基于Civil 3D的铁路隧道弃渣场三维设计软件研究

贾兴斌

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

隧道工程弃渣场设计是施工组织设计中重要内容之一。因隧道工程挖方弃土方量巨大，弃渣场数量多，制约边界复杂，且国家相关部门对弃渣场的安全防护、环境保护、水土保持等设计和施工要求越来越高、越来越严格，这决定了弃渣场设计该项工作也愈加重要[1-3]。

在我国铁路建设快速发展的背景下，中铁一院承担了多条长大干线铁路设计任务，隧道设计任务量随之加大，弃渣场设计工作也在成倍增加。

根据文献检索，目前在铁路设计行业内有利用Civil 3D进行弃渣场设计工作的项目，但尚未见研发出弃渣场辅助设计软件系统。对于弃渣场设计还基本处在数据处理依靠人工、绘图工作仅限于利用AutoCAD基本命令出图层面上，弃渣量计算还一直沿用人工绘制断面的方法。在工程约束条件多、地形条件复杂的工程项目上，特殊情况下甚至还采用工程类比经验估算。这种作业模式一直困扰着设计人员，对于提高工作效率和设计质量非常不利。

1 系统设计构思

铁路隧道弃渣场三维设计系统基于AutoCAD Civil 3D，通过识别已有的二维等高线平面地形图，生成三维地形曲面模型，在此基础上完成弃渣场横断面设计、纵断面设计。然后，建立弃渣场模型和弃渣场曲面，使用曲面体积法计算容渣量。如弃渣量不能满足要求，可反复快速迭代直至符合要求，最后实现快速计算土石方量和工程量，生成施工图[4]。

系统处理总体流程如图1所示，其中，最为核心部分是弃渣场设计、容渣量计算和挡渣坝设计。

图1 系统处理流程

2 系统关键技术研究与实现

系统采用AutoCAD Civil 3D 2018 与 Visual Studio 2015组合的开发平台与环境，主要功能包括项目工点管理、弃渣场设计、挡渣坝和挡墙设计、排水沟设计、挡墙稳定性检算等[5-8]，系统功能如图2所示。

图2 系统功能

2.1 弃渣场设计

弃渣场设计包括建立数字地形模型及弃渣场纵断面设计。

建立数字地形模型(DTM，Digital Terrain Model)，是弃渣场设计的基础条件之一。首先，对弃渣场二维平面地形图进行初步处理，保留主等高线、次等高线及离散高程点，删除图形上其他图形元素，作为弃渣场的图形范围图块插入本地模板中；然后，利用AutoCAD Civil 3D曲面生成功能创建弃渣场地形曲面对象[9]。

弃渣场纵断面包括曲面纵断面和设计纵断面。曲面纵断面是从弃渣场地形曲面提取沿沟底的地面线生成。沟底地面线即弃渣场范围沿沟底绘制的多段线，为地面线提取的参照线，根据等高线的高低由低向高绘制。绘制沟底线时相邻切线夹角尽可能大些，即越直越好。选择弃渣场原地形曲面，设定“绘制方向、纵向扩大比例”等参数，在图形上选择插入点生成既有纵断面图。

弃渣场设计纵断面创建有2种方法，一种是纵断面拉坡设计；另一种是文件纵断面设计。纵断面拉坡设计中，用户根据命令行提示，交互式输入变坡点坐标或拾取平面点坐标来绘制布局纵断面。文件纵断面设计中，要预先确定设计纵断面各个变坡点的中桩里程及高程，按照要求的格式写入文本文件中，由程序读取该文件信息后自动绘制纵断面图。既有纵断面如图3中下侧线段，设计纵断面如图3中上侧线段。

图3 弃渣场纵断面(单位：m)

2.2 容渣量计算

2.2.1 曲面法计算容渣量

曲面法计算体积(容渣量)，即求设计面在原地面基础上的填方量和挖方量，如两个曲面的边界不是正好相交，曲面体积计算的是垂直投影重合部分的体积，计算范围是指两者垂直投影重合部分，如图4、图5所示。

图4 体积计算范围平面示意

图5 体积计算范围立面(剖面)示意

在AutoCAD Civil 3D环境中用命令创建弃渣场装配，并在“指向曲面连接坡度”部件属性框中指定相应的参数；然后，创建弃渣场模型，在渣场模型“创建道路”中指定“路线、设计纵断面、装配、目标曲面”等参数，并可根据路线、地形情况调整“装配插入步长”。生成的道路曲面如图6所示[10]。

