基于可視化編程的盾構隧道參數化建模與數值分析

周廣騰，嚴搖鈴，李剛，朱斌

（1.安徽省交通工程質量安全管理服務中心，安徽 合肥 230051；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

盾構法是一種廣泛應用于城市軌道交通領域暗挖隧道施工的全機械化施工方法，該方法具有施工安全性高、環境影響小等優點。采用盾構法施工的隧道，一般采用預制裝配式襯砌。該襯砌由工廠預制，在盾構尾部拼裝。在襯砌結構設計方面，不同設計條件下的荷載模型和結構模型的選取尚無明確統一的規定，需要由設計者結合工程經驗和項目實際情況綜合分析，通常需要借助有限元方法進行數值模擬研究。若采用傳統有限元分析軟件自帶的前處理工具進行幾何建模，因隧道線路平縱曲線的存在，建模難度較大，對使用者技術水平要求較高。采用可視化編程工具Dynamo，則可以以腳本的形式，通過組織連接預先設計好的功能節點來表達數據處理的邏輯，從而創建出一個可執行的程序。借助可執行程序快速便捷地完成復雜幾何構造、參數化造型設計等工作。本文借助Dynamo 軟件編寫參數化建模程序，完成隧道幾何建模，然后導入ANSYS workbench 完成有限元數值分析，從而總結一套基于可視化編程的盾構隧道建模與數值分析方法。

1 可視化編程原理

對于一些復雜構件，傳統軟件完成精細化建模難度較大。為提高建模效率，往往需要根據工作需要，由相應的專業技術人員進行軟件二次開發，這對使用者技術水平和工程經驗提出了較高要求?？梢暬幊桃脖环Q為可視化程序設計，與傳統編程方法相比，可視化編程追求“所見即所得”，通過編程工作的可視化在一定程度上使編程工作對用戶更友好[1]。依托可視化編程工具提供的以腳本為基礎的編程方法，工程設計人員可以在可視化圖形化的界面上通過嵌入或鏈接相應的節點實現復雜幾何圖形的生成以及數據的處理，從而構建符合任務需要的流程和算法，實現對原始數據信息的高效自動處理與表達，高效完成建模工作。本文依托Dynamo 可視化編程插件實現關系定義和算法創建，進行數據處理，從而在三維空間中生成幾何圖形。

2 盾構隧道建模要點

盾構管片是盾構工法施工的重要裝配構件。盾構機中的“盾”是指保持開挖面穩定性的刀盤與壓力艙、支撐周圍土體的盾構鋼殼；盾構機中的“構”則是指構成隧道襯砌的管片以及壁后注漿體[2]。盾構管片承擔著抵抗水土壓力以及其他荷載的作用，是隧道的最內層屏障，同時也是盾構法隧道的永久襯砌結構。盾構管片的設計和施工質量對隧道結構整體的質量和安全有直接影響，并與隧道的防水性能及耐久性能強相關。盾構隧道建模的重要內容之一是對盾構隧道管片的建模。一般根據工程實際情況、規范要求及設計計算結果來確定盾構隧道管片的結構設計參數，其中，管環的外徑、厚度、管片環分塊數及轉彎環楔形量是結構建模主要參數。

在隧道設計中，管片的外徑尺寸主要需要結合隧道的線形、凈空斷面尺寸、盾構機的型號、地層影響等因素進行考慮。另外，施工過程中經常存在的擬合誤差、地層不均勻沉降等也是設計中需要考慮的因素；管環厚度設計需要考慮的因素主要有隧道結構覆土厚度、圍巖條件、隧道類型等；環寬設計需要在經濟成本、當前施工水平以及對隧道結構整體性的影響中取得平衡，一般來說，管片加寬可以減少隧道整體拼接縫，較好地提升隧道整體性與結構的縱向剛度，對結構抵抗變形的能力較為有利，但從生產角度來說，環寬過寬對管片的制作、運輸和拼裝不利，并且管環加寬會降低盾構機掘進時的靈活性；管片的分塊設計需要考慮管片生產、制作、儲存、運輸等過程，以及對隧道整體質量和隧道整體結構剛度等方面的影響。一般而言，減少的管片分塊越少對提高隧道整體穩定性越有利，但管片分塊個數過少會影響施工便利性，因此應結合項目實際需要綜合確定；當采用轉彎環與通用管環的襯砌類型時，需要考慮楔形量設計，管環楔形量主要依據路線曲率半徑、隧道截面尺寸、管片的寬度以及盾尾間隙尺寸等因素進行設計。上述因素均是盾構管片設計的重要構造參數，需要在參數化程序編寫時著重考慮，通過參數化操作這些關鍵變量來控制管片模型的創建[3]，達到快速建模的目的。

