盾構管片自動建模方法研究及應用

魏章俊，陳 前，肖 云，孫有恒

（1.中鐵建華南建設有限公司，廣東 廣州 511458；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510335）

0 引言

近年來，BIM 技術在建筑領域中應用得越來越成熟，而在城市軌道交通工程領域中的應用還處于發展階段［1，2］。未來幾年，全國將會有超過 103 個城市開展軌道交通建設，新建城市軌道交通 2 000 km 以上，涉及投資約 1.6 萬億元［3］。隨著國家對城市軌道交通建設的大力支持，BIM 技術勢必會在軌道交通工程建設中具有廣闊的發展前景。國內外學者也已經開始對 BIM 技術在城市軌道交通建設中的建模及應用進行研究［4，5］。張良等［6］研究如何應用 BIM 技術進行盾構管片的參數化建模，并以此處理施工過程中遇到的問題。賈璞敏等［7］研究了 BIM 結合 VR 技術在盾構推進前的施工準備中的應用。劉濤［8］研究利用 Visual Lisp 語言對 AutoCAD 進行二次開發，編制盾構隧道管片參數化設計程序，驗證參數化在管片設計中的可行性。方黃磊［9］結合當前軌道交通地下區間 BIM 設計的現狀與需求，從建模軟件選擇、建模標準、構件庫搭建等方面進行研究。上述成果涉及到盾構管片模型創建的方法，主要建模軟件采用的是 AutoCAD 和 Revit，提出了許多有價值的建模方法，但建模軟件單一，缺乏多種軟件創建的模型集成應用和模型基于施工管理平臺中的應用分析。

本文以廣州市軌道交通 18 號線為研究對象，采用Dynamo 插件生成盾構隧道中心線，基于 Micro Station 軟件二次開發出一套盾構管片自動排布插件，后利用插件創建區間盾構管片模型，基于盾構區間模型開展多個 BIM 應用。結合實際項目探索出一條盾構管片建模及應用的技術路線，模型的精度和準確率較高，同時根據項目特點定制開發的盾構管片自動建模工具使建模效率提高，模型更能貼切項目實際，具有較高的利用價值。模型與區間地質模型合模進行風險分析及可視化展示，能指導施工單位提前發現風險區域，采取相關措施降低風險的發生。基于施工管理平臺，模型上傳到平臺后進行派工單、完工標識、安全質量問題定位等應用，搜集現場施工過程中產生的數據，通過數據分析幫助管理者提高項目管理水平。

1 建模軟件選擇

目前，市面上主流 BIM 軟件主要包括美國歐特克公司以 Revit 為核心的 BIM 系列軟件，美國奔特力公司以 MicroStation 為基礎平臺開發的 BIM 系列軟件，法國達索公司以 CATIA 為核心的 BIM 系列軟件等。

地鐵盾構區間隧道是在一段狹長的區間由圓形的管片環拼裝而成的結構，盾構區間線路在平面上由直線段、緩和曲線段及圓曲線段組成，在縱斷面上還存在上坡及下坡，所以整個盾構區間隧道中心線是一條三維空間曲線。針對盾構區間上述特點選擇一款或多款 BIM 建模軟件，能方便快捷地創建盾構隧道 BIM 模型顯得很有必要［10］。經過對多種 BIM 建模軟件的比較分析，再結合本項目的實際需求，同時考慮到盾構隧道結構狹長、變曲線、模塊化的特點，最終決定采用 Revit+Dynamo 結合 MicroStation 來創建盾構區間管片拼裝模型。采用的方案是，先利用 Revit 結合 Dynamo 創建隧道中心線，再通過 MicroStation 軟件根據隧道中心線并結合開發的自動建模插件來創建盾構區間管片拼裝模型。

1.1 Dynamo 參數化設計軟件

Dynamo 是一款高效的參數化設計工具，可以基于Revit 軟件實現可視化編程及設計［11，12］。用戶在軟件操作界面按照一定的規則邏輯將軟件預定義或者自定義的節點進行連接，如圖 1 所示。通過輸入、程序處理和輸出的過程在 Revit 中創建和處理復雜的模型，本項目通過利用其自動化建模的優勢將三維坐標數據自動在 Revit 中創建隧道中心線。

圖1 通過坐標創建點

1.2 Bentley 軟件

奔特力軟件公司致力于提供全面的可持續性基礎設施軟件解決方案，基于 MicroStation 基礎平臺開發了上百款針對不同專業的軟件，包括用于房建設計的OpenBuildings，用于市政道路設計的 OpenRoads，用于工廠三維設計的 OpenPlant 等軟件［13］。奔特力系列軟件擅長處理復雜不規則的異型模型，對較大體量的模型運行速度較快，比較適合創建盾構區間管片這種長線性、大體量的模型。由于 MicroStation 軟件自帶功能不能直接通過讀取隧道三維中心線創建盾構管片模型，故本項目在 MicroStation 軟件的基礎上進行了二次開發，開發出盾構管片自動排布建模插件，通過該工具很好地解決了上述問題。