图6 弃渣场曲面

基于图6中道路模型曲面，选择基准地形曲面，采用曲面法即通过2个曲面比较计算曲面体积(容渣量)，结果如图7所示。如容渣量大于弃渣量且在一定范围，则表示设计弃渣场满足容渣量要求；如容渣量小于弃渣量或比弃渣量大的多，则表示弃渣场不满足容渣量要求。

图7 容渣量计算结果

如弃渣场不满足容渣量要求，则需通过调整设计纵断面高程，改变弃渣场顶曲面、体积曲面，然后重新生成“曲面-弃渣场模型、体积曲面-弃渣场”，再次计算曲面体积(容渣量)，反复迭代直至符合容渣量要求[11]。

2.2.2 横断面法计算容渣量

利用横断面法计算容渣量，可单独计算一个段落的容渣量或计算全弃渣场的总容渣量。其中，沿路线设置的横断面越多，计算精度越高。单独一个横断面如图8所示。图8中，Hs为设计高度，Hd为地面高度，H为两者差值，0+70.00为该断面中桩里程。

图8 横断面示意

横断面法计算容渣量，调用“横断面相关对象”选择对话框，选择与横断面采样线相关的弃渣场路线、设计纵断面、道路模型及道路曲面；然后，在“创建采样线编组”对话框中选择或输入“采样线样式、采样线标签样式、左偏移、右偏移、采样的数据源”等参数值后，在平面图上创建采样线；最后，基于创建的采样线编组和弃渣场路线，在材质列表中对话框选择体积计算方法(推荐“棱(柱)体”)计算容渣量[12]。容渣量体积计算结果如表1所示。

表1 容渣量体积计算结果

如横断面出图时，选择“路线对象”并设置横断面绘制间隔值，在绘图区域选取插入点，横断面图将顺次插入到绘图区域中，如图9所示。

图9 弃渣场横断面示意

横断面法有利于图纸的表达，可计算出材料体积即容渣量，缺点是计算精确度相对略低，地形越复杂计算精确度越低。

2.3 挡渣坝和挡墙设计

2.3.1 创建自定义组件

对于AutoCAD Civil 3D不能直接提供的特殊结构部件，如挡渣坝、挡墙、水沟、垂裙，利用AutoCAD Civil 3D部件编辑器“Subassembly Composer”(通常简称为SAC)来创建自定义部件，并给“点”“连接”及“造型”设置代码[13]。以下是挡渣坝部件创建过程，挡墙等部件与此类似。

如图11所示，由中间下侧Condition的值决定挡渣坝是平底还是斜底。挡渣坝的主要连接代码如下。①Top：指定给完工坡面上所有已铺装或未铺装的连接，可用于生成整个完工坡面的曲面模型。②Pave：指定给完工坡面上所有已铺装连接的第二个代码，可用于以特定颜色和纹理渲染完工坡面曲面的已铺装部分。③Base：铺装横断面基层曲面上的所有连接，可用于定义粒状基础材质区域的底部，以进行材质体积分析。④Subbase：指定给底基层底部和侧边上的所有连接[14-15]。挡渣坝输入参数如表2所示，挡渣坝输出参数如表3所示。

图10 挡渣坝部件

表2 挡渣坝输入参数

表3 挡渣坝输出参数

将创建的挡渣坝部件导入AutoCAD Civil 3D作为“挡渣坝”公共部件，在创建挡渣坝装配时调用。

2.3.2 挡渣坝和挡墙设计

在AutoCAD Civil 3D中选择“挡渣坝/挡墙”部件，在其属性框中指定相关参数，根据挡渣坝/挡墙高度变化，对应地修改坝体高度、坝基底宽度等参数，为不同坝高指定不同的装配[16]。

分别创建挡渣坝/挡墙纵断面地面线和设计线(坝顶线和墙顶线)，完成挡渣坝/挡墙纵断面的创建。基于装配和挡渣坝/挡墙纵断面，最终在挡渣坝位置生成挡渣坝/挡墙曲面模型[17]。