3 參數化建模方法

參數化建模是隨著計算機技術而興起的一種計算機輔助設計方法，目前已在工業設計等領域廣泛應用。采用參數化建模，可以根據應用場景和對象特性靈活調整設計，適用于盾構隧道等項目設計。采用參數化建模的方式進行隧道建模，設計者在對隧道線形調整后，模型會自動更新，程序能夠根據規則捕獲設計意圖，設計者也能更準確地定義模型在進行某些調整后應有的響應方式，從而能夠自動創建同一項目中不同的隧道區間，縮短設計周期。

從基本原理上來說，所謂的參數化建模就是把建模過程中所使用到的各種規則、意圖和所用方法等，根據使用者意圖和設計規則而改變的參數進行描述。具體到盾構隧道設計上，就是使用特定的、能反映盾構隧道相應技術特征的參數對隧道幾何體進行描述，并且將相應的隧道結構特征參數與盾構隧道幾何形體之間進行參數化、數字化的關聯約束，使各參數之間形成有機整體。通過各隧道建模參數間一一對應的約束關系，設計人員在類似項目間只需要改變某個或某些隧道結構特征參數的具體數值，相應的軟件程序就可以自動識別并使用已經進行參數化設計的尺寸特征對隧道幾何圖形進行驅動。參數化建模方法克服了傳統CAD 建模對幾何元素進行表述時采用的尺寸值一旦確定不能隨意更改的弊端。采用傳統方法進行隧道建模時，要修改模型必須要先刪除原幾何元素，之后再重新繪制或構建新的幾何元素，這使得設計人員不得不反復進行大量的刪除和重新繪制工作，制約了工作效率。相比而言，參數化設不僅提高了設計準確度，也提高了設計優化效率，同時提高了工程設計行業的信息化程度。目前主流的參數化建模方法有三種，即基于生成歷程的過程構造法、基于幾何推理的人工智能法、基于幾何約束的變量幾何法。本文主要采用基于幾何約束的變量幾何法建立參數化模型。

首先利用Revit 軟件創建管片族。選用“自適應公制常規模型”的族樣板，按管片一般構造示意圖繪制好用于輔助的模型線，利用參照線的弧線繪制出標準塊的內外弧。利用所參照的點圖元，繪制出內外弧線的端點以及中點。將上述點變成自適應點，并采用參照直線和弧線連接。需要注意自適應點的順序，后續管環的快速組合過程以及隧道的快速生成過程均與自適應點的順序有關。然后利用參照線繪制平面，并把前述自適應點所構成的平面垂直向下復制一倍管片厚度的距離。復制后的自適應點按一定順序進行命名。通過前述生成的平面創建出實體形狀，并給出制作好的自適應管片族所需的材質參數。生成的管片族見圖1。

圖1 管片族

圖2 盾構隧道建模程序

然后利用Dynamo 軟件進行可視化編程，將管環中每一個管片的點位確定好，從而實現管片的快速拼裝。可視化程序的主要思路為首先調用程序自動獲取線路信息，然后根據管片內徑與管片厚度生成圓，然后根據管環參數如管片個數、拼接角度等分割圓并在圓上生成點，生成并調整參數列表，根據列表指定自適應管片放置位置，最后調用之前制作的自適應管片族，結合參數列表生成盾構隧道模型。

執行盾構隧道建模程序，生成某隧道模型如圖3所示。

圖3 盾構隧道模型

4 基于BIM模型的有限元分析

對盾構隧道模型進行數值分析，能夠得到不同地質環境中盾構隧道周圍土體和襯砌結構本身的內力和變形規律，進而為工程設計和施工提供指導[4]。傳統的建模方式操作繁瑣，幾何建模難度大。前述內容已經解決了盾構隧道幾何建模問題，本文將借助Dynamo 建立的幾何模型，采用ANSYS Workbench 作為有限元分析工具進行數值分析。Workbench 是ANSYS 公司提出的協同仿真環境，ANSYS Workbench 仿真平臺能對復雜系統的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱、電磁場以及耦合場等進行分析模擬，適用于多種工程問題求解場景[5]。根據第3 節方法完成建模后，導出SAT 格式文件。在workbench 中導入SAT 文件，定義材料參數和分析參數，完成有限元分析前處理。本計算僅用于驗證模型的可用性，因此對分析模型作簡化處理，僅考慮自重荷載，邊界條件僅考慮土對隧道的彈性支撐，分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 盾構隧道變形圖（單位：m）

圖5 盾構隧道等效應力圖（單位：Pa）

由圖4、圖5 可知，有限元模型能夠正常運行，盾構隧道的應力和變形云圖符合一般規律，建模方法有效。

5 結論

本文借助Dynamo 可視化編程軟件，編寫了盾構隧道參數化建模程序，并將參數化的幾何模型通過SAT格式文件導入ANSYS workbench 進行有限元分析。分析結果表明，基于可視化編程建立的盾構隧道模型可以滿足有限元分析前處理的要求，該方法能夠有效提高盾構隧道建模與數值分析效率。