portal

對(duì)比發(fā)現(xiàn),Autodesk平臺(tái)的Civil3D與Bentley平臺(tái)的OpenRailDesigner在對(duì)地形與線路中線的支持程度上相當(dāng),但從三維建模能力與對(duì)地形編輯靈活性上來(lái)說(shuō),OpenRailDesigner具有明顯優(yōu)勢(shì)。Revit本身是針對(duì)建筑行業(yè)的軟件,對(duì)線狀工程支持不是很好,尤其在線路空間定位和地形建模能力方面相對(duì)較弱,最終選擇OpenRailDesigner軟件作為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行研究。由于隧道洞口設(shè)計(jì)需要基于地形與線路中線開(kāi)展空間定位與建模,采用手動(dòng)方式設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣復(fù)雜,效率較低,本研究采用C++/C#混合編程方式輔助實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程。利用C++對(duì)部分圖形處理的底層算法進(jìn)行封裝與優(yōu)化,功能層開(kāi)發(fā)采用開(kāi)發(fā)效率較高的C#.net API接口實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)隧道洞口設(shè)計(jì)流程與業(yè)務(wù)特點(diǎn),系統(tǒng)架構(gòu)主要可分為3層,分別為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和交互展現(xiàn)層,如圖1所示。數(shù)據(jù)層主要包括:地形數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)模板和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。業(yè)務(wù)邏輯層主要完成各設(shè)計(jì)內(nèi)容的算法實(shí)現(xiàn)與交互邏輯,是本系統(tǒng)最為核心的部分。交互展現(xiàn)層主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)操作過(guò)程中的信息獲取與表達(dá),分別通過(guò)界面交互、對(duì)象交互和圖模同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2.2 系統(tǒng)功能

隧道洞口工程設(shè)計(jì)流程一般分為:①地形模型建立;②創(chuàng)建線路;③洞口位置選擇;④洞門(mén)結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì);⑤邊仰坡設(shè)計(jì);⑥回填設(shè)計(jì)(洞門(mén)接明洞時(shí));⑦截水溝設(shè)計(jì);⑧其他附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);⑨出圖與算量?？紤]OpenRailDesigner自身具有比較完備的地形、線路模型創(chuàng)建功能,地形模型可導(dǎo)入.TIF,.XYZ,.TIN等常用地形文件格式直接生成地形模型。線路中心線可以通過(guò)系統(tǒng)自帶的交點(diǎn)法或積木法直接進(jìn)行線路設(shè)計(jì),本文不再贅述。其余功能通過(guò)API接口采用二次開(kāi)發(fā)的方式進(jìn)行二三維同步設(shè)計(jì)。根據(jù)以上思路,將系統(tǒng)分為7個(gè)功能模塊,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig.2 System function module

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)選型與設(shè)計(jì)

由于在隧道洞口設(shè)計(jì)過(guò)程中,可能會(huì)出現(xiàn)同一洞口設(shè)計(jì)多個(gè)對(duì)比方案,為便于設(shè)計(jì)版本管理,需將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以工程文件的方式與模型同步存儲(chǔ)。選取使用和維護(hù)方便的Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是一種進(jìn)程內(nèi)的輕量級(jí)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)本身就是一個(gè)文件,無(wú)需安裝與配置,能夠按系統(tǒng)需求進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)連接并訪問(wèn)其中的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)隧道洞口信息及各部分的設(shè)計(jì)參數(shù),主要由表2數(shù)據(jù)組成。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)Table 2 Database table structure

2.3 主要設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 項(xiàng)目管理

為有效管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),使系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性與健壯性,對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)級(jí)、項(xiàng)目級(jí)和工點(diǎn)級(jí)3個(gè)層次進(jìn)行管理。各級(jí)數(shù)據(jù)分類(lèi)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)分級(jí)描述與適用范圍Table 3 Data classification description and scope of application

2.3.2 隧道洞口位置選擇

首先,利用導(dǎo)入的地形數(shù)據(jù),在OpenRailDesigner地形模塊中生成地形模型;然后,導(dǎo)入線路中線.dgn。根據(jù)隧道洞口地形條件試選一種洞門(mén)模板,初步輸入一個(gè)洞口里程,系統(tǒng)根據(jù)線路里程繪制線路法線方向的剖面線。通過(guò)設(shè)置步距,點(diǎn)擊向大或向小里程剖切,在預(yù)覽窗口中動(dòng)態(tài)繪制橫剖面,并顯示當(dāng)前剖面線在縱斷面中的位置。通過(guò)觀察隧道結(jié)構(gòu)與地面線的位置關(guān)系設(shè)計(jì)人員就能快速確定隧道洞口里程與明暗分界里程,如圖3所示。

