基于Navisworks 平臺的礦山法隧道風險評估軟件開發及應用

卞桂榮，劉旭，李昂，龔濟平，胡小波

（1.中交第三航務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計研究院有限公司，上海 200032；3.河海大學，江蘇 南京 210098）

0 引言

BIM 技術作為信息化的有效載體，對于實現工程建設過程的可視化、集約化管理具有重要作用，Navisworks 作為BIM 技術中具有可視化管理、施工模擬演示等功能的應用平臺，在實現隧道數據管理的基礎上，可以利用三維真實感圖形的形式表達地質和結構對象的空間分布、空間關系及屬性特征等[1-2]，可以使地質分析更為靈活、直觀、準確，因而引起工程設計和施工人員極大的興趣，并已成為當前隧道工程領域的研究前沿和熱點。相比BIM 應用逐漸成熟的建筑業，隧道工程信息化水平較低，雖然由于手工繪圖被計算機輔助設計替代，隧道工程設計的工作效率得到了顯著的提高，但其本質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。隧道工程不同于工業、民用建筑工程，有其自身的特點[3]。其中復雜的地質條件和項目管理模式可能成為礦山法隧道BIM 應用的最大瓶頸，這也導致了礦山法隧道BIM 設計應用案例極少[4-7]。本文將基于Navisworks 平臺對礦山法隧道進行二次開發，實現礦山法隧道的施工風險評估結果的集成管理。

1 工程實例

本工程實例選取的是北京高麗營隧道，北京至沈陽客運專線高麗營隧道起點里程DK33+310，終點里程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、昌平郊區所在的平原區，主要位于順義區和昌平區轄區內，需下穿六環主路及酸棗嶺立交A、D、C 三條匝道（由南向北排序）。

2 礦山法隧道的Dynamo 參數化建模

隧道的BIM 建模需要在Revit 中導入隧道中心線的平面圖和縱斷面圖，由編譯好的Dynamo腳本導出中心線控制點的三維坐標至Excel，再生成隧道的三維中心線。在Dynamo 中運用節點“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，因此需要運用節點“List.Flatten”將曲線信息進行列表拍平。列表拍平后通過Dynamo 中的自定義代碼塊節點“Code Block”將列表各項拆分，以便將獲取的各項曲線信息整合。運用“Curve.Join”節點來逐項連接對應編號的曲線。接下來通過節點“Curve.Length”將曲線分割成2 700 段，并導出相應的平面曲線段起點的坐標點。提取曲線段的平面坐標點X 和Y，并同時將中心線縱斷面圖中的高程點Z 提取出來，通過節點“Point.ByCoordinates”導出，然后將提取出來的坐標點存儲于Excel 表格中。

中心線坐標點建立后就可以創建自適應族，自適應點是用于設計自適應構件的修改參照點，通過捕捉繪制的幾何圖形稱為自適應構件。以創建二類圍巖最外層支護為例，在Revit 中新建族文件，然后導入CAD 橫斷面圖，并將其圖元分解；刪除其它無關線條，只保留最外層支護線條，隧道斷面中心處添加參照點圖元，將點圖元設置為自適應點；視圖需轉至立面并將所有圖元沿Z 軸方向復制，通過外側環狀圖元生成實體，內側環狀圖元生成空心體，最后形成隧道外層支護三維實體，并保存為rfa 族文件。

相應的自適應族文件建立好以后就可以通過Dynamo 來進行組裝，首先導入隧道中心線的數據，獲取數據后運用節點“Point. By Coordinate”＞“Poly Curve. By Points”生成中心線，同時運用節點“List.Join”將兩條中心線的坐標點數據列表整合。獲取隧道的分段中心線后就可以運用節點“Family Types”和“Adaptive Component. By Points”組裝所有配件并生成實體，最后運行程序生成模型，如圖1 所示。

圖1 試驗段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險評估軟件開發

3.1 需求分析

隧道工程建設投資大，施工工藝復雜、周期長，周邊環境復雜，建筑材料和施工設備繁多，涉及專業工種與人員眾多。反映隧道施工風險的指標有很多，如建筑規模、災害發生頻率、地形地貌、地層巖性、地質構造、巖體風化程度、氣候因素、人類工程活動、經濟損失、人員傷亡、環境破壞程度等等。但是對于隧道施工環境，由于各個工程地質條件不同，施工環境也不同，很難預測人員傷亡和經濟損失，因此，以經濟損失或人員傷亡角度來評價風險等級不能完全反映隧道施工風險的特點。需要采用一種能通過客觀情況和主觀經驗綜合的方法，在一定程度上反映隧道的安全狀況。

