基于OpenBuildings Designe r的參數化建模在水工隧洞設計中的應用研究

趙雙益，歐陽君，田 濤

（湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概 述

OpenBuildings Designer（以下簡稱OBD）是Bentley軟件公司旗下的一款功能全面的BIM建模設計軟件,廣泛應用于水利水電、建筑、礦冶、道路和橋梁等基礎設施行業。BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)是以三維數字技術為基礎并集成建設工程及設施相關特征信息的工程數字模型，可以通過數字化的形式完整地表達工程項目的相關特征信息。BIM技術應用于水利水電工程中，各專業協同設計，從建模、技施出圖到成果展示都有很大的優勢，既可以直觀地展示工程整體三維效果，也可以利用模型計算工程量以及技施出圖，但是目前在水利水電工程設計中推廣BIM技術仍然有許多困難，其中重要的原因是大部分BIM軟件中水工模塊較少，很多水工結構構件沒有現成的模板可用，每個項目都需要根據不同的結構尺寸特征重新建模，構件可重復利用率很低。如果能對水利工程結構構件進行參數化設計并創建水工建筑物參數化元件庫，在不同的工程建模過程中只需修改元件的參數就可以快速生成設計模型，建模和設計效率將有所提高。

OBD內置基本的三維建模模塊及建筑、結構、機電等專業模塊。用OBD創建模型后，可將模型導入Navigator軟件中進行碰撞檢查，也可將模型導入LumenRt中進行渲染，制作漫游動畫。同時OBD具有強大的參數化建模功能，以距離、角度、函數表達式來定義變量，以平行、垂直、重合、固定、同心、相切等二維和三維約束來確定各元素的相對位置關系，利用點、線、曲面、實體的方式來構造參數化模型。OBD中將組成建筑的各個部分稱為單元，軟件中單元可分為單元、復合單元、DGN單元、參數化單元四類。參數化的定義是，通過修改參數的方式來改變對象的形體大小。參數化單元是指由OBD創建的參數化對象，其幾何形體可以在軟件中用參數驅動的單元。前三類單元不能通過修改參數的方式來改變單元形體的大小。創建參數化單元和創建普通單元的方法類似，在參數化模型建立后，用創建普通單元的命令勾選參數化選項建立參數化單元，這樣就可以用參數來驅動模型。自定義對象是OBD特有的功能，把模型的參數化變量鏈接到OBD數據集工具自定義編輯器中，做成參數化的自定義對象，這樣就可以把已經建立的模型導入其他類似的工程項目中，只需通過修改屬性命令，就可以直接修改模型的參數，從而調整模型的尺寸大小，滿足同類工程的建模和設計需要，避免重復勞動，提高設計工作效率。OBD參數化建模的流程如圖1。

圖1 OBD參數化建模流程

犬木塘水庫工程是一個以灌溉為主，結合城鄉供水，兼顧灌區水生態環境改善以及航運、發電等綜合利用效益的二等大（II）型水利工程，建設內容包括樞紐、灌區兩大部分。九龍嶺隧洞全長19.26 km，設計流量29 m3/s，洞身采用城門洞型式，為無壓隧洞。隧洞穿越泥盆系及石炭系地層，沿線地質情況復雜；采用鉆爆法開挖施工，工期為60個月，是犬木塘水庫工程施工的控制性工程。本文以九龍嶺隧洞工程為例，采用OpenBuildings Designer軟件對A2型斷面隧洞洞身進行參數化建模，并分析模型在工程中的應用。

2 三維參數化建模

隧洞在設計過程中都需要根據本段地質情況及自身過流要求，調整洞身尺寸及支護方式，重復性工作較多，為實現快速建模及修改，對洞身進行三維參數化設計是十分必要的。OBD軟件參數化工具主要在約束工具欄中，其中[fx變量]命令用來定義變量，[按元素]、[距離]、[角度]等命令用來給對象賦予已經定義的變量，二維約束和三維約束用來確定對象的相對位置關系。約束工具欄如圖2所示。

圖2 約束工具欄

OBD軟件創建參數化模型具體方法和步驟如下:

1）建立局部變量。首先對隧洞進行分析，選取合適的控制參數。隧洞洞身的參數包括底板寬度、側墻高度、拱頂角度、初襯厚度、超前注漿小導管長度及外插角、小導管間距、排水孔角度及長度等變量，以及半徑、拱頂高度等因變量，如圖3所示。

