盾构隧道三维参数化建模技术研究*

程雨秋，王国光,3，杨礼国,3，斯铁冬，林志军

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程数字技术有限公司，浙江 杭州311122；3.浙江省工程数字化技术研究中心，浙江 杭州 311122）

二十一世纪以来，我国基础设施建设经历了飞速发展，带动了相关城市轨道交通工程产业的急速进步与发展。为了提高工程设计效率，紧跟计算机辅助制图技术的进步与普及发展进程，BIM技术在隧道工程行业中获得了广泛应用。

在城市轨道交通工程中，常由于掘进工作面受到较大的限制，以及基于工期、经济、生态等各个方面的考虑，为满足施工速度、经济效益、环境保护等各方面要求，采用盾构掘进机施工是最佳选择。随着BIM技术的发展，隧道工程行业已经不满足于传统的套标准图出图并指导施工的现状，开始逐渐要求设计单位提供包含设计参数的BIM模型。近年来国内外出现了一些盾构隧道管片排版软件，能够实现管片分块、接缝设计，支持通用环、直线环+左右转弯环排版计算，但是信息输入不便，拟合排版也未考虑优先点位及管片埋深。

对此，文章以单圆盾构、装配式衬砌为基础，通过盾构隧道三维参数化设计技术研究，采用Bentley MicroStation基础平台方案，开发出一套可适用不同隧道半径、衬砌厚度、分块模式、拼装方式、螺栓形式、环纵缝接头等的盾构隧道管片软件设计系统。其基于线路三维模型，考虑推荐优先点位及优先度，满足各种控制条件下通用环管片设计排版及根据埋深对管片预制加工的要求，对参数化建模、数据分析和数据存储进行集成，能弥补以往盾构管片建模方面的不足。

1 盾构隧道参数化关键技术

1.1 管片参数化设计

参数化建模是参数化设计的重要环节，在众多计算机辅助设计方法中占主导地位。参数化模型由一个个零件组成，零件又由多个特征组成，即参数化模型可以拆分成不同数量的特征。特征可以分为两种，正空间特征是凸起的且真实存在的部分，负空间特征是通过布尔运算减去的局部凹陷。管片正空间特征如环缝凸起部分，负空间特征如注浆孔等。

参数化建模分两种：（1）利用基本特征进行参数化设计，即通过对基础元素模型进行布尔运算完成建模[1]。（2）利用草图进行参数化设计，即通过二维图形进行尺寸驱动（扫描、旋转、拉伸）完成建模。两种参数化建模方法的过程中均只能有一个主特征，通过在主特征上依附其他的特征，再将这些特征通过基准点等进行定位，并与主特征保持固定的位置关系从而完成建模。

盾构管片参数化建模中，既用到了基本特征参数化设计，也用到了草图参数化设计。盾构管片设计中，参数分为分块参数、楔形量、环缝参数、纵缝参数、管片连接和细部构造六个部分，主特征为指定半径和厚度的一个圆柱体。管片三维模型创建流程如图1所示。具体管环整体效果如图2所示，管片效果如图3所示。

图1 管片三维模型创建流程

图2 管环模型示意

图3 管片效果

1.2 管片排版建模

在实际项目应用中，隧道建模需要放置大量的管环。在创建模型时，通过路径模型可得到排版数据表，表中包含序号、环号、中心点里程、中点坐标、止点坐标、管片类型、拼装点位、埋深等信息，如果通过手动一个个放置，则费时费力。排版数据示例如表1所示。Shared Cell的定义（VBA中的Shared Cell Definition Element对象），定义事先写入DGN中，类似一个普通的cell但不可见。使用中，当反复调用同一个Shared Cell时，其所占用的磁盘容量会比反复调用cell小得多，尤其是当cell很大时，可以节约很多磁盘空间。Shared Cell类似于Auto CAD中的块（Block）。因此，

表1 排版数据示例

导入表格后，程序后台通过Bentley中ExcelApplication获取到完整的表格文件，再选择其中的指定工作簿，将其中的内容转成DataTable数据，再通过读取DataTable数据获得每个环的类型、位置以及旋转点位。管片的放置分为三步，如图4所示。排版建模后效果如图5所示。