3.2 功能設計

層次分析法能夠把定性和定量資料有機地結合起來，對指標進行全面和系統的分析和評價，從而得出各個指標的組合權重，這樣比單純憑經驗確定評價因素權重的專家咨詢法更為科學，再者，層次分析法通過計算判斷矩陣的標準化特征向量，可以對得分值進行一致性檢驗，因而其權重計算的科學性有明顯提高。模糊層次綜合評估法同時擁有層次分析法和模糊數學綜合評判的優點，該方法克服了模糊數學綜合主評判法中評價因素對評價對象的權重確定主觀性強等缺點，因此，本文選用了模糊層次綜合評估法來構建風險因素識別體系。

本次風險因素的識別主要從隧道施工的影響因素角度考慮，選擇和風險產生直接相關，并能反映施工風險的因素進行評判，排除那些次要的或與風險關系不大的因素，確定可作為隧道施工風險等級評價的主要指標，軟件中的主要功能可按照圖2 中的結構指標進行分層設計。

圖2 隧道施工風險影響因素的層次結構模型圖Fig.2 Hierarchical structure model of risk factors in tunnel construction

3.3 功能實現

對項目風險的初步判斷，量化項目各級風險因素的權重，劃分項目風險等級，具體功能實現項目如下：

1）主要因素排序：針對客戶的項目，列出該項目中風險的一級因素，客戶根據實際情況輸入風險因素相互之間的重要性對比情況，點擊“排序”按鈕計算并顯示各因素占項目風險的權重。

2）次要因素排序：一級因素下細分成若干二級因素，客戶輸入二級因素相互之間的重要性對比情況，點擊“排序”按鈕后可以顯示二級因素占項目風險的權重。

3）風險等級劃分：客戶根據實際情況輸入各二級因素發生的可能情況，點擊“風險等級劃分”按鈕后可以顯示項目風險等級劃分情況。

4 基于霍克-布朗破壞準則的礦山法隧道數值分析

由于本項目中的礦山隧道大多數情況是在軟巖中進行開挖，因此在模擬時不適合選用傳統的摩爾-庫侖破壞準則來描述本構，需要采用適用于巖體的霍克-布朗破壞準則[8]。算例中使用Plaxis建模進行事故前后的隧道結構變形。建立好土層后則需要對不同的巖土材料進行參數設置，土層選取的本構關系為摩爾-庫侖破壞準則，巖層選取的本構關系為霍克-布朗破壞準則。土層建立好后就可以直接利用隧道編輯器來創建隧道，隧道編輯器創建點的坐標是位于隧道底部的中點，輸入坐標點后就可以在“剖面”選項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“負向界面”。

建立好隧道后就可以進行網格劃分，選擇“中等”密度的單元格劃分后得到相應的計算模型。為了模擬礦山隧道的開挖，必須要進行分布施工的計算。隧道開挖模擬需要激活襯砌的同時解除隧洞內的巖體部分，該計算部分為塑性分析。三維的拱體效應可以通過Plaxis 中內置的β 法來完成。該方法是將作用在隧道周邊初始應力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算類型選擇為“重力施加”；第二分析步是進行“塑性”計算，在設置第二步時需要激活隧洞區域的巖體，并將對象瀏覽器中的“Deconfinement（1-β）”設置為60%；第三分析步的計算類型仍為“塑性”，該分析步中需要把隧洞區域巖體的“Deconfinement（1-β）”設置為100%，并激活襯砌與錨桿部分。

分布施工設置完成后即可選擇“生成曲線所需的點”來記錄計算過程中所選節點的位移情況，待上述設置全部完成后則可以進行計算。圖3 給出了圍巖塑性區域示意圖；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，圍巖塑性區域，其影響范圍大幅度減小，塑性區域只在隧道頂部、底部和巖層的層間出現。

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

5 礦山法隧道的Navisworks 插件開發

Navisworks 是一種可用于綜合項目查看的軟件，可以對項目進行分析、施工模擬以及交流設計圖等，實現協同工作。它可以導入由Revit 平臺生成的三維模型，對每一個具體構件進行細化操作，實現部分“數字孿生”的功能[9]。這種信息化管理平臺具有可視化、動態化的優點，并提供了外部的API 接口，可以通過C# 編程語言來直接調用其函數庫對相關信息功能進行拓展。