圖3 建立局部變量

2）繪制點、線、面、體等各種對象，通過約束的形式把變量賦予給各對象，以平行、垂直、重合、固定、同心、相切等二維和三維約束來確定各對象的相對位置關系，如圖4所示。建立參數化動態標準截面和相關構件（工字鋼、超前注漿小導管、鎖腳錨桿、排水孔等），這些構件本身也是參數化的，同時這些構件都能隨著隧洞截面的變化而自動變化，如圖5所示。每個對象都有其自由度，不能缺少約束，也不能過度約束，缺少約束，對象的位置和形體大小不能確定；過度約束，軟件會報錯或運算時出錯。

圖4 給對象賦予變量和約束

圖5 參數化動態標準截面及構件

第一個難點在于如何約束拱圈的圓弧，起點、圓心和終點可以確定一段圓弧，但是圓弧有內外兩個方向，如果不能確定圓弧的方向，圓弧的位置是可以變化的，如圖6所示。這時可以采用創建輔助點的方式，在圓弧的某個方向上定一個點，先約束這個點，再把圓弧與點進行二維約束，這樣就可以確定圓弧的方向。

圖6 拱頂圓弧具有兩個方向

第二個難點在于如何創建參數化的沿徑向外插的超前注漿小導管。需要先創建一條垂直于截面的輔助線，約束這條線，在相對坐標系里創建一根沿徑向外插的小導管，約束小導管與輔助線的角度，再陣列這根小導管。需要注意的是，不能使用普通陣列的方式，必須使用陣列參數化實體特征命令，這些構件才能隨著截面的變化而自動變化。

第三個難點在于如何實現工字鋼的形狀根據隧洞截面的變化而動態變化。解決方法是在隧洞截面上提取輪廓線，將輪廓線與隧洞截面約束，再以這條輪廓線為路徑進行參數化放樣，這樣當隧洞截面參數變化時，工字鋼也能根據隧洞截面的變化而動態變化。

3）在參數化動態標準截面和構件的基礎上，通過放樣、拉伸實體、陣列等命令建立參數化的隧洞實體模型，九龍嶺隧洞A2型斷面隧洞洞身模型如圖7所示。A2型斷面底板寬5 000 mm，側墻高3 700 mm，拱頂角度120°，超前注漿小導管外插角為5°。

圖7 參數化隧洞實體模型

4）把參數化的隧洞實體模型做成參數化單元，不同尺寸和支護方式的設計截面可以直接調用該參數化單元，只需在調用的時候修改相應的參數即可。九龍嶺隧洞其他設計斷面都可以通過修改該單元參數獲得，同時該參數化單元也可以應用于其他工程項目中。例如某工程中隧洞底寬為8 000 mm，超前注漿小導管外插角為15°，模型在曲線段（曲線也是參數化的，模型可以根據不同的曲線參數自動變化），如圖8所示。

圖8 曲線段的參數化隧洞實體模型

5）參數化自定義對象。把該模型的參數化變量鏈接到OBD數據集工具自定義編輯器中，做成參數化的自定義對象。在類似的工程項目中，只需通過修改屬性命令，就可以直接修改自定義參數，從而滿足不同工程項目的設計需要。采用三維參數化建立的隧洞模型，具有較高的應用價值，模型可以重復利用于其他類似工程。

3 工程量統計、出圖和結構計算

1）統計工程量。參數化模型建立之后，給模型不同的結構部分賦予相應的應用樣式，如：C25鋼筋混凝土初襯、C15掛網噴護混凝土、I16工字鋼拱架等，然后使用OBD軟件自帶的工程量統計工具統計工程量，導出詳細或簡易的數據報表。

2）出圖。制定統一的企業級出圖規則，如文字樣式、標注樣式、線型、剖面填充圖案等圖面元素樣式。OBD軟件采用DV（Dynamic Views）動態切圖技術，可以實現圖紙與模型的動態關聯，方便地獲得剖面線型線寬和圖案填充，同時得到構件信息，然后進行尺寸標注及圖紙說明完成最終的設計圖紙。

3）結構計算。水利工程BIM/CAE智能化集成平臺計算軟件，是對OBD軟件進行二次開發，打通了建模到計算的整個過程。在OBD中運行模型檢查，將模型輸出到ANSYS結構計算軟件中，再在ANSYS中進行相應的模型處理，完成結構計算。

4 結 語

采用OBD軟件對隧洞洞身進行參數化建模，然后把參數化的隧洞模型做成參數化單元和自定義對象，可以有效減少模型修改的工作量，提高建模效率，并且模型可以重復利用于不同的工程項目中，減少設計人員的重復性工作。OBD軟件具有批量打印、渲染、動畫、施工模擬、統計工程量、出圖等功能，同時對OBD軟件進行二次開發，在ANSYS中完成模型的計算，這樣可以提高設計效率和準確率，更好地服務于工程設計方案的成果匯報、建設期施工及后期運營管理。