图4 管片放置步骤流程

图5 排版建模后效果

1.3 管片模型共享单元

在模型排版建模阶段，需要将同一管环进行多次放置。在Microstation中，cell是一个复杂元素，由一个单元头和其包含的分量元素组成。如果使用cell进行排版建模，反复对同一个cell进行调用，占用空间大、调用时间长，严重影响建模效率。

共享单元（Shared Cell）是一个简单元素，指向在管片放置时，程序首先加载指定的cell文件，然后获取添加的cell library的名称，接着通过名称依次获取其中的cell元素，并根据这些cell元素生成对应的Shared Cell，再进行放置，节约磁盘空间，以防止放置后当前dgn文件所占磁盘空间过大，进而影响其他设计流程的操作。

1.4 管片属性挂接

管片排版建模后，实际使用中经常需要查看部分管环的信息。在开发过程中，程序通过EC Framework技术来存储各个管环除中止点外的信息，并挂接到对应管环上。EC Framework是Bentley公司为增强不同软件之间的信息传导而提出的技术框架，规定了一系列接口，支持不同数据源，可提高系统的信息传导效率，实现“统一的数据架构”。EC Framework中包含了一些数据相关的概念，EC Class表示对象类型，EC Class又包含一组属性（EC Property），使用对象类型可以创建对象实例（EC Instance）。同时，EC Framework还提供了向图形元素读写EC Instance数据的方法。EC Class与面向对象开发语言中的Class非常相似，但EC Class是用XML文本来定义和描述的，XML是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言，是允许用户对自己的标记语言进行定义的源语言[2]。各个BIM平台都支持XML，因此使用XML可以摆脱平台的依赖，实现平台间的数据共享。比如单独“管环模型”具有“编号”“X坐标”“Y坐标”“起始点”等属性可以用XML描述如下：

2 应用实例

文章介绍的盾构管片参数化建模方法，已用于成都地铁十八号线工程、杭绍线地铁工程、深圳地铁十六号线工程等多个地铁项目工程。以深圳地铁十六号线东纵—新屋区间为例，该区间采用盾构法施工，全长864m，为地下线。深圳地铁十六号线东纵-新屋区间模型如图6所示，细节图如图7所示。

图6 深圳地铁十六号线东纵-新屋区间模型

图7 细节图

盾构区间隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，通用双面楔形环错缝拼装，每环楔形量为40mm。每环由6块管片构成，其中封顶块1块（F）、邻接块2块（L1、L2）、 标 准 块 3块（B1、B2、B3）。 管 片 内 径 为5500mm，管片外径为6200mm，管片厚度为350mm，管片宽度为1500mm。管片纵向和环向均采用螺栓连接。管片环与环之间用16根M27的纵向螺栓相连接。每环管片块与块间以12根M27的环向螺栓连接。

文章研究的基于MicroStation的盾构管片参数化建模方法在工程中得到了充分的利用。在具体的项目应用中，实现上千片管片的建模与连接原本需要2个工作日，但应用该建模方法仅需20min，极大地减少了工程人员的建模工作量，提升了建模效率，确保了生产压力下的建模工作进度以及质量。进行三维参数化建模设计的过程中，需要注意以下三点：（1）理清各个参数之间的约束关系，防止参数间不匹配；（2）剪切元素可适当放大，防止被剪切元素负空间特征存处在多余部分；（3）建成后需将细节放大，检查各个交界处是否无误差。

3 结束语

文章介绍了一种盾构管片参数设计的BIM技术，并在MicroStation平台上实现了盾构管片参数化建模和排版放置，能够一键参数化建模，生成cell文件，并实现一键放置大量管片。通过在各个地铁工程项目上的实际应用，证明该技术方案能够显著提高设计阶段的建模效率，减少人工工作量，避免人为差错，加速整体设计的进程。在工程全生命周期应用中，盾构管片参数化模型可以进一步指导管片预制加工、辅助施工、控制拼装，并为后期运维提供数字化基础。