2 建模介紹

2.1 盾構管片特點

本項目采用標準雙面楔形通用環，該襯砌環由 1 個封頂塊（F）、2 個連接塊（L 1、L 2）、4 個標準塊（B 1、B 2、B 3、B 4）7 塊管片組成，楔形量為 46 mm。襯砌環外徑 8.5 m，厚 0.4 m，寬 1.6 m，如圖 2 所示。其縱、環縫采用斜螺栓連接。襯砌環需滿足以下拼裝要求，襯砌環采用錯縫拼接，且首先拼裝 B 3 塊管片，特殊情況下無法避免時，可局部采用通縫拼裝，但不應連續超過 3 環。

圖2 襯砌圓環構造圖

2.2 開發思路分析

經過對盾構區間平縱斷面圖及管片襯砌構造圖進行仔細分析，確定了本工具開發的基本思路。首先需要創建隧道中心線來約束管片的拼裝路徑，設計平面圖上的線路是指線路中心線，并不是隧道中心線，在直線段二者是重合的，而在曲線段由于需要設計超高，所以二者是不重合的，如圖 3 所示。區間盾構管片模型應依據隧道中心線來創建，利用 DTA 盾構計算方法通過對線路平縱斷面線的分析，最終生成間隔為 1 m 的隧道中心線三維坐標數據。然后將隧道中心線三維坐標導入 Dynamo 軟件中，在 Revit 體量族環境中生成點，通過樣條曲線連接點生成隧道中心線。最后導出 dgn 格式文件用于后面在 MicroStation 軟件中創建盾構管片模型。

圖3 曲線段平面示意圖

C # 是一種最新的、面向對象的編程語言。它使得程序員可以快速地編寫各種基于 Microsoft.NET 平臺的應用程序。同時 C# 語言對 MicroStation 軟件兼容性較好，故本項目采用其作為二次開發語言進行功能開發。通過分析研究總結出需要解決的核心難點，主要包括盾構管片中心點嚴格按照隧道中心線進行排布，滿足管片的錯縫拼裝原則，上一個盾構環管片的螺栓孔與下一個環的螺栓孔需對齊，管片環之間應排布緊密，不出現縫隙和碰撞。經過不斷測試和算法優化，最終將上述問題一一解決，滿足了實際項目需要。

3 工程應用介紹

3.1 工程概況

南村萬博站—沙溪站區間南起南村萬博站，線路出南村萬博站后，向西北方沿番禺大道東側行進，下穿番禺區交警隊、番禺大道跨線橋后，向北方沿番禺大道西側行進，下穿三支香水道，新沙五金塑料城后，在沙溪大道路口處至沙溪站。該段區間設計范圍為盾構及礦山法段隧道，左線長 3 514.194 m，右線長 3 497.318 m。區間右線設置 4 處平曲線，曲線半徑分別為 3 500、1 550、2 800、4 000 m；左線設置 4 處平曲線，曲線半徑分別為 3 200、1 550、2 100、3 100 m。線路縱坡最大坡度為 11.2 ‰，最小坡度為 4.95 ‰，隧道頂最小埋深約 13.7 m、最大埋深約 30.6 m。穿越主要地層有＜6＞、＜6Z＞、＜7Z＞、＜7-3＞、＜8-3＞層，局部地段穿越＜9-3＞層。區間平面圖如圖 4 所示。

圖4 區間示意圖（單位：m）

3.2 數據整理

根據前面開發思路所述，需要將線路曲線轉換成DTA 隧道中心線坐標，采用專業軟件根據平縱斷面圖紙生成隧道中心線坐標數據表格，施工方參照該表格數據控制盾構機掘進進行管片拼裝。該施工應用的表格包括里程、X坐標、Y坐標、Z坐標等數據，由于在 Dynamo 中創建隧道中心線只需要X坐標、Y坐標和Z坐標數據即可，所以需要將表格中的其他數據刪除，只保留所需數據。

3.3 模型創建介紹

3.3.1 隧道中心線創建

Dynamo 可視化編程軟件具有強大的參數化建模功能，能解決大量重復操作，使建模效率顯著提高。通過與其他幾款能創建空間三維曲線的軟件進行對比，發現基于 Dynamo 利用 DTA 中心線坐標表來創建三維空間隧道中心線具有效率高、錯誤低的顯著特點。Civil 3d 和 Bentley OpenRoads 均能根據平縱斷面創建三維空間曲線，但是它們都是依據線路中心線來生成的，未考慮曲線段的線路中心線與隧道中心線會出現偏差，直接創建會導致創建出的線路不準確，經過換算處理雖也能創建準確，但是會比較麻煩，所以采用 Dynamo 進行創建。建模步驟是提前制作好能根據坐標點創建三維曲線的 Dynamo 程序，如圖 5 所示。按照程序步驟，首先，讀取隧道中心線坐標數據；然后，自動生成按照一定間距沿著隧道中心線排列的空間坐標點；最后，沿著空間坐標點在 Revit 軟件體量樣板族中生成樣條曲線，該曲線就是需要的隧道中心線，左線隧道中心線如圖 6 所示，將該文件導出為 DNG 格式文件供后面創建盾構模型用。

