铁路隧道斜切式洞门BIM正向设计方法研究

伍丹琪，谢先当，刘厚强

（中铁二院工程集团有限责任公司 BIM中心，四川成都 610031）

1 概述

传统二维隧道设计方式精度差、效率低，不能真实反映复杂工点实际情况。随着BIM技术在基础建设领域的深入应用与发展，如何有效提高BIM设计的效率与精度受到了越来越广泛的重视。房建、市政等专业已经具有较为成熟的BIM设计解决方案[1-3]。但目前隧道工程的信息化水平仍然很低，深化设计阶段的隧道洞门形式多样，三维结构复杂。OpenRail Designer软件（简称ORD软件）为铁路设计提供了有效的解决方案，但由于其自身参数化功能较弱，目前隧道BIM设计人员只能通过传统手动翻模方式进行隧道BIM设计[4-8]。使得BIM建模工作占用较多人力，模型重复使用率低、不便修改且精度不高[9-10]。特别是隧道中的斜切式洞门，形体复杂、参数繁多，手动三维设计过程较为复杂，带有不规则直纹曲面的非常规实体无法通过常规实体创建方法与布尔运算直接生成[11]，亟须进行二次开发，提高设计效率和模型质量。

为解决隧道洞门BIM设计参数化较弱问题，欧阳艳[12]以合福高铁凤凰山隧道洞门为例，利用洞门轮廓真实坐标值提出应用CATIA V5中Generative Shape Design和Part Design模块进行高铁隧道复杂洞门精准建模的具体方法，但基于手动设计，过程繁复、效率较低。黄琦茗等[11]基于MicroStation研究了隧道帽檐斜切式洞门参数化建模，提出一种隧道帽檐斜切式洞门的设计算法，但参数较多且缺乏和洞身的顺接，整体性和实用性受到影响。在对斜切式洞门设计方法与结构形式进行分析与总结基础上，结合目前研究成果的优缺点，提出一套基于Bentley平台的铁路隧道斜切式洞门BIM正向设计方法，并研发了斜切式洞门BIM设计程序，为后续复杂形体隧道工程的参数化研究提供借鉴。

2 技术路线

经过对隧道斜切式洞门的分析与研究，梳理出洞门几何形态的控制要素为a、b、c、d四条轮廓线（见图1）。根据控制要素，在充分获取隧道洞身参数基础上，围绕轮廓线的生成，设定了斜切式洞门的主要参数，利用程序对输入参数等信息进行处理，输出设计所需数据。

图1 隧道斜切式洞门创建要素示意图

为开发出功能完整的斜切式洞门设计程序，基于.NET框架的二次开发，使用C#语言，调用ORD软件封装函数，将参数化创建隧道斜切式洞门的方法，整合成为ORD软件的功能性程序，整体集成到软件界面中。

3 设计方法

为了解决隧道洞门BIM设计中存在的参数化问题，通过反复设计测试，得出一套铁路隧道斜切式洞门BIM设计的有效方法（见图2）。

图2 铁路隧道斜切式洞门BIM设计方法流程

第1步：获取参数。由于洞门需要与洞身衔接，所以参数确定的关键步骤之一为获取洞身参数。在dgn文件中运行斜切式洞门设计软件，按照提示以模型窗口交互界面选择线路和洞身模型，获取洞身模型的线位及洞身参数，并将数据保存在隧道斜切式洞门参数类中，通过对话框提供给设计者，可根据需要以手动输入的方式修改参数。同样在参数对话框中输入洞门设计参数，需要的参数包括轨顶面至圆心O的竖向距离，以及a、b、c、d四条轮廓线的生成控制参数（见图3）。

图3 输入的洞门参数

第2步：信息处理。利用获取的洞身设计参数创建洞门段原始模型，再利用洞门参数创建斜切式洞门实体，具体步骤如下：

首先，根据生成轮廓线c、d的剪切斜率参数，分别拉伸创建立方体实体，基于布尔减运算，分别截取洞门段原始模型的内外2个面，得到2条轮廓线c、d及截取所剩的明洞段实体模型。通过自行编写的编号工具，为剪切后的明洞段模型轮廓线分别编号。根据编号获取相应的轮廓线，以确保每次提取的轮廓都为所需的特定轮廓线。特别注意的是，ORD软件中复杂实体的布尔运算限制在坐标为±500 m范围内，超过±500 m范围的布尔运算可能会出现随机错误。针对此问题提出一种解决方案，将做布尔运算的实体通过Transform函数做平移变换，平移到原点，如果模型范围还是超过±500 m，则进行缩略变换，待完成布尔运算后，再通过Transform函数做还原变换。

其次，沿轮廓线c、d的切面按一定方向拉伸轮廓线c、d，得到2个拉伸曲面——曲面1、曲面2。再根据设计斜率的切面创建斜面3、斜面4，分别切割2个曲面，再为得到的交线编号，然后获取相应的轮廓线为轮廓线a、b（见图4）。

图4 轮廓线a、b生成要素示意图

然后，提取轮廓线缝合为实体模型。具体步骤如下：先由轮廓线a、b，轮廓线c、d，轮廓线a、c，以及轮廓线b、d之间的起点形成一个轮廓（Profile），由起点至终点沿2条曲线路径（Path）扫掠生成曲面，再由形成的4个曲面缝合生成实体模型。

最后，为实体模型添加名称、材质等附加属性。

将以上原理以二次开发的方式调用软件函数整合为一个程序，获取材质及相应实体体积，最后完成模型、属性和工程量的输出。

4 工程实例

以成渝中线高铁某隧道洞门为例，验证隧道斜切式洞门设计方法和程序的有效性。

该隧道入口采用斜切式洞门，设计时速为350 km。正向设计过程中，用户应先拟定斜切式洞门斜率、拉伸面角度等参数，随后进行参数计算和验证，最后启动斜切式洞门创建程序，在对话窗口中输入相应参数，经程序输出的BIM模型见图5，附加属性见图6。经验证，该方法能够完整有效地设计斜切式洞门BIM模型，且易与洞身顺接。

图5 成渝中线高铁某隧道斜切式洞门模型

图6 模型属性和工程量输出界面

5 结束语

提出一种全新的铁路隧道斜切式洞门BIM设计技术方法，并基于ORD软件开发了斜切式洞门BIM设计程序。该方法和程序在实际工程应用中得到验证，应用效果表明该方案和程序解决了隧道洞门难以手动建模、模型质量差的问题。且由于大量参数由洞身提取，极大利用了原有洞身部分模型，所以易与洞身顺接，提高了设计效率、模型准确度和适用性，具有很高的应用价值。同时推动了BIM技术在隧道工程中的应用，为后续其他复杂隧道洞门参数化设计提供了借鉴。