基于Revit的地铁盾构衬砌理论排布研究

张晓恒

【摘    要】：针对目前盾构排布算法在缓和曲线段偏移方面存在的不足，借助Dynamo可视化编程工具，从设计图紙提取关键数据，利用离散化处理后重新拟合的思路，确定空间理论隧道中心线。建立算法实现盾构区间衬砌的快速排布，通过工程实践偏差统计验证，确定该方法实现的模型精度能够满足工程精确化要求。

【关键词】：盾构；衬砌；地铁

【中图分类号】：U455.43【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-42-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.010

Research on the Theoretical Arrangement of Tunnel Lining Based on Revit

ZHANG Xiaoheng

（Shuyun Keji （Shenzhen） Technology Co. Ltd.， Beijing 100080， China）

【Abstract】：Focused on the current deficiencies of the shield arrangement algorithm in easing the offset of the curve segment， this paper uses the Dynamo visual programming tool， extracts the key data from the design drawings， and uses the idea of refitting after discretization to determine the spatial theoretical tunnel center line. The paper establishes an algorithm to realize the rapid arrangement of tunnel linings， and through the statistical verification of deviations in engineering practice， it is determined that the model accuracy achieved by this method can meet the requirements of engineering accuracy.

【Key words】：shield；lining; subway

盾构法对地面扰动小、施工速度快，已经成为城市隧道建设中首选的施工方法[1]。在精确化、智能化建造要求的背景下，在有限的建模时间内实现盾构区间土建及设备等呈空间线性排布状态模型的快速建立；特别是同时考虑盾构环精确空间排布，始终是一个技术难点。许多专家做了相关研究：王晓东等[2]通过参数化盾构衬砌族的方式，使盾构衬砌能够随着距离参数的改变而自动发生相应角度的旋转，实现快速完成线路的排布；林俊[3]借助 Revit 二次开发插件 Dynamo编制程序， 实现隧道模型全过程的程序自动拼装；陈桂香等[4]及赵康康等[5]探索了Dynamo+Civil3D+Revit 配合实现盾构可视化排布。前人的研究均实现了盾构隧道的空间可视化排布，但对线路曲线处的纠偏工作都未能深入。本文以地铁盾构衬砌排布为对象，针对线路区间段纠偏问题，采用Dynamo内嵌可运行编程节点工具PythonScript，在Revit平台建立相对优化的隧道初始理论排布算法，用以建立更为精确地盾构隧道三维模型。

1 盾构衬砌构造与常用排布方式

地铁隧道区间衬砌结构通常采用6块预制钢筋混凝土管片拼装而成。混凝土衬砌在高精度钢模内制作成型，每环由一块封顶K型块（K），2块临接块（L1、L2），3块标准块（B1、B2、B3）构成。管片安装从隧洞底部开始，先安装标准块B，依次安装临接块L，最后安装K块。在特殊地段，如联络通道处，会采用钢板焊接的方式制成钢衬砌块，再通过高强螺栓连接组成特殊钢衬砌。

根据相邻两环衬砌拼装缝的位置不同，管片的拼装分成通缝拼装和错缝拼装两种形式。在线路曲线段通用环管片通过旋转n倍的22.5°实现错缝拼装。错缝拼装比通缝拼装在工程应用上出现的晚，但由于在承受纵向力和保持成圆度方面比通缝拼装优越，所以在很多工程中被大量应用。

2 建立通用楔形管片族

Reivt建模平台中族构件的优越性可能对后续算法思路、开发量级产生很大影响。描述一个物体的空间姿态至少需要3个维度的自由变量，以盾构衬砌环自身作为坐标原点建立相对坐标系，可以得到3个变量，分别是控制XOY平面内水平转角α，控制YOZ平面内俯仰竖向转角β，还有最关键的与盾构衬砌圆环法平面垂直、控制K块围绕轴心旋转的γ。

为便于简化排布算法，通过自适应族内嵌公制常规族的方式建立内径5 900 mm、外径6 600 mm、管片厚度350 mm、轴心环宽1 500 m的通用楔形盾构衬砌环。

1）选用“公制常规模型.rte”族样板，按照衬砌管片相对位置，通过“拉伸、放样、空体剪切”等命令，分别建立6块独立管片实体并根据工程需要建立手孔、螺栓、预埋槽道、止水等细节构造。见图1。

2）在“自适应公制常规模型.rte”族样板中参照标高平面，在原点及间隔1 500 mm处绘制2个自适应点，利用自适应点的空间特性在项目环境中调整水平旋转和竖向俯仰姿态；设置“中心（左/右）”为当前工作平面并在其上以原点为起点绘制一条参照线，其与参照标高的夹角定为实例参数“转角”。

3）将独立管片族内嵌放置在与“中心（左/右）”平行的参照线平面上组装成衬砌环，调整“转角”参数能够控制衬砌环。

3 盾构隧道初始理论排布

在盾构法隧道设计中，盾构衬砌轴心的投影并不是完全落在线路中心线上；由于线路超高设计的需要，其线路中心线（钢轨间距的中心点连线）和隧道中心线（盾构环圆心）的平面投影线，在曲线段往往不重合，因设计速度和线路转弯半径的不同，两者之间的偏移值Δ不同。线路设计图一般仅给出隧道中心线与线路中心线的偏移值以及渐变偏移的设计原则。