2.3.3 洞口邊仰坡與回填設(shè)計(jì)

(1)邊仰坡設(shè)計(jì)

隧道洞口邊仰坡設(shè)計(jì)主要包括隧道洞口臨時(shí)邊坡及永久邊坡設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)研發(fā)提出通過(guò)事先在洞口設(shè)計(jì)模板特定圖層中標(biāo)記點(diǎn)A1、A2、A3、A4、B、C、D、E、F、H、O1、O2、O3作為邊坡設(shè)計(jì)的特征點(diǎn),如圖4所示,各特征點(diǎn)的作用如表4所示。加載相應(yīng)的洞口設(shè)計(jì)模板后系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別特征點(diǎn),設(shè)計(jì)人員通過(guò)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)能夠動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)預(yù)覽圖。設(shè)計(jì)人員按照坡率:坡高:平臺(tái)寬的接坡規(guī)則輸入臨時(shí)、永久邊坡與仰坡設(shè)計(jì)坡率。確認(rèn)設(shè)計(jì)參數(shù)后系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合三維地形生成邊仰坡刷坡模型,如圖5所示。

圖4 隧道洞口設(shè)計(jì)模板特征點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of characteristic points in portal design template

圖5 隧道邊、仰坡三維模型Fig.5 3D model of tunnel edge and front slope

表4 洞口設(shè)計(jì)模板特征點(diǎn)功能描述Table 4 Function description of feature points in portal design template

(2)明洞回填設(shè)計(jì)

如果選擇明洞洞門(mén)模板,則系統(tǒng)首先會(huì)根據(jù)回填高度h及O1、O2、O3點(diǎn)的自然坡度自動(dòng)測(cè)算并推薦回填坡度,以便回填面與自然地形相匹配,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)推薦值對(duì)坡比取整或微調(diào)。

(3)草圖預(yù)覽與模型生成

預(yù)覽窗口能夠根據(jù)預(yù)覽設(shè)置對(duì)三維地形進(jìn)行動(dòng)態(tài)剖切與剖面預(yù)覽,為確保預(yù)覽的靈活性,對(duì)剖切橫向范圍與線路中線偏移量進(jìn)行參數(shù)化控制。根據(jù)邊、仰坡及回填設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)草圖能夠同步在橫斷面及縱斷面預(yù)覽中動(dòng)態(tài)顯示,見(jiàn)圖6。設(shè)計(jì)參數(shù)初步確定后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在三維視口創(chuàng)建三維設(shè)計(jì)模型,用于驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理,如需對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,則可在參數(shù)區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整以確定最終洞口邊仰坡及回填設(shè)計(jì)參數(shù)并輸出回填BIM模型,如圖7所示。

圖6 洞口設(shè)計(jì)草圖預(yù)覽Fig.6 Preview of 3D model opening design sketch for tunnel portal

圖7 回填BIM模型Fig.7 Backfilling BIM model

2.3.4 洞門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洞門(mén)結(jié)構(gòu)從洞門(mén)外觀角度大致可分為斜切式洞門(mén)與端墻式洞門(mén)。斜切式洞門(mén)(正切/倒切)與地形關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,具有較高的復(fù)用性,可作為參數(shù)化共享單元存入構(gòu)件庫(kù),在設(shè)計(jì)時(shí)按需調(diào)用。端墻式洞門(mén)具體可衍生出臺(tái)階式洞門(mén)、翼墻式洞門(mén)等,此類(lèi)洞門(mén)一般需要根據(jù)洞口實(shí)際地形設(shè)置端墻形狀及臺(tái)階尺寸,比較靈活,可參數(shù)化程度低,因此,適合采用交互式輔助建模的方法,以便留給設(shè)計(jì)人員較大的設(shè)計(jì)自由度,系統(tǒng)提供手動(dòng)繪制端墻輪廓并根據(jù)輪廓自動(dòng)生成端墻頂帽沿的功能,并通過(guò)墻厚、仰角等參數(shù)自動(dòng)生成洞門(mén)結(jié)構(gòu)模型并計(jì)算端墻圬工數(shù)量,如圖8所示。

圖8 端墻式洞門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.8 Design of end wall portal structure

