新型装配式地铁车站智能设计关键技术研究

王秀妍

(1.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308； 2.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室,天津 300308)

1 概述

长期以来，我国混凝土建筑主要采用现场浇筑的传统施工工艺，存在设计建造粗放、工业化程度低、建筑质量低下、建筑材料损耗及建筑垃圾量大、建筑全生命周期能耗高等诸多弊端，高能耗、严重浪费的现状给环境及经济承受能力带来严峻的挑战[1]。装配式结构经工厂化预制，现场装配连接及部分现浇而成，具有可批量生产、节省材料、提高建筑效率、方便冬期施工、提升工程质量等优势。装配式结构将工地作业为主的建造方式变为工厂制造为主，是建造产业现代化的重要内容，是建筑走向工业化、信息化和智能化的前提条件[2]。

目前，预制装配式混凝土结构广泛应用于建筑、桥梁、道路、水工等领域，叠合板、叠合梁、预制剪力墙、预制柱等装配式混凝土预制构件已在地上结构中大规模使用，预制装配式结构在地下结构中的应用主要集中在交通隧道、输水隧道以及部分综合性地下管廊建设领域[3]。2015年，国内第一条城市轨道交通类矩形盾构隧道成功应用于宁波轨道交通3号线，同时其也是世界上最大断面类矩形盾构隧道，衬砌环由11个预制构件拼装而成，管片环向与纵向通过螺栓进行连接[4]；2017年，国内里程最长的装配式地下综合管廊在四川绵阳开工建设，管廊采用全国首创的分片式预制，管廊标准单元长度采用6 m标准模数，并合成30 m标准段，预制块间采用湿法连接[5]；2017年，港珠澳大桥海底沉管隧道贯通，钢筋混凝土结构为沉管管节主要结构形式之一，其横断面为折拱式，单个标准管节长180 m，由8个长22.5 m节段组成，这是迄今为止世界上埋深最大、综合技术难度最高的沉管隧道[6]；2019年，西部地区跨度最大装配式下穿隧道—磨子桥隧道在成都建成通车，隧道预制段总长130.6 m，预制框架单环长度为1.5 m，每14环或15环形成一大节段，每块质量为122.5 t，施工效率较传统现浇工艺提高一倍以上[7]。可见，国内在装配式地下结构的研究和工程实践方面已积累了许多成功经验，形成了从研发设计到生产施工的成熟产业链，为拓展装配式地下结构的应用范围奠定了基础[8]。

传统的地铁车站建设需要使用大量劳动力资源，消耗巨量原材料，施工场地以及材料运输对路面交通影响较大，环境与噪声污染严重[9]。而采用装配式技术进行地铁建设，实现现场装配预制化，可全面提升工程质量、加快建设速度、缩短对城市地面交通的影响，满足城市地下工程高效、环保的要求[10]。因此，可在充分借鉴已有装配式地下结构研究成果和实践经验的基础上，开展对装配式地铁车站的系统研究，创新和变革地铁工程的建造模式[11]。我国地铁车站的装配式技术起步较晚，但目前也在几座城市得到应用。2007年，刘建洪[12]对深圳宝安中心站车站装配式结构进行了设计及施工过程分析，采用地下连续墙+预应力钢支撑围护体系，但方案最终未能实施。2015年，长春地铁2号线袁家店站建成，是国内首座预制装配式地铁车站，车站主体结构采用了单拱大跨结构形式和全预制拼装工艺[13]。北京地铁6号线二期西延工程金安桥站试验段是北京市首座采用装配整体式施工方法的地铁车站，工期相比现浇结构缩短了2/3，该技术推广后将极大地提升地铁建设速度[14]。但目前我国装配式技术在地铁车站结构中的应用和研究并不多，仍处于起步阶段，各方面技术还不成熟，因此，亟需开展针对装配式地铁车站结构的各项研发工作，以加快装配式新技术的推广。

装配式混凝土结构，相当于将现浇混凝土结构分割成若干预制构件，再通过可靠的连接方式装配起来。装配式地铁车站结构设计方案的开发初期，各构件的尺寸参数有一定的模糊性，需对结构进行模型试验、力学性能分析后才能确定，这就需要构件模型本身具有易于修改的柔性。而常规的结构设计中，一旦进行设计变更，需手动修改相应的结构模型，这将带来大量重复性的繁重工作，造成人力的浪费和时间成本的增加。现代计算机技术的飞速发展，参数化设计作为一种新颖的设计手段已被广泛应用于结构设计领域。参数化设计是指模型结构在保持拓扑关系不变的前提下，形状尺寸由一组参数来约束，不同参数生成不同的实体模型[15]，这与装配式结构开发初期的特点十分契合。

