基于ORD的水工隧洞BIM正向設計系統研究

吳 含，趙 路，劉建秀

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 概 述

水電工程是涉及專業廣、質量要求高、工作難度大的系統工程，通過BIM技術開展三維協同設計工作，一方面，可以使設計工作更加全面細致，減少施工階段的工程變更；另一方面，能夠為工程建設階段和運行階段的數字化管理奠定基礎［1-3］。

隨著我國水電資源開發重心逐漸向高山峽谷地區轉移，深埋長隧洞輸水發電工程建設呈增長趨勢，水工隧洞設計會對電站造價及運行條件產生較大影響［4］，逐漸成為影響工程安全性與穩定性的關鍵因素之一。通過開展水工隧洞BIM設計工作可以提高設計質量與效率，有助于優化設計方案［5］。目前，水電工程BIM設計的主流平臺多以國外商業化軟件為主，如以Autodesk Revit軟件為主的Autodesk平臺、以MicroStation軟件為主的Bentley平臺、以3DE軟件為主的Dassault平臺等。這些平臺主要定位于通用土木平臺，適用面廣、功能強大，在交通行業隧道BIM設計中具有一定優勢。然而，水工隧洞與交通隧道在斷面類型、洞線類型和開挖支護方式等方面存在較大差異，使用通用性平臺進行水工隧洞建模時存在標準不匹配、操作流程復雜、專業需求無法滿足等諸多缺點。針對該現狀，國內外相關軟件公司和設計院開展了一系列研究工作，如藺志剛等［6］基于CATIA平臺建立參數化模板，通過輸入設計參數可快速創建水工隧洞模型，同時根據地質條件變化可快速調整模型，實現了水工隧洞三維設計，但CATIA平臺存在標準化程度較低、復用性不強等問題。王海龍［7］利用Revit軟件提出水工排洪洞的BIM建模流程，并利用ABAQUS軟件進行有限元結構計算，實現了建模和計算的一體化，但對于異型復雜模型，在導入ABAQUS軟件后存在結構尺寸偏差問題，影響結構計算分析。徐超等［8］針對水工隧洞BIM建模過程中的模型幾何精度不足、主支洞交叉口復雜等問題，梳理Revit二次開發內化建模流程，實現了自動參數化水工隧洞建模，但對于水工隧洞空間彎建模問題未進行系統研究。

綜上，水電工程領域目前尚無較完善的水工隧洞BIM設計系統。筆者基于Bentley ORD軟件，利用其強大的洞線設計功能，結合水工隧洞特點開展參數化設計系統的研發工作，形成一套滿足水工隧洞設計要求的BIM正向設計系統，以期實現水工隧洞快速BIM建模和方案調整，減少設計“錯漏”問題，提高設計綜合效率。

2 水工隧洞BIM正向設計流程

為建立水工隧洞BIM正向設計系統，對該系統的設計流程梳理如下：①將原始地形地質模型和其他專業樞紐建筑物模型導入系統，將其作為隧洞建模的基礎資料。②在平面視圖下開展隧洞平面洞線設計。③沿平面洞線對地形地質和建筑物模型進行剖切和展開，生成縱斷面視圖。④在縱斷面視圖下進行縱斷面洞線設計，再與平面洞線進行擬合，形成水工隧洞的三維空間洞線。⑤洞線初步設計完成后對地形條件、地質條件、水力特性、樞紐總體布置、技術經濟性等布置條件進行分析。⑥若布置條件可行，則按照地質模型劃分圍巖類別，再按照圍巖類別進行典型斷面設計；若布置條件不可行，則對平面和縱斷面洞線進行不斷調整與優化，直至布置條件滿足要求。⑦確定各洞段斷面設計參數后，創建隧洞三維模型，通過附加模型屬性信息，最終導出水工隧洞BIM模型成果，該成果可用于三維出圖、工程量統計和工程數字化應用。

3 系統架構

3.1 ORD軟件適用性分析

ORD是Bentley產品體系中一款服務于交通行業的線性工程設計軟件，適用于道路、隧道等三維設計，可引入全新的綜合建模環境，集成點云、三維實景網格、地形數據、圖像和地理信息等背景數據，不僅支持路線平面、縱斷面參數化設計，還能夠定制豐富的橫斷面模板庫，有助于交通隧道BIM設計工作的快速完成。對于BIM正向設計系統，水工隧洞的正向設計流程與交通隧道基本相似，但由于兩者功能具有本質區別，BIM設計細節會存在諸多不同，因此無法直接使用ORD軟件進行水工隧洞BIM建模工作，存在的主要適用性問題如下：

（1）洞線設計。與交通隧道洞線設計相比，水工隧洞洞線設計無須考慮行車因素，可在空間斜平面上設計圓弧轉彎即空間彎，進而形成空間彎洞線，空間彎洞線在平面上的投影曲線為投影橢圓弧，在縱斷面展開視圖中則為復雜曲線（見圖1）。然而，ORD洞線設計模塊按照平面洞線設計—縱斷面洞線設計—空間洞線擬合流程進行，無法直接創建空間彎洞線。

