基于Civil 3D的鐵路隧道棄渣場三維設計軟件研究

賈興斌

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

隧道工程棄渣場設計是施工組織設計中重要內容之一。因隧道工程挖方棄土方量巨大，棄渣場數量多，制約邊界復雜，且國家相關部門對棄渣場的安全防護、環境保護、水土保持等設計和施工要求越來越高、越來越嚴格，這決定了棄渣場設計該項工作也愈加重要[1-3]。

在我國鐵路建設快速發展的背景下，中鐵一院承擔了多條長大干線鐵路設計任務，隧道設計任務量隨之加大，棄渣場設計工作也在成倍增加。

根據文獻檢索，目前在鐵路設計行業內有利用Civil 3D進行棄渣場設計工作的項目，但尚未見研發出棄渣場輔助設計軟件系統。對于棄渣場設計還基本處在數據處理依靠人工、繪圖工作僅限于利用AutoCAD基本命令出圖層面上，棄渣量計算還一直沿用人工繪制斷面的方法。在工程約束條件多、地形條件復雜的工程項目上，特殊情況下甚至還采用工程類比經驗估算。這種作業模式一直困擾著設計人員，對于提高工作效率和設計質量非常不利。

1 系統設計構思

鐵路隧道棄渣場三維設計系統基于AutoCAD Civil 3D，通過識別已有的二維等高線平面地形圖，生成三維地形曲面模型，在此基礎上完成棄渣場橫斷面設計、縱斷面設計。然后，建立棄渣場模型和棄渣場曲面，使用曲面體積法計算容渣量。如棄渣量不能滿足要求，可反復快速迭代直至符合要求，最后實現快速計算土石方量和工程量，生成施工圖[4]。

系統處理總體流程如圖1所示，其中，最為核心部分是棄渣場設計、容渣量計算和擋渣壩設計。

圖1 系統處理流程

2 系統關鍵技術研究與實現

系統采用AutoCAD Civil 3D 2018 與 Visual Studio 2015組合的開發平臺與環境，主要功能包括項目工點管理、棄渣場設計、擋渣壩和擋墻設計、排水溝設計、擋墻穩定性檢算等[5-8]，系統功能如圖2所示。

圖2 系統功能

2.1 棄渣場設計

棄渣場設計包括建立數字地形模型及棄渣場縱斷面設計。

建立數字地形模型(DTM，Digital Terrain Model)，是棄渣場設計的基礎條件之一。首先，對棄渣場二維平面地形圖進行初步處理，保留主等高線、次等高線及離散高程點，刪除圖形上其他圖形元素，作為棄渣場的圖形范圍圖塊插入本地模板中；然后，利用AutoCAD Civil 3D曲面生成功能創建棄渣場地形曲面對象[9]。

棄渣場縱斷面包括曲面縱斷面和設計縱斷面。曲面縱斷面是從棄渣場地形曲面提取沿溝底的地面線生成。溝底地面線即棄渣場范圍沿溝底繪制的多段線，為地面線提取的參照線，根據等高線的高低由低向高繪制。繪制溝底線時相鄰切線夾角盡可能大些，即越直越好。選擇棄渣場原地形曲面，設定“繪制方向、縱向擴大比例”等參數，在圖形上選擇插入點生成既有縱斷面圖。

棄渣場設計縱斷面創建有2種方法，一種是縱斷面拉坡設計；另一種是文件縱斷面設計。縱斷面拉坡設計中，用戶根據命令行提示，交互式輸入變坡點坐標或拾取平面點坐標來繪制布局縱斷面。文件縱斷面設計中，要預先確定設計縱斷面各個變坡點的中樁里程及高程，按照要求的格式寫入文本文件中，由程序讀取該文件信息后自動繪制縱斷面圖。既有縱斷面如圖3中下側線段，設計縱斷面如圖3中上側線段。

圖3 棄渣場縱斷面(單位：m)

2.2 容渣量計算

2.2.1 曲面法計算容渣量

曲面法計算體積(容渣量)，即求設計面在原地面基礎上的填方量和挖方量，如兩個曲面的邊界不是正好相交，曲面體積計算的是垂直投影重合部分的體積，計算范圍是指兩者垂直投影重合部分，如圖4、圖5所示。

圖4 體積計算范圍平面示意

圖5 體積計算范圍立面(剖面)示意

在AutoCAD Civil 3D環境中用命令創建棄渣場裝配，并在“指向曲面連接坡度”部件屬性框中指定相應的參數；然后，創建棄渣場模型，在渣場模型“創建道路”中指定“路線、設計縱斷面、裝配、目標曲面”等參數，并可根據路線、地形情況調整“裝配插入步長”。生成的道路曲面如圖6所示[10]。