因此，为适应设计技术变革、解决装配式结构复杂设计问题的需要，本文将参数化的思想引入到装配式地铁车站结构设计中，对装配式车站进行形态分析，确定参数化特征，并通过智能算法，建立车站结构分块内部及分块之间的联动机制，基于二次开发技术联动CATIA软件和ABAQUS软件，将参数化设计与智能有限元计算相结合，形成一套完整的装配式地铁车站结构从方案设计、参数化建模到结构计算的一体化智能设计技术，缩短了设计周期，提高了设计效率。

2 CATIA软件和ABAQUS软件的二次开发技术

为了克服通用设计与计算软件针对性不强、设计效率不高的问题，基于CATIA模型设计软件和ABAQUS有限元软件，利用二次开发接口，对软件功能进行扩展，根据装配式地铁车站结构设计的需要，定制高效易用的设计系统。

2.1 CATIA软件的二次开发

CATIA是一款CAD/CAE/CAM一体化软件，已广泛应用于航空航天、机械制造、造船、电子等领域，在解决复杂建筑结构空间建模方面有独特的优势[16]。

CATIA的二次开发主要有以下两种方法。

(1)组件应用架构(CAA)

以C++作为开发语言，CAA采用组件对象模型(COM)技术，外部进程可以通过访问COM组件实现对CATIA的创建、修改等操作，同时支持对象的连接和嵌入(OLE)技术。CAA开发方法可实现对CATIA的完整操作，功能强大，但是需要在C++的快速集成开发环境(RADE)中进行程序开发，涉及大量复杂的设计模式，上手难度较大[17]。

(2)Automation API

通过宏(Macro)的录制功能，软件自动记录用户的操作过程，并自动生成VBScript代码，开发者可在其基础上修改代码形成自己的程序；自动化(Automation)组件以VBScript作为编辑工具，Automation API可实现与任何OLE所兼容的平台进行通讯[18]。这种开发方式相对于CAA更为简便易用，无需额外的开发环境，在CATIA环境中即可完成，适合于构造相对简单的建筑结构的建模开发工作。

然而，基于Automation API的CATIA二次开发，其VBScript脚本程序的输入输出功能较弱，无法实现复杂的交互界面。因此，考虑利用宏文件，另外开发独立的程序界面，深度定制针对装配式地铁车站的参数化建模特定模块。由于CATIA提供的宏工具和VBA项目编辑器都采用了VB语言，因此采用VB语言进行CATIA二次开发能够最大限度地与CATIA Automation在语言风格上保持一致；同时，装配式地铁车站结构的形状尺寸参数多且复杂，常规的程序界面无法很好地承载如此大量参数的显示。因此，考虑采用自带VBA的EXCEL软件，通过COM自动化接口获得CATIA对象，基于VBScript格式的宏脚本，开发具有用户交互功能的装配式车站参数化建模界面。

2.2 ABAQUS软件的二次开发

ABAQUS软件是国际公认的大型通用非线性有限元分析软件之一，涵盖类型丰富的材料库和单元库，对工程中各类复杂的线性和非线性问题具有非常优秀的分析与处理能力[19]。

用来进行前后处理的ABAQUS/CAE包括图形用户界面(GUI)和求解核心(Kernel)，GUI负责记录建模参数并提交到Kernel，形成输入文件(INP)，这一过程都被以Python语言记录到软件自动生成的.py格式的脚本文件中，脚本文件提供了相当数量的库函数，通过编写程序调用与修改这些库函数能够大大提升ABAQUS的自动化程度。因此，可利用Python脚本文件对ABAQUS进行二次开发，通过编写程序替代ABAQUS/CAE上大量的、重复性的手动操作，驱动ABAQUS执行有限元分析过程，完成装配式车站结构在施工、运营期间的完整分析计算。

由于装配式车站的参数化建模用户界面是建立于EXCEL软件上，因此为避免重复输入数据，考虑基于同源数据，利用EXCEL的VBA生成ABAQUS的Python脚本文件，再通过VBA的Shell函数调起ABAQUS执行脚本文件，实现ABAQUS计算程序的开发。

3 新型装配式地铁车站智能设计流程

3.1 总体思路

以装配式地铁车站初步设计时的分块模式作为模型建立的设计依据，对车站结构各分块进行形态分析，确定所有参数化特征，并通过智能算法建立车站结构分块内部的联动性及分块与分块之间的联动机制，针对装配式地铁车站设计特点进行界面开发，基于VBA编写CATIA的执行程序，基于Python编写ABAQUS的执行程序，可通过依次读取界面上的输入数据(包括车站横断面分块尺寸参数、车站纵向参数、有限元计算参数等)，一键快速建立CATIA软件三维车站模型，并可将生成的模型一键导入ABAQUS软件，进行完整的有限元计算分析。