圖1 隧洞空間彎洞線示意

（2）橫斷面設計。通常情況下交通隧道橫斷面始終與水平面保持垂直，而水工隧洞橫斷面通常與洞線保持垂直。采用圓形橫斷面沿直線創建隧洞模型，橫斷面分別與水平面和洞線垂直時的隧洞模型對比見圖2，可以看出，當橫斷面與水平面垂直（與軸線呈一定夾角）時，隧洞模型中過水斷面被壓縮；當橫斷面與洞線垂直時，隧洞模型符合隧洞設計要求。因此，直接采用ORD橫斷面設計模塊進行水工隧洞設計時，模型成果將與實際情況不符。

圖2 橫斷面與水平面／洞線垂直的隧洞模型對比

（3）模型生成。由于交通隧道洞線設計屬于長距離線性工程，單條洞線設計長度范圍為數十千米到數百千米，模型數據量大，對軟硬件性能要求較高，因此在ORD軟件中使用網格表達隧道實體模型。而水工隧洞單條洞線長度通常在1 km以內，其模型體量比交通隧道小，對軟硬件性能要求不高，因此使用Parasolid內核進行模型表達。網格實體模型與Parasolid實體模型對比見圖3，Parasolid實體模型能夠準確定位實體邊界并提供豐富的實體操作功能［9-10］，可以保證建模精度和后期模型應用；而網格實體模型雖然可以提高軟硬件性能，但是幾何精度有所降低［11］且無法保留基本線形元素特征（圓弧、直線等），不利于后期對模型進行剖切、布爾運算等操作。

圖3 網格實體模型與Parasolid實體模型對比

（4）樁號計算。ORD軟件中的樁號按照洞線水平投影長度計算，能夠滿足交通隧道設計要求。而水工隧洞特別是輸水發電隧洞中存在豎井和斜井，樁號一般按照洞線真實長度進行計算，ORD軟件無法支持這種計算模式。

3.2 模型設計功能框架

根據上述ORD軟件特性并結合水工隧洞BIM設計要求，采用C＋＋／CLI混合編程方式對水工隧洞BIM模型設計功能進行專業定制化開發，開發框架如圖4所示。

圖4 水工隧洞BIM模型設計功能開發框架

（1）洞線設計模塊。ORD軟件提供了一套強大的洞線設計系統，能夠滿足水工隧洞對于直線、圓弧、拋物線等多種線形的設計要求［12］，因此平面、縱斷面洞線設計模塊主要利用ORD軟件的原生功能，在此基礎上增加空間彎設計功能以滿足實際要求，同時增加樁號計算模塊以支持按照洞線水平投影長度和洞線真實長度的2種計算模式。

（2）橫斷面設計模塊。對該模塊進行獨立開發，根據圍巖類別進行典型斷面襯砌、灌漿和開挖支護等設計，后續根據圍巖類別劃分的隧洞樁號段配置斷面參數。

（3）模型創建模塊。空間洞線擬合功能仍采用ORD軟件的原生功能，使用Parasolid內核重新開發隧洞參數化建模功能。

4 關鍵技術

4.1 空間彎洞線設計流程

空間彎洞線本質上是由2條相交空間直線倒圓角產生的，空間彎洞線與2條直線相切且位于2條直線組成的斜平面上，若要確定空間彎洞線的曲線方程，則需確定直線方程以及空間彎半徑。

雖然空間彎洞線在平面上投影為規則橢圓弧，但按照水工隧洞BIM正向設計流程，在進行平面洞線設計時尚未進行縱斷面洞線設計，缺少直線在空間中的高程參數，僅可得出空間彎兩端直線的平面投影方程，無法得出直線的空間方程，從而無法確定空間彎洞線的曲線方程和投影橢圓弧方程，因此在平面洞線設計時無法進行投影橢圓弧的設計。而縱斷面洞線以平面洞線為基礎，沿平面洞線進行剖切展開，當投影橢圓弧的曲線方程無法確定時，縱斷面洞線展開也無法實現。

為解決上述問題，需要結合ORD洞線設計模塊的特性，按照水工隧洞BIM正向設計流程進行空間彎洞線設計，設計流程如圖5所示。首先，在進行平面洞線設計時，先以折角方式處理可能會設置空間彎的部位，見圖5（a）；之后，沿折角對平面洞線進行剖切展開形成縱斷面視圖，在該視圖中進行縱斷面洞線設計，在平面洞線折角處，同樣以折角連接，見圖5（b）；此時，可以確定折角兩邊的直線方程，輸入空間彎半徑后即可計算確定空間彎洞線在平面的投影橢圓弧曲線方程和在縱斷面上的展開曲線方程，根據以上確定的方程進行縱斷面洞線重繪，見圖5（c）；最后，基于平面、縱斷面曲線擬合形成空間彎洞線，見圖5（d）。