圖6 棄渣場曲面

基于圖6中道路模型曲面，選擇基準地形曲面，采用曲面法即通過2個曲面比較計算曲面體積(容渣量)，結果如圖7所示。如容渣量大于棄渣量且在一定范圍，則表示設計棄渣場滿足容渣量要求；如容渣量小于棄渣量或比棄渣量大的多，則表示棄渣場不滿足容渣量要求。

圖7 容渣量計算結果

如棄渣場不滿足容渣量要求，則需通過調整設計縱斷面高程，改變棄渣場頂曲面、體積曲面，然后重新生成“曲面-棄渣場模型、體積曲面-棄渣場”，再次計算曲面體積(容渣量)，反復迭代直至符合容渣量要求[11]。

2.2.2 橫斷面法計算容渣量

利用橫斷面法計算容渣量，可單獨計算一個段落的容渣量或計算全棄渣場的總容渣量。其中，沿路線設置的橫斷面越多，計算精度越高。單獨一個橫斷面如圖8所示。圖8中，Hs為設計高度，Hd為地面高度，H為兩者差值，0+70.00為該斷面中樁里程。

圖8 橫斷面示意

橫斷面法計算容渣量，調用“橫斷面相關對象”選擇對話框，選擇與橫斷面采樣線相關的棄渣場路線、設計縱斷面、道路模型及道路曲面；然后，在“創建采樣線編組”對話框中選擇或輸入“采樣線樣式、采樣線標簽樣式、左偏移、右偏移、采樣的數據源”等參數值后，在平面圖上創建采樣線；最后，基于創建的采樣線編組和棄渣場路線，在材質列表中對話框選擇體積計算方法(推薦“棱(柱)體”)計算容渣量[12]。容渣量體積計算結果如表1所示。

表1 容渣量體積計算結果

如橫斷面出圖時，選擇“路線對象”并設置橫斷面繪制間隔值，在繪圖區域選取插入點，橫斷面圖將順次插入到繪圖區域中，如圖9所示。

圖9 棄渣場橫斷面示意

橫斷面法有利于圖紙的表達，可計算出材料體積即容渣量，缺點是計算精確度相對略低，地形越復雜計算精確度越低。

2.3 擋渣壩和擋墻設計

2.3.1 創建自定義組件

對于AutoCAD Civil 3D不能直接提供的特殊結構部件，如擋渣壩、擋墻、水溝、垂裙，利用AutoCAD Civil 3D部件編輯器“Subassembly Composer”(通常簡稱為SAC)來創建自定義部件，并給“點”“連接”及“造型”設置代碼[13]。以下是擋渣壩部件創建過程，擋墻等部件與此類似。

如圖11所示，由中間下側Condition的值決定擋渣壩是平底還是斜底。擋渣壩的主要連接代碼如下。①Top：指定給完工坡面上所有已鋪裝或未鋪裝的連接，可用于生成整個完工坡面的曲面模型。②Pave：指定給完工坡面上所有已鋪裝連接的第二個代碼，可用于以特定顏色和紋理渲染完工坡面曲面的已鋪裝部分。③Base：鋪裝橫斷面基層曲面上的所有連接，可用于定義粒狀基礎材質區域的底部，以進行材質體積分析。④Subbase：指定給底基層底部和側邊上的所有連接[14-15]。擋渣壩輸入參數如表2所示，擋渣壩輸出參數如表3所示。

圖10 擋渣壩部件

表2 擋渣壩輸入參數

表3 擋渣壩輸出參數

將創建的擋渣壩部件導入AutoCAD Civil 3D作為“擋渣壩”公共部件，在創建擋渣壩裝配時調用。

2.3.2 擋渣壩和擋墻設計

在AutoCAD Civil 3D中選擇“擋渣壩/擋墻”部件，在其屬性框中指定相關參數，根據擋渣壩/擋墻高度變化，對應地修改壩體高度、壩基底寬度等參數，為不同壩高指定不同的裝配[16]。

分別創建擋渣壩/擋墻縱斷面地面線和設計線(壩頂線和墻頂線)，完成擋渣壩/擋墻縱斷面的創建?；谘b配和擋渣壩/擋墻縱斷面，最終在擋渣壩位置生成擋渣壩/擋墻曲面模型[17]。