3.2 具体流程3.2.1 参数化特征的确定

装配式地铁车站结构有柱断面的分块模式如图1所示。

图1 装配式地铁车站结构分块模式

装配式地铁车站结构各分块分别为底板A块、底角部B1、B2块、边墙C1、C2块、中板D1、D2块、顶角部E1、E2块和顶板F块。对车站结构各分块进行形态分析，以A块为例，将A块分为主体结构、防水密封垫槽、纵向接头凸台、纵向接头榫槽、内部空腔、预紧装置孔槽和螺栓套筒，共7个部分，并通过分析确定形态基本参数，如图2所示。其余分块确定形态参数的方式与A块一致。

图2 A块参数示意

3.2.2 联动机制的建立

装配式地铁车站分块内部及各分块之间是具有关联性的，分块某些形状参数确定时，另一些与之有关的形状参数也相应确定，而改变分块模型的某些形状参数时，该分块和其他各分块的尺寸及凹凸榫、套筒、空腔等的相应位置也应随之调整，否则车站结构可能会产生异型或重叠。

因此，结合装配式地铁车站结构设计特点，通过对各分块基本参数之间的拓扑关系、结构特征进行分析，确定其关联特性：当车站分块部分参数确定时，自动计算出与其有预定关联性的其他参数；当改变某一分块基本参数的数值时，可智能调整其他分块尺寸及相应位置，以保证车站横、纵断面的完整性。

3.2.3 CATIA参数化建模的实现

以建立的参数化特征及其联动机制为依据，编写CATIA的执行程序。首先，利用EXCEL的VBA开发功能在后台连接并启动CATIA软件，代码如下：

Set CATIA=GetObject(， "CATIA.Application")

If Err.Number <> 0 Then

Set CATIA=CreateObject("CATIA.Application")

CATIA.Visible=True

End If

然后，基于手动建立装配式地铁车站时所录制的CATIA的宏(VBScript代码)，将代码中的具体尺寸替换为已确定的控制装配式地铁车站形态的各参数，并设置参数间的联动机制，参数数值由软件界面读取，部分过程如下：

Dim A1_X， A1_Y As Double

Dim A2_X， A2_Y As Double

A1_X=0

A1_Y=CDbl(Sheets("SheetA").Cells(16， 7))+4 * CDbl(Sheets("SheetA").Cells(17， 7))+2 * CDbl(Sheets("SheetA").Cells(21， 7))+CDbl(Sheets("SheetA").Cells(23， 7))+CDbl(Sheets("SheetA").Cells(24， 7))

A2_X=-CDbl(Sheets("SheetA").Cells(6， 7))

A2_Y=A1_Y

Dim point2DA1 As Point2D '第一条线开始

Set point2DA1=factory2D1.CreatePoint(A1_X， A1_Y)

point2DA1.ReportName=3

Dim point2DA2 As Point2D

Set point2DA2=factory2D1.CreatePoint(A2_X， A2_Y)

point2DA2.ReportName=4

Dim line2D3 As Line2D

Set line2D3=factory2D1.CreateLine(A1_X， A1_Y， A2_X， A2_Y)

line2D3.ReportName=5

line2D3.StartPoint=point2DA1

line2D3.EndPoint=point2DA2 '第一条线结束

这样，即可实现基于CATIA软件的装配式地铁车站参数化建模。

3.2.4 有限元智能计算的实现

(1)利用VBA生成ABAQUS可执行的Python脚本文件。

编写脚本文件前，需确定用于计算的各参数，包括车站结构参数、覆土参数和荷载参数。参数确定后，根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[20]、GB50157—2013《地铁设计规范》[21]的规定，可编写代码计算出结构在施工阶段和使用阶段可能出现的最不利情况的荷载组合。

通过VBA的print命令在用户工作目录下的py格式文件中编写脚本，将其命名为abaqus.py。将生成的CATIA三维车站模型导入ABAQUS软件，通过对有限元计算参数的读取，在模型中自动智能添加材料属性、施加荷载、建立接触对、划分网格、直至提交计算，最后得到装配式地铁车站结构计算结果。同时使程序在控制装配式地铁车站形态的各参数或有限元计算参数改变时，智能计算结构所受荷载数值的变化并施加到模型上，同时智能调整接触面位置，避免因尺寸改变而造成的接触对失效，并自动调整网格，保证有限元求解的顺利进行。部分代码如图3所示。

图3 有限元计算部分代码

(2)在VBA 中实现ABAQUS软件的调用。

利用VBA的shell函数启动计算机的Abaqus Command窗口，并且在窗口输入调用脚本文件的语句，其代码如下：

Dim exe As String

exe="C:windowssystem32cmd.exe /c abaqus cae script=X:XXXabaqus.py"