圖5 空間彎洞線設計

4.2 空間彎洞線設計算法

對空間彎位置的平面洞線和縱斷面洞線以折角方式處理后，可確定sp、pt直線方程以及交點p空間坐標（xp，yp，zp）。空間彎洞線斜平面示意見圖6（以點q為圓心）。

圖6 空間彎洞線斜平面示意

（1）計算空間彎洞線端點m、n的坐標。根據sp、pt直線方程可計算2條直線的單位向量和兩向量夾角α：

式中：s p和pt分別為直線sp和直線pt的單位向量，s p=（xs，ys，zs）、pt=（xt，yt，zt）。

線段mp和np的長度計算公式為

式中：Lmp和Lnp分別為線段mp和np的長度；R為空間彎半徑。

利用向量法可計算點m空間坐標（xm，ym，zm）：

同理，可計算點n空間坐標（xn，yn，zn）。

根據點p空間坐標（xp，yp，zp）和單位向量s p=（xs，ys，zs），可計算單位向量pm：

（2）計算空間彎洞線在平面投影的橢圓弧曲線。首先計算單位向量s p和pt的法向量H：

根據法向量H計算線段mq的單位向量r：

由此，可以計算圓心q的空間坐標（xq，yq，zq）：

根據點m、點n和點q的坐標可以得出平面投影橢圓弧上點m′坐標（xm，ym，0）、點n′坐標（xn，yn，0）和點q′坐標（xq，yq，0）。

根據點m′和點n′可計算得出投影橢圓弧方程：

式中：a、b分別為投影橢圓弧方程的長半軸和短半軸。

（3）計算空間彎洞線在縱斷面展開曲線。空間彎洞線在縱斷面展開曲線為復雜曲線，難以用曲線方程進行表達，因此采用B樣條曲線對縱斷面展開曲線進行擬合（見圖7），將空間彎洞線進行N等分，等分點坐標ci=（xi，yi，zi）（i=1，2，…，N-1），計算出線段mq與ci q的夾角β：

圖7 空間彎洞線等分點示意

式中：N為等分數；i為等分點序號。

根據單位向量s p和點m坐標可計算等分點ci所在半徑延長線ci c與直線sp交點c的坐標（xc，yc，zc）：

5 系統實現

5.1 地形導入

利用地質測繪專業軟件對地形測繪數據和地質鉆孔數據進行分析處理，生成地形測繪模型和地質風化層、斷層模型，模型導入效果如圖8所示。系統可支持tin、las、dat、dtm、dim、dem等多種數據格式，地形文件可支持三角網、點云、等高線等多種顯示模式。

圖8 地形地質模型導入效果

5.2 洞線設計

洞線設計包括平面洞線設計和縱斷面洞線設計，平面洞線在平面視圖下進行（見圖9（a）），綜合考慮地形、樞紐布置等因素，對于空間彎部位以折角替代。縱斷面洞線在縱斷面洞線展開視圖下進行（見圖9（b）），在完成縱斷面洞線設計后，輸入空間彎半徑更新相應的平面、縱斷面空間彎洞線。

圖9 水工隧洞洞線設計示意

平面洞線和縱斷面洞線設計完成后可自動擬合生成空間洞線（見圖10），系統支持參數化洞線設計，即可以通過調整洞線參數修改平面洞線、縱斷面洞線，同時支持平面洞線、縱斷面洞線和空間洞線同步更新。

圖10 水工隧洞空間洞線擬合

5.3 橫斷面設計

橫斷面設計模塊按照圍巖類別進行典型斷面設計，設計模塊界面見圖11。根據圍巖類別設置不同的斷面編碼，可在界面右側查詢橫斷面設計相關參數。

圖11 橫斷面設計模塊界面

橫斷面設計功能可支持矩形、圓形、馬蹄形和城門洞形4種斷面形式，設計內容涵蓋斷面幾何尺寸、結構襯砌、固結灌漿、結構縫和開挖支護等，參數設置界面見圖12。

圖12 橫斷面參數設置界面

5.4 參數化建模

利用隧洞洞線和橫斷面參數自動創建水工隧洞三維模型，將相應設計屬性附加在模型中，最終生成水工隧洞BIM設計模型，模型成果見圖13。

圖13 水工隧洞BIM模型成果

6 結 論

（1）通過對BIM技術在水工隧洞設計中的應用現狀進行分析，結合傳統水工隧洞設計思路建立水工隧洞BIM正向設計流程，基于Bentley ORD軟件研發水工隧洞BIM正向設計系統，實現了水工隧洞洞線設計、橫斷面設計以及參數化建模。

（2）為解決水工隧洞空間彎設計與平面、縱斷面洞線設計流程之間的矛盾，通過算法實現空間彎洞線設計，滿足隧洞正向設計流程且符合設計習慣。洞線的修改與更新均由軟件后臺自動實現，操作簡單，不影響設計效率。

（3）采用Parasolid內核進行隧洞參數化建模，相比ORD網格模型具有更高的幾何精度和可操作性，方便后續模型應用。