選擇道路模型，指定曲面名稱，生成擋渣壩/擋墻曲面。指定采樣線的左右偏移值、采樣的數據源，以生成擋渣壩/擋墻采樣線。選擇采樣線編組，添加設置計算材質的“土方量標準”創建材質體積表。

根據擋渣壩/擋墻模型，從道路基線中獲取相關部件參數信息，繪制擋墻或擋渣壩平面、立面、斷面示意圖，結構尺寸表，其中，擋渣壩斷面示意如圖11所示。

圖11 擋渣壩斷面示意

2.4 擋墻穩定性檢算

擋墻計算項目包括：滑動穩定性驗算、傾覆穩定性驗算、地基土承載力驗算及墻身材料應力驗算[18]。一般情況下，傾覆穩定性較易滿足，主要由基底壓力(尤在墻高較大時)和滑動穩定性來控制設計，一般無需驗算墻身應力。

2.4.1 抗滑穩定性

一般地區滑動穩定性檢算基本公式為[19]

(1)

式中，G為墻重；Ex、Ey分別為主動土壓力的水平、垂直分力；μ為基底摩擦系數。

一般地區傾覆穩定性檢算基本公式為

(2)

式中，b′為墻重心至墻趾的水平距離；a為主動土壓力垂直分力至墻趾的水平距離；h′為主動土壓力水平分力至墻趾的垂直距離。

地基土承載力公式為

(3)

(4)

式中，Pmax、Pmin分別為基礎底面邊緣處最大、最小壓力；b為墻底寬；e為荷載作用于基礎面上偏心距。

(5)

2.4.2 擋墻自重計算

擋土墻自重計算等于每延米體積乘以重度，有“分割法、平面多邊形坐標法”2種計算方法[20]。

分割法是將一個多邊形分割成幾個簡單基本圖形(三角形、平行四邊形、矩形、梯形、圓形、橢圓形、扇形)，再計算出每個基本圖形的形心及面積；然后，計算出整體圖形的形心位置及面積。

平面多邊形坐標法是將有N個頂點的平面多邊形剖分成N-2個三角形，分別求出其重心和面積；然后，用加權平均法計算出多邊形重心坐標。

(1)多邊形面積公式

(6)

(2)重心坐標公式

(7)

(8)

平面多邊形應為一個封閉的非自交多邊形，分成的三角形序號按照逆時針方向排列。

2.4.3 計算結果分析處理

系統最終提供的擋墻穩定性計算如圖12所示，軟件按照給定的參數進行擋墻試算(表4)，若計算成功則生成計算表格(表5)；若計算失敗則給出失敗原因，然后修改有關參數后再次重新計算。

圖12 擋墻檢算

表4 擋墻計算說明

表5 擋墻計算表格

3 軟件應用情況

在蘭州至合作鐵路初步設計項目中，選取具有帶狀地形的考勒隧道、曲奧隧道和黃家嶺隧道3座隧道棄渣場作為典型工點，使用本軟件進行棄渣場設計及工程數量計算。實際應用表明，軟件計算棄渣場容渣量、擋渣壩/擋墻材質及水溝材質數量準確，軟件方式與手工方式比較，在初次設計中提高效率約3倍(二者在資料和數據準備階段基本無差異，軟件在計算和成圖階段提高了效率和質量)，在方案迭代優化中，效率提高5～10倍。驗證了采用本軟件可顯著提高棄渣場設計的效率和設計質量。

4 結語

針對鐵路隧道工程棄渣場設計既有工作模式存在的不足，在研究棄渣場設計工程和計算理論的基礎上，采用BIM技術，基于AutoCAD Civil 3D進行二次開發，研發了“鐵路隧道棄渣場三維輔助設計軟件”，為提高棄渣場設計效率和質量提供了一種方法和設計軟件，結論如下。

(1)根據原始平面地形圖，通過對二維地形圖的識別處理，建立三維數字地形模型，實現棄渣場三維設計。

(2)采用BIM技術，自定義擋渣壩等基本部件模型，采用Civil 3D裝配方式進行擋渣壩BIM模型設計。基本部件參數化，滿足同類型不同尺寸的建模設計需求，響應了設計快速變化的業務需求。

(3)使用曲面法計算容渣量，實現了對設計方案即精確又快速的迭代優化；使用斷面法不僅有利于圖紙表達，還可以計算出材料體積，綜合提高了設計效率。

該軟件對地形要求較高，下一步將重點研究軟件對復雜地形的處理，對其進一步優化、提高設計效率。