2.3.5 其他附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)截水溝設(shè)計(jì)

隧道洞口截水溝設(shè)計(jì)與線路設(shè)計(jì)類(lèi)似,需要分別進(jìn)行平面、橫斷面與縱斷面設(shè)計(jì),基于系統(tǒng)自帶的廊道設(shè)計(jì)功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。首先,在洞口平面視圖中根據(jù)開(kāi)挖邊界線走向繪制截水溝平面線條;再根據(jù)地形縱剖面設(shè)計(jì)水溝縱坡。結(jié)合地形及地質(zhì)情況選擇合適的水溝截面類(lèi)型,為避免設(shè)計(jì)人員面向復(fù)雜的廊道橫斷面約束設(shè)計(jì)器,系統(tǒng)對(duì)常用的Ⅰ式～Ⅵ式水溝截面進(jìn)行了參數(shù)化封裝,如圖9所示。為輔助設(shè)計(jì)人員快速選取合適的水溝截面類(lèi)型,系統(tǒng)構(gòu)建了坡度評(píng)價(jià)機(jī)制,即通過(guò)對(duì)水溝橫向地面坡度進(jìn)行(0～30°,30°～45°,>45°)比重分析,給出“較緩、較陡、很陡”3個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià),并推薦與之匹配的水溝斷面類(lèi)型。選取不同的水溝橫斷面類(lèi)型后能夠激活相應(yīng)的橫斷面參數(shù),設(shè)計(jì)人員根據(jù)水文資料填入具體水溝尺寸。由于水溝基礎(chǔ)開(kāi)挖會(huì)引起局部地形填挖處理,設(shè)計(jì)人員在界面中設(shè)定填挖方坡率規(guī)則,系統(tǒng)便能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水溝兩側(cè)填挖方模型創(chuàng)建。

圖9 隧道洞口截水溝設(shè)計(jì)Fig.9 Design of intercepting ditch at tunnel portal

(2)洞口超前管棚設(shè)計(jì)

隧道洞口超前管棚設(shè)計(jì)包括導(dǎo)向墻及管棚參數(shù)設(shè)計(jì)。主要控制參數(shù)有導(dǎo)向墻的厚度、長(zhǎng)度,管棚的布設(shè)范圍、外插角、管徑、間距等。本系統(tǒng)通過(guò)交互界面填寫(xiě)設(shè)計(jì)參數(shù),在二維預(yù)覽窗口中進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)覽,確定參數(shù)后系統(tǒng)生成三維模型,并根據(jù)線路數(shù)據(jù)計(jì)算定位坐標(biāo)與方位角,將模型放置到正確的空間位置,如圖10所示。

圖10 洞口超前管棚設(shè)計(jì)Fig.10 Design of advance pipe shed at tunnel portal

2.3.6 工程數(shù)量計(jì)算

受隧道洞口地表自然起伏、刷坡面形狀不規(guī)則等因素影響,準(zhǔn)確計(jì)算隧道洞口工程數(shù)量成為二維設(shè)計(jì)長(zhǎng)久以來(lái)的難點(diǎn)。本次針對(duì)不同工程類(lèi)型算量特點(diǎn)采取以列方式計(jì)算。

(1)洞口填挖方工程數(shù)量:通過(guò)構(gòu)建刷坡面、回填面、原始地形進(jìn)行布爾運(yùn)算,將形成的包圍構(gòu)造轉(zhuǎn)化為mesh對(duì)象,得到洞口開(kāi)挖體與回填體,通過(guò)特性查詢(xún)獲得精確的填挖方體積。

(2)實(shí)體構(gòu)件工程數(shù)量:對(duì)于通過(guò)交互式輸入設(shè)計(jì)參數(shù)創(chuàng)建的實(shí)體結(jié)構(gòu)對(duì)象,結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)直接統(tǒng)計(jì)其長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)等工程數(shù)量。

(3)坡面防護(hù)工程數(shù)量:二維設(shè)計(jì)時(shí),坡面防護(hù)工程數(shù)量計(jì)算的難點(diǎn)在于坡面總面積難以準(zhǔn)確計(jì)算,在三維環(huán)境下,通過(guò)拾取坡面子對(duì)象,由系統(tǒng)對(duì)坡面面積進(jìn)行累加獲得邊坡總面積。而單位面積工程數(shù)量能夠通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)精確計(jì)算得出。二者相乘后便能精確計(jì)算出洞口整體坡面防護(hù)工程數(shù)量。

