鐵路隧道斜切式洞門BIM正向設(shè)計(jì)方法研究

伍丹琪，謝先當(dāng)，劉厚強(qiáng)

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 BIM中心，四川成都 610031）

1 概述

傳統(tǒng)二維隧道設(shè)計(jì)方式精度差、效率低，不能真實(shí)反映復(fù)雜工點(diǎn)實(shí)際情況。隨著BIM技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用與發(fā)展，如何有效提高BIM設(shè)計(jì)的效率與精度受到了越來越廣泛的重視。房建、市政等專業(yè)已經(jīng)具有較為成熟的BIM設(shè)計(jì)解決方案[1-3]。但目前隧道工程的信息化水平仍然很低，深化設(shè)計(jì)階段的隧道洞門形式多樣，三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜。OpenRail Designer軟件（簡稱ORD軟件）為鐵路設(shè)計(jì)提供了有效的解決方案，但由于其自身參數(shù)化功能較弱，目前隧道BIM設(shè)計(jì)人員只能通過傳統(tǒng)手動(dòng)翻模方式進(jìn)行隧道BIM設(shè)計(jì)[4-8]。使得BIM建模工作占用較多人力，模型重復(fù)使用率低、不便修改且精度不高[9-10]。特別是隧道中的斜切式洞門，形體復(fù)雜、參數(shù)繁多，手動(dòng)三維設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜，帶有不規(guī)則直紋曲面的非常規(guī)實(shí)體無法通過常規(guī)實(shí)體創(chuàng)建方法與布爾運(yùn)算直接生成[11]，亟須進(jìn)行二次開發(fā)，提高設(shè)計(jì)效率和模型質(zhì)量。

為解決隧道洞門BIM設(shè)計(jì)參數(shù)化較弱問題，歐陽艷[12]以合福高鐵鳳凰山隧道洞門為例，利用洞門輪廓真實(shí)坐標(biāo)值提出應(yīng)用CATIA V5中Generative Shape Design和Part Design模塊進(jìn)行高鐵隧道復(fù)雜洞門精準(zhǔn)建模的具體方法，但基于手動(dòng)設(shè)計(jì)，過程繁復(fù)、效率較低。黃琦茗等[11]基于MicroStation研究了隧道帽檐斜切式洞門參數(shù)化建模，提出一種隧道帽檐斜切式洞門的設(shè)計(jì)算法，但參數(shù)較多且缺乏和洞身的順接，整體性和實(shí)用性受到影響。在對斜切式洞門設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析與總結(jié)基礎(chǔ)上，結(jié)合目前研究成果的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一套基于Bentley平臺(tái)的鐵路隧道斜切式洞門BIM正向設(shè)計(jì)方法，并研發(fā)了斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)程序，為后續(xù)復(fù)雜形體隧道工程的參數(shù)化研究提供借鑒。

2 技術(shù)路線

經(jīng)過對隧道斜切式洞門的分析與研究，梳理出洞門幾何形態(tài)的控制要素為a、b、c、d四條輪廓線（見圖1）。根據(jù)控制要素，在充分獲取隧道洞身參數(shù)基礎(chǔ)上，圍繞輪廓線的生成，設(shè)定了斜切式洞門的主要參數(shù)，利用程序?qū)斎雲(yún)?shù)等信息進(jìn)行處理，輸出設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)。

圖1 隧道斜切式洞門創(chuàng)建要素示意圖

為開發(fā)出功能完整的斜切式洞門設(shè)計(jì)程序，基于.NET框架的二次開發(fā)，使用C#語言，調(diào)用ORD軟件封裝函數(shù)，將參數(shù)化創(chuàng)建隧道斜切式洞門的方法，整合成為ORD軟件的功能性程序，整體集成到軟件界面中。

3 設(shè)計(jì)方法

為了解決隧道洞門BIM設(shè)計(jì)中存在的參數(shù)化問題，通過反復(fù)設(shè)計(jì)測試，得出一套鐵路隧道斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)的有效方法（見圖2）。

圖2 鐵路隧道斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)方法流程

第1步：獲取參數(shù)。由于洞門需要與洞身銜接，所以參數(shù)確定的關(guān)鍵步驟之一為獲取洞身參數(shù)。在dgn文件中運(yùn)行斜切式洞門設(shè)計(jì)軟件，按照提示以模型窗口交互界面選擇線路和洞身模型，獲取洞身模型的線位及洞身參數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在隧道斜切式洞門參數(shù)類中，通過對話框提供給設(shè)計(jì)者，可根據(jù)需要以手動(dòng)輸入的方式修改參數(shù)。同樣在參數(shù)對話框中輸入洞門設(shè)計(jì)參數(shù)，需要的參數(shù)包括軌頂面至圓心O的豎向距離，以及a、b、c、d四條輪廓線的生成控制參數(shù)（見圖3）。