Navisworks 二次開發是在其已有的功能基礎上拓展其它相關聯的可視化應用，在現有的軟件上定制修改、功能擴展，達到項目需求的功能，不改變原有系統的內核，能夠更全面地滿足用戶對平臺的各種特定需求。軟件商將數據庫函數內置于Navisworks 的API 接口中，使 Navisworks 二次開發更加便利。Navisworks 二次開發是通過界面插件的形式結合三維模型的構件超鏈接來實現，可以滿足不同的用戶需求靈活調整[10]。

Navisworks 開發環境是建立在Microsoft.NET Framework 的基礎上，Navisworks API 允許開發人員通過C# 語言進行編程[11]。其開發流程是通過Navisworks API 應用.NET 開發環境來實現，流程如圖4 所示。根據隧道風險評估與施工信息與BIM 模型結合的需求，需要在現有的軟件上進行定制修改、功能擴展，達到項目需求的功能，不改變原有系統的內核。開發過程中利用Windows窗體來創建界面，界面中在由Revit 創建的三維模型上設置所關注的點位，并通過導入jpg 圖像文件來實現查看各點位的信息功能，實現信息的集成查看功能。

圖4 二次開發流程圖Fig.4 Flow chart of secondary development

風險評估成果的展示主要功能是顯示項目模型各標段對應的風險評估預測結果和施工信息，施工信息包括風險預測結果、掌子面照片、超前地質預報結果、仿真分析結果和監測數據等，使用時需要先安裝好suidao.dll 動態鏈接庫文件，安裝完成以后在Navisworks 中會出現內置的“隧道BIM 平臺”的窗口選項，然后在查看選項卡中選擇“窗口”下拉菜單，再選擇“隧道BIM 平臺”即可打開選項卡，操作時需要先點擊隧道三維模型標識中的字體，點擊相對應的結果后可以彈出該位置的預存結果，具體展示細節如下：

1）施工風險預測結果：對于相應的監測點在風險評估軟件中計算各區段的模糊層次評估法的評估結果，然后保存為圖片，通過導入圖片在Navisworks 中進行查看，對存在較大風險的區段進行“預警”標識；

2）掌子面和超前地質預報：導入、實時查看挖掌子面的現場真實照片和超前地質預報結果，包括掌子面巖性和滲水情況，方便對開挖風險進行實時評判。

3）仿真分析：對于相應的監測點在有限元軟件中計算各區段的模擬仿真分析云圖，然后保存為圖片，通過導入圖片在Navisworks 中進行實時查看，對模擬結果異常的區段進行“預警”標識；

4）監測數據：對于相應的監測點在Excel 中讀取各區段的長期變形數據，通過導入圖片在Navisworks 中進行實時查看，對模擬結果異常的區段進行“預警”標識導入、實時查看支護完成區段的長期變形數據。

6 結語

本文針對隧道參數化建模和Navisworks 二次開發方面開展了研究，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Navisworks 的拓展查看功能，在Revit 所建立的三維模型基礎上整合了隧道施工現場的進度信息，該類信息可用于展示風險評估結果、掌子面情況、超前地質預報、隧道監測數據和仿真分析等結果，能夠更直觀地在BIM 模型中進行隧道施工風險的評估。主要研究成果及結論如下：

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

2）在施工開展前，采用模糊綜合層次評估地質風險因素，開發了地質風險評估軟件，用于評估隧道施工各區段的最大風險源。

3）在施工過程中，采用霍克-布朗破壞準則對注漿加固后的隧道結構-地層進行仿真分析，控制隧道施工風險。

4）在三維模型的基礎上，利用C#編程語言開發Navisworks 拓展插件，用于展示風險評估結果、掌子面情況、隧道監測數據以及仿真分析等結果。

在隧道工程成本中，支護及維護費用就占40%～60%，因此根據地質風險評估情況調整優化超前支護及其他輔助施工措施，可以在保證施工安全程度的前提下，最大限度地節省施工經費。基于BIM 的隧道施工地質風險評估技術的研究與應用，可以為信息化平臺軟件的采購提供技術與指標參考，達到節約投資、提高效益的目的。