2.3.7 二維出圖

隧道洞口出圖一般包括:洞口平面圖、橫斷面圖及縱斷面圖。對(duì)于平面出圖,由于在交互設(shè)計(jì)過(guò)程中已在三維環(huán)境下創(chuàng)建了三維模型,洞口平面圖只需將地形三角網(wǎng)轉(zhuǎn)化為等高線顯示模式后直接采用平面投影的方式實(shí)現(xiàn)。洞口橫斷面圖與縱斷面圖通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)與動(dòng)態(tài)繪制的方式實(shí)現(xiàn)二維出圖。設(shè)計(jì)模板主要用于通過(guò)驅(qū)動(dòng)特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圖形變化。而其余設(shè)計(jì)參數(shù)如坡率、錨桿長(zhǎng)度與間距、回填參數(shù)等則由系統(tǒng)調(diào)用繪圖函數(shù)動(dòng)態(tài)繪制。圖紙信息設(shè)置與二維出圖效果如圖11所示。

圖 11 隧道洞口二維出圖效果(單位:cm)Fig.11 2D mapping effect of tunnel portal (unit: cm)

3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

3.1 可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的設(shè)計(jì)模板

為適應(yīng)不同類(lèi)型洞口設(shè)計(jì),提出可參數(shù)驅(qū)動(dòng)的模板“特征點(diǎn)”,能夠被系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并判斷開(kāi)挖與回填基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ⅰ疤卣鼽c(diǎn)”規(guī)則應(yīng)用到自定義隧道洞口設(shè)計(jì)模板,有效提升了本系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與通用性。

3.2 二三維互動(dòng)式設(shè)計(jì)

針對(duì)隧道洞口設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)地形特征強(qiáng)耦合的工程特點(diǎn),提出采用二、三維同步設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行隧道關(guān)鍵里程選擇、洞口開(kāi)挖與回填設(shè)計(jì)。充分利用二、三維表達(dá)方式的優(yōu)勢(shì),利用二維視口精確卡控設(shè)計(jì)幾何參數(shù);通過(guò)三維視口對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)視與調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了隧道洞口的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

3.3 智能化截水溝設(shè)計(jì)

充分利用OpenRailDesigner對(duì)地形的自適應(yīng)特性,通過(guò)二次開(kāi)發(fā)封裝了常見(jiàn)水溝類(lèi)型,并對(duì)地形坡度分析,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)推薦水溝類(lèi)型,快速創(chuàng)建適應(yīng)地形的水溝模型功能,有效降低了設(shè)計(jì)難度,提高了設(shè)計(jì)效率。

3.4 基于中心數(shù)據(jù)庫(kù)的二三維同步設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于同一數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)參數(shù),分別驅(qū)動(dòng)繪圖函數(shù)生成二維圖紙與三維BIM模型,使設(shè)計(jì)人員對(duì)同一設(shè)計(jì)內(nèi)容只設(shè)計(jì)一次,極大地減輕了設(shè)計(jì)人員工作強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求出發(fā),結(jié)合鐵路隧道洞口工程設(shè)計(jì)重難點(diǎn),基于OpenRailDesigner 軟件,研發(fā)了鐵路隧道洞口二、三維同步設(shè)計(jì)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了隧道洞口位置選擇、邊仰坡與回填設(shè)計(jì)、洞門(mén)主體結(jié)構(gòu)及附屬工程設(shè)計(jì)、主要工程數(shù)量計(jì)算與二維出圖功能。通過(guò)在西安至安康、西安至十堰高速鐵路中的實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)滿足一般鐵路隧道洞口端墻及斜切式洞門(mén)設(shè)計(jì)需求,能夠較好契合鐵路業(yè)主提出的二維圖紙附加三維BIM模型的交付要求,顯著提升了隧道洞口設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

目前,該系統(tǒng)能夠適用于一般常規(guī)地形下隧道洞口設(shè)計(jì),對(duì)于特殊地形情況下,如半明半暗進(jìn)洞、小間距雙洞單線隧道等設(shè)計(jì)工況,由于其地形條件變化靈活,設(shè)計(jì)規(guī)則可標(biāo)準(zhǔn)化程度低,仍具有一定的局限性。在洞口工程數(shù)量完備性上還需要根據(jù)不同工點(diǎn)洞口防護(hù)類(lèi)型持續(xù)優(yōu)化與完善。