圖5 Dynamo 節點程序圖

圖6 區間左線隧道中心線

3.3.2 盾構單元環創建

盾構單元環采用的是雙面楔形通用環，也就是說整個區間均由一個標準的單元環拼裝組成，通過控制其旋轉角度進行拼裝，滿足直線段和曲線段的拼裝要求。根據設計圖紙在 MicroStation 軟件中創建盾構單元環模型，按照先整體后局部的建模方式進行建模。先根據輪廓拉伸創建整個盾構圓環，然后將圓環根據圖紙拆分成 7 個單元塊。通過圖紙立面視圖可以看出盾構環兩邊被斜切，均帶有坡度，在軟件中創建傾斜的兩個平面，再利用替換面功能將單元環變成帶楔形量的單元環。最后，再進行單元環細部構造處理，通過空心拉伸、放樣等操作創建螺栓孔、注漿孔及盾構塊邊界輪廓處理，最終創建好的盾構單元環如圖 7 所示。

圖7 單元環組裝模型

3.3.3 管片拼裝模型創建

將隧道中心線及單元環模型都創建好后，就可以利用開發出盾構管片自動排布建模插件對區間盾構管片模型進行創建。首先將插件安裝到 MicroStation 軟件中，新建一個項目，將前面導出的 DGN 格式隧道中心線文件參考進來，再將其合并到主文件，刪除多余的點圖元只保留一個隧道中心線圖元。然后將創建好的盾構環單元文件載入到該項目中，在軟件中找到安裝好的插件并點擊打開，選擇盾構環單元文件，設置盾構環集合參數和旋轉角度，最后點擊選擇盾構軸線進行拼裝，鼠標再次點擊隧道中心線軟件就自動進行創建盾構管片拼裝模型。由于是程序根據算法按照隧道中心線自動進行建模，大大提高了建模效率及準確率，創建完成的模型如圖 8 所示。

圖8 隧道管片拼裝模型

3.3.4 模型處理

由于每段盾構區間的長度均不一樣，區間長度由設計起始里程和終點里程決定，并不能保證都是一環盾構寬度的整數倍，這樣就會導致實際拼裝到盾構接收井處最后一環管片有可能會超出設計的終點里程。施工現場會將最后一環多余的部分進行切除，為了滿足模型與實際一致，模型創建完成后還需對最后一環管片進行剪切處理，可以通過 MicroStation 軟件的按曲線剪切實體工具將多余部分進行剪切。

3.4 模型應用

3.4.1 與三維地質模型合模

該工程區間地質條件復雜，盾構需要穿越多種不同的地質層，創建完區間盾構管片模型后，再根據區間詳勘資料創建區間三維地質模型，將區間地質模型與盾構管片拼裝模型進行合模，可基于模型進行任意位置剖切，能直觀展示出盾構在掘進過程中所穿越的地質層，提前進行風險預判，基于模型對穿越的風險地質區域進行分析，從而采取降低風險的措施，減少風險事故的發生。盾構管片模型與地質模型合模如圖 9 所示。

圖9 區間管片模型與地質模型結合

3.4.2 平臺應用

模型創建完成后導出 IFC 格式文件上傳至施工管理平臺并開展相關應用。通過三維模型數據及施工信息的錄入，可快速計算出施工的工程量及材料的使用量。在平臺上基于模型進行派工，模型與計劃關聯，可通過模型直觀了解到現場施工情況，哪些正在施工，實際施工情況與計劃是否存在偏移，提示管理人員指導糾偏措施。基于模型進行施工質量管理，現場技術人員在進行安全質量巡檢過程中對疑似有安全質量問題的地方通過手機端進行問題填報，問題最終會顯示在平臺上模型的具體位置，方便管理人員進行安全質量控制管理。現場已施工完的模型會在平臺上顯示完工標識，用特殊顏色顯示，最終可通過平臺上的模型直觀展示項目整體完成情況。

4 結語

BIM 技術是一項新興的數字技術，將信息化與建筑行業進行有機結合，正在引領建筑行業的一次史無前例的變革。本文以廣州市軌道交通十八號線南村萬博至沙溪站區間為例，采用 BIM 技術對盾構預制管片進行模型建立，闡述了運用 Dynamo 參數化設計軟件結合Bentley 軟件二次開發的管片自動拼裝插件，創建出真實尺寸樣式的管片模型，通過設置相關參數就能按照隧道中心線迅速創建出區間管片拼裝模型。運用插件獨特的算法解決了管片錯縫拼裝的問題，能按照技術要求的點位進行拼裝，從而加快管片拼接速度，提高了管片拼接的準確性。盾構管片模型與區間地質模型有機結合及在施工管理平臺上的應用，打破常規只對建模技術研究，在此基礎上拓展了新的應用價值點，使其在實際施工中給項目管理帶來有力幫助，為廣州市軌道交通十八號線的成功建設發揮了積極的推動作用。Q