Shell exe， vbNormalFocus

其中，X:XXX为脚本文件abaqus.py所在工作目录。

这样，通过以上两步，利用ABAQUS软件的二次开发接口，可完成有限元的自动化智能计算，实现定制化仿真分析功能。

4 应用实例

4.1 程序界面

以装配式地铁车站的智能设计流程为依据，开发装配式地铁车站智能设计程序界面。程序主界面如图4所示。

图4 程序主界面

主界面上布置有5个功能按钮，以实现结构各分块的生成、装配、清除及将整体车站结构导入ABAQUS计算等功能。

程序的车站形态参数各子界面如图5所示。

图5 车站形态参数子界面

车站形态参数子界面由三部分组成：(1)位于左侧的形态参数说明区；(2)位于中间的数据输入区；(3)位于右侧的形态参数图示区。用户开始建立一个新的车站结构模型时，必须要在数据输入区域内输入必要的参数，不输入或者少输入初始数值都无法正常建立构件模型。

程序的有限元模型计算参数子界面如图6所示。

图6 有限元模型计算参数子界面

该子界面包含模型导入ABAQUS后进行有限元计算的所有相关参数。用户在该界面输入所有参数后，程序方可进行有限元计算。

4.2 操作流程

(1)输入装配式地铁车站结构基本参数

在装配式地铁车站形态参数子界面上，依据子界面所提供的相关图示信息，输入A块～Z2块的所有尺寸参数及车站长度数据。在有限元模型计算参数子界面上，输入有限元计算相关的所有参数。

(2)生成各分块

依次点击装配式地铁车站结构尺寸参数子界面A块～Z2块上的“生成分块模型”按钮，在CATIA软件中依次生成三维模型；或直接在软件主界面上，点击“结构分块生成”按钮，生成所有分块。生成的车站模型如图7所示。

图7 在CATIA软件中生成的车站各分块模型

(3)将各分块装配为车站模型

在软件主界面上，点击“结构分块装配”按钮，可将生成的各分块装配为车站横断面，再基于用户输入的车站长度数据，将车站横断面沿纵向装配为完整的车站模型。或者，跳过步骤2，直接点击软件主界面上的“结构分块生成并装配”按钮，生成所有分块并装配。生成的车站模型如图8所示。

图8 在CATIA软件中生成的三维车站模型

(4)导入ABAQUS软件进行有限元计算

点击软件主界面上的“导入ABAQUS计算”按钮，软件自动将生成的车站横断面模型导入ABAQUS软件，基于有限元模型计算参数子界面的数据，自动在车站结构模型上添加材料属性、施加荷载(图9)、划分网格等，最后提交计算。

图9 自动施加荷载

(5)清除结构分块

待步骤1～步骤4(即本次地铁车站结构模型从建模到计算工作)全部完成后，点击软件主界面上的“清除结构分块”，可开始下一组模型的智能化设计计算工作。

4.3 智能计算结果

通过以上步骤可得到装配式地铁车站结构在用户所设定静力荷载作用下的有限元计算结果，车站结构的Mises应力、位移等计算结果如图10和图11所示。

图10 Mises应力计算结果

图11 位移计算结果

当改变装配式地铁车站结构形态参数和有限元模型计算参数时，程序可自动调整模型尺寸和荷载变化等，并得到相应的计算结果。

4.4 应用情况

研究成果已在深圳市轨道交通四期修编装配式车站专题研究及咨询投标工作中得到应用，经实践，可将建模及结构计算效率提高30%以上。该项技术后续将推广至其他装配式地铁车站项目，同时也可为同类装配式地下结构的设计工作提供借鉴。

5 结论

(1)创新性地将参数化引入到装配式地铁车站结构设计中，确定了控制车站结构形态的所有参数化特征，通过智能算法建立了车站结构分块内部及分块之间的联动机制，该参数化方法切合了装配式结构初设阶段“柔性设计”的特点，对装配式地铁车站的全面参数化设计具有积极的工程意义。

(2)以建立的参数化特征及其联动机制为依据，利用CATIA软件的二次开发接口，形成装配式地铁车站结构的三维参数化建模技术，一键快速建立车站结构模型，并可根据设计需要迅速修改模型，极大地提升了建模效率。

(3)基于车站结构参数化建模的同源数据，利用ABAQUS软件的二次开发接口，使用Python脚本语言编制程序，实现装配式地铁车站结构的有限元智能计算，并可随三维模型的变更而自动调整计算参数，减少了大量的、重复性的手动操作，提高了计算效率。

(4)创新了装配式地铁车站结构从方案设计、参数优化到结构计算的一体化设计工作，推动了车站结构设计向智能化发展，为装配式地下结构的推广应用提供了技术支持。