圖3 輸入的洞門參數(shù)

第2步：信息處理。利用獲取的洞身設(shè)計(jì)參數(shù)創(chuàng)建洞門段原始模型，再利用洞門參數(shù)創(chuàng)建斜切式洞門實(shí)體，具體步驟如下：

首先，根據(jù)生成輪廓線c、d的剪切斜率參數(shù)，分別拉伸創(chuàng)建立方體實(shí)體，基于布爾減運(yùn)算，分別截取洞門段原始模型的內(nèi)外2個(gè)面，得到2條輪廓線c、d及截取所剩的明洞段實(shí)體模型。通過自行編寫的編號(hào)工具，為剪切后的明洞段模型輪廓線分別編號(hào)。根據(jù)編號(hào)獲取相應(yīng)的輪廓線，以確保每次提取的輪廓都為所需的特定輪廓線。特別注意的是，ORD軟件中復(fù)雜實(shí)體的布爾運(yùn)算限制在坐標(biāo)為±500 m范圍內(nèi)，超過±500 m范圍的布爾運(yùn)算可能會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)錯(cuò)誤。針對此問題提出一種解決方案，將做布爾運(yùn)算的實(shí)體通過Transform函數(shù)做平移變換，平移到原點(diǎn)，如果模型范圍還是超過±500 m，則進(jìn)行縮略變換，待完成布爾運(yùn)算后，再通過Transform函數(shù)做還原變換。

其次，沿輪廓線c、d的切面按一定方向拉伸輪廓線c、d，得到2個(gè)拉伸曲面——曲面1、曲面2。再根據(jù)設(shè)計(jì)斜率的切面創(chuàng)建斜面3、斜面4，分別切割2個(gè)曲面，再為得到的交線編號(hào)，然后獲取相應(yīng)的輪廓線為輪廓線a、b（見圖4）。

圖4 輪廓線a、b生成要素示意圖

然后，提取輪廓線縫合為實(shí)體模型。具體步驟如下：先由輪廓線a、b，輪廓線c、d，輪廓線a、c，以及輪廓線b、d之間的起點(diǎn)形成一個(gè)輪廓（Profile），由起點(diǎn)至終點(diǎn)沿2條曲線路徑（Path）掃掠生成曲面，再由形成的4個(gè)曲面縫合生成實(shí)體模型。

最后，為實(shí)體模型添加名稱、材質(zhì)等附加屬性。

將以上原理以二次開發(fā)的方式調(diào)用軟件函數(shù)整合為一個(gè)程序，獲取材質(zhì)及相應(yīng)實(shí)體體積，最后完成模型、屬性和工程量的輸出。

4 工程實(shí)例

以成渝中線高鐵某隧道洞門為例，驗(yàn)證隧道斜切式洞門設(shè)計(jì)方法和程序的有效性。

該隧道入口采用斜切式洞門，設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km。正向設(shè)計(jì)過程中，用戶應(yīng)先擬定斜切式洞門斜率、拉伸面角度等參數(shù)，隨后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和驗(yàn)證，最后啟動(dòng)斜切式洞門創(chuàng)建程序，在對話窗口中輸入相應(yīng)參數(shù)，經(jīng)程序輸出的BIM模型見圖5，附加屬性見圖6。經(jīng)驗(yàn)證，該方法能夠完整有效地設(shè)計(jì)斜切式洞門BIM模型，且易與洞身順接。

圖5 成渝中線高鐵某隧道斜切式洞門模型

圖6 模型屬性和工程量輸出界面

5 結(jié)束語

提出一種全新的鐵路隧道斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)技術(shù)方法，并基于ORD軟件開發(fā)了斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)程序。該方法和程序在實(shí)際工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證，應(yīng)用效果表明該方案和程序解決了隧道洞門難以手動(dòng)建模、模型質(zhì)量差的問題。且由于大量參數(shù)由洞身提取，極大利用了原有洞身部分模型，所以易與洞身順接，提高了設(shè)計(jì)效率、模型準(zhǔn)確度和適用性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)推動(dòng)了BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用，為后續(xù)其他復(fù)雜隧道洞門參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了借鑒。