对于一段标准直线—缓和曲线—圆曲线—缓和曲线—直线的线路，直线段隧道中心线与线路中心线重合，圆曲线段隧道中心线与线路中心线有固定的偏移值；而在缓和曲线长度范围内，隧道中心线相对线路中心线从缓和曲线起点ZH到终点HY按计算点至缓和曲线起点的长度与缓和曲线长度的比例线性递变偏移（隧道中心线向曲线内侧偏移）。见图2。

线路中心线圆曲线段，对应的隧道中心线利用CAD或者Revit的偏移命令容易绘制，但缓和曲线段一般是回旋线，叠加线形偏移后，不再具有普通可解析的特征方程，难以通过解析的方法获取精确的隧道中心线曲线。

3.1 确定隧道设计中心线

Dynamo是一款内嵌于Revit的可视化编程式建模工具，拥有灵活的点、线、体图元的节点函数和开放式的PythonScript对象化编程环境。从线路设计数据入手，利用Dynamo处理离散化图元的优势，在计算机可处理的有限精度内，离散化线路平纵曲线，同时利用Python脚本处理缓和曲线段偏移问题。

1）由设计图纸截取区间有效平曲线、纵曲线、特殊点里程（起点、终点、直缓点、缓圆点、圆缓点、缓直点）、交点处曲线偏移值（根据曲线偏转方向左正右负）。

2）利用特殊点将平曲线分成直线段、缓和曲线段、圆曲线段。

3）缓和曲线等比例离散化处理，获取离散点处曲线法线方向向量和离散点平面坐标（x，y），计算缓和曲线偏移值，分别用list列表进行存储。

4）将缓和曲线离散点沿着法线方向，向曲线内侧移动指定的偏移值。

5）连接偏移后的离散点，通过以直代曲的方式拟合偏移后的缓和曲线。新缓和曲线的起终点与相邻直线或偏移后的圆曲线相接处的坐标一致。

6） 将平纵曲线按照同样的合适数量进行离散化，取纵曲线离散点的纵坐标，作为z轴坐标，与平曲线离散点坐标（x，y）对应，可得到离散化的线路中心线空间曲线坐标点，进而得到偏移处理后的理论空间隧道中心线[6]。

3.2 盾构衬砌自动化排布

盾构衬砌排布指的是沿着理论设计隧道中心线按一定的算法得到每环盾构衬砌的空间位置和空间姿态。由于盾构衬砌环存在一定的楔形量，为避免通缝排布，盾构环在自旋转的过程中，会导致楔形盾构环的理论中心并不能完全落在理论隧道中心线上，两者会存在一定偏差。

首先按照标准盾构环长度将理论隧道中心线离散化；然后确定初始环姿态建立局部坐标系， 通过初始环确定第二环所在旋转平面的坐标系，再分别计算第二环的设计旋转方向，从而确定多个第二环的中心点位置，在得到的所有点中选则离理论隧道中心线最近的点作为最优点。若最优点对应的姿态封顶块处于正下方，则选择距离次小的点作为最优点。循环上述过程，计算出优化的盾构理论排布结果。

3.3 附属设施自动排布

盾构区间的附属设施，无论道床、轨道、轨枕、扣件、疏散平台等土建设施，还是接触网、管线、信号灯、照明灯具等设备设施，均可以通过Dynamo节点工具根据平纵曲线、里程表，自动计算构件所处空间坐标、方位角实现沿线路布置。见图3。

4 工程应用

天津某地铁线路区间里程范围为右DK14+511.968～右DK15+513.574，长1 001.606 m，右線有长链0.371 m，底板埋深约17.2～24.0 m，顶板埋深约10.1～17.5 m。本段区间隧道全线敷设于地下，采用盾构法错缝排布施工。左右线盾构衬砌共1 323环。见图4。

通过工程实例的验证，统计计算偏差最大值为15 mm，远低于设计要求的±50 mm的施工误差，可以满足工程的需要。见图5。

5 结语

文章通过Revit可视化编程软件，从离散化线路拟合平纵曲线出发，充分考虑了隧道中心线与线路中心线在曲线的偏移关系，从工程角度最大程度模拟盾构衬砌的排布形式和空间形态，得到更符合工程实际的三维模型，为盾构隐蔽工程呈现了可视化的效果，有助于方案汇报展示，同时为盾构区间风险源分析、进度动态模拟等后续应用提供了基础数据。

参考文献：

[1]张文萃，穆世旭，李家涛，等.盾构隧道通用管片排版设计与纠偏研究[J].施工技术，2013，42（13）：89-92.

[2]王晓东，喻钢，吴惠明.基于Revit的盾构管片参数化建模应用[J].隧道建设（中英文），2018，38（2）：249-254.

[3]林俊.基于REVIT隧道管片建模的参数化实现[J].中国市政工程，2018，（1）：26-28+32+95-96.

[4]陈桂香，徐晨，张文萃，等.基于BIM技术的通用管片精细化建模及应用[J].施工技术，2019，48（4）：76-80.

[5]赵康康，廖志兴，朱剑锋，梁子潇.用Dynamo实现地铁盾构管片可视化施工管理[J].云南水力发电，2019，35（06）：155-156+162.

[6]马江桥.参数化设计在轨道交通工程BIM建模中的应用[J].天津建设科技，2021，31（4）：55-58.