选择道路模型，指定曲面名称，生成挡渣坝/挡墙曲面。指定采样线的左右偏移值、采样的数据源，以生成挡渣坝/挡墙采样线。选择采样线编组，添加设置计算材质的“土方量标准”创建材质体积表。

根据挡渣坝/挡墙模型，从道路基线中获取相关部件参数信息，绘制挡墙或挡渣坝平面、立面、断面示意图，结构尺寸表，其中，挡渣坝断面示意如图11所示。

图11 挡渣坝断面示意

2.4 挡墙稳定性检算

挡墙计算项目包括：滑动稳定性验算、倾覆稳定性验算、地基土承载力验算及墙身材料应力验算[18]。一般情况下，倾覆稳定性较易满足，主要由基底压力(尤在墙高较大时)和滑动稳定性来控制设计，一般无需验算墙身应力。

2.4.1 抗滑稳定性

一般地区滑动稳定性检算基本公式为[19]

(1)

式中，G为墙重；Ex、Ey分别为主动土压力的水平、垂直分力；μ为基底摩擦系数。

一般地区倾覆稳定性检算基本公式为

(2)

式中，b′为墙重心至墙趾的水平距离；a为主动土压力垂直分力至墙趾的水平距离；h′为主动土压力水平分力至墙趾的垂直距离。

地基土承载力公式为

(3)

(4)

式中，Pmax、Pmin分别为基础底面边缘处最大、最小压力；b为墙底宽；e为荷载作用于基础面上偏心距。

(5)

2.4.2 挡墙自重计算

挡土墙自重计算等于每延米体积乘以重度，有“分割法、平面多边形坐标法”2种计算方法[20]。

分割法是将一个多边形分割成几个简单基本图形(三角形、平行四边形、矩形、梯形、圆形、椭圆形、扇形)，再计算出每个基本图形的形心及面积；然后，计算出整体图形的形心位置及面积。

平面多边形坐标法是将有N个顶点的平面多边形剖分成N-2个三角形，分别求出其重心和面积；然后，用加权平均法计算出多边形重心坐标。

(1)多边形面积公式

(6)

(2)重心坐标公式

(7)

(8)

平面多边形应为一个封闭的非自交多边形，分成的三角形序号按照逆时针方向排列。

2.4.3 计算结果分析处理

系统最终提供的挡墙稳定性计算如图12所示，软件按照给定的参数进行挡墙试算(表4)，若计算成功则生成计算表格(表5)；若计算失败则给出失败原因，然后修改有关参数后再次重新计算。

图12 挡墙检算

表4 挡墙计算说明

表5 挡墙计算表格

3 软件应用情况

在兰州至合作铁路初步设计项目中，选取具有带状地形的考勒隧道、曲奥隧道和黄家岭隧道3座隧道弃渣场作为典型工点，使用本软件进行弃渣场设计及工程数量计算。实际应用表明，软件计算弃渣场容渣量、挡渣坝/挡墙材质及水沟材质数量准确，软件方式与手工方式比较，在初次设计中提高效率约3倍(二者在资料和数据准备阶段基本无差异，软件在计算和成图阶段提高了效率和质量)，在方案迭代优化中，效率提高5～10倍。验证了采用本软件可显著提高弃渣场设计的效率和设计质量。

4 结语

针对铁路隧道工程弃渣场设计既有工作模式存在的不足，在研究弃渣场设计工程和计算理论的基础上，采用BIM技术，基于AutoCAD Civil 3D进行二次开发，研发了“铁路隧道弃渣场三维辅助设计软件”，为提高弃渣场设计效率和质量提供了一种方法和设计软件，结论如下。

(1)根据原始平面地形图，通过对二维地形图的识别处理，建立三维数字地形模型，实现弃渣场三维设计。

(2)采用BIM技术，自定义挡渣坝等基本部件模型，采用Civil 3D装配方式进行挡渣坝BIM模型设计。基本部件参数化，满足同类型不同尺寸的建模设计需求，响应了设计快速变化的业务需求。

(3)使用曲面法计算容渣量，实现了对设计方案即精确又快速的迭代优化；使用断面法不仅有利于图纸表达，还可以计算出材料体积，综合提高了设计效率。

该软件对地形要求较高，下一步将重点研究软件对复杂地形的处理，对其进一步优化、提高设计效率。