基于Revit的地鐵盾構(gòu)襯砌理論排布研究

張曉恒

【摘 ? ?要】：針對(duì)目前盾構(gòu)排布算法在緩和曲線段偏移方面存在的不足，借助Dynamo可視化編程工具，從設(shè)計(jì)圖紙?zhí)崛￡P(guān)鍵數(shù)據(jù)，利用離散化處理后重新擬合的思路，確定空間理論隧道中心線。建立算法實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間襯砌的快速排布，通過(guò)工程實(shí)踐偏差統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，確定該方法實(shí)現(xiàn)的模型精度能夠滿足工程精確化要求。

【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)；襯砌；地鐵

【中圖分類號(hào)】：U455.43【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-42-03

【DOI編碼】：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

盾構(gòu)法對(duì)地面擾動(dòng)小、施工速度快，已經(jīng)成為城市隧道建設(shè)中首選的施工方法[1]。在精確化、智能化建造要求的背景下，在有限的建模時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間土建及設(shè)備等呈空間線性排布狀態(tài)模型的快速建立；特別是同時(shí)考慮盾構(gòu)環(huán)精確空間排布，始終是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。許多專家做了相關(guān)研究：王曉東等[2]通過(guò)參數(shù)化盾構(gòu)襯砌族的方式，使盾構(gòu)襯砌能夠隨著距離參數(shù)的改變而自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)快速完成線路的排布；林俊[3]借助 Revit 二次開(kāi)發(fā)插件 Dynamo編制程序， 實(shí)現(xiàn)隧道模型全過(guò)程的程序自動(dòng)拼裝；陳桂香等[4]及趙康康等[5]探索了Dynamo+Civil3D+Revit 配合實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)可視化排布。前人的研究均實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)隧道的空間可視化排布，但對(duì)線路曲線處的糾偏工作都未能深入。本文以地鐵盾構(gòu)襯砌排布為對(duì)象，針對(duì)線路區(qū)間段糾偏問(wèn)題，采用Dynamo內(nèi)嵌可運(yùn)行編程節(jié)點(diǎn)工具PythonScript，在Revit平臺(tái)建立相對(duì)優(yōu)化的隧道初始理論排布算法，用以建立更為精確地盾構(gòu)隧道三維模型。

1 盾構(gòu)襯砌構(gòu)造與常用排布方式

地鐵隧道區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)通常采用6塊預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝而成。混凝土襯砌在高精度鋼模內(nèi)制作成型，每環(huán)由一塊封頂K型塊（K），2塊臨接塊（L1、L2），3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B1、B2、B3）構(gòu)成。管片安裝從隧洞底部開(kāi)始，先安裝標(biāo)準(zhǔn)塊B，依次安裝臨接塊L，最后安裝K塊。在特殊地段，如聯(lián)絡(luò)通道處，會(huì)采用鋼板焊接的方式制成鋼襯砌塊，再通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接組成特殊鋼襯砌。

根據(jù)相鄰兩環(huán)襯砌拼裝縫的位置不同，管片的拼裝分成通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝兩種形式。在線路曲線段通用環(huán)管片通過(guò)旋轉(zhuǎn)n倍的22.5°實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫拼裝。錯(cuò)縫拼裝比通縫拼裝在工程應(yīng)用上出現(xiàn)的晚，但由于在承受縱向力和保持成圓度方面比通縫拼裝優(yōu)越，所以在很多工程中被大量應(yīng)用。

2 建立通用楔形管片族

Reivt建模平臺(tái)中族構(gòu)件的優(yōu)越性可能對(duì)后續(xù)算法思路、開(kāi)發(fā)量級(jí)產(chǎn)生很大影響。描述一個(gè)物體的空間姿態(tài)至少需要3個(gè)維度的自由變量，以盾構(gòu)襯砌環(huán)自身作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立相對(duì)坐標(biāo)系，可以得到3個(gè)變量，分別是控制XOY平面內(nèi)水平轉(zhuǎn)角α，控制YOZ平面內(nèi)俯仰豎向轉(zhuǎn)角β，還有最關(guān)鍵的與盾構(gòu)襯砌圓環(huán)法平面垂直、控制K塊圍繞軸心旋轉(zhuǎn)的γ。

為便于簡(jiǎn)化排布算法，通過(guò)自適應(yīng)族內(nèi)嵌公制常規(guī)族的方式建立內(nèi)徑5 900 mm、外徑6 600 mm、管片厚度350 mm、軸心環(huán)寬1 500 m的通用楔形盾構(gòu)襯砌環(huán)。

1）選用“公制常規(guī)模型.rte”族樣板，按照襯砌管片相對(duì)位置，通過(guò)“拉伸、放樣、空體剪切”等命令，分別建立6塊獨(dú)立管片實(shí)體并根據(jù)工程需要建立手孔、螺栓、預(yù)埋槽道、止水等細(xì)節(jié)構(gòu)造。見(jiàn)圖1。

2）在“自適應(yīng)公制常規(guī)模型.rte”族樣板中參照標(biāo)高平面，在原點(diǎn)及間隔1 500 mm處繪制2個(gè)自適應(yīng)點(diǎn)，利用自適應(yīng)點(diǎn)的空間特性在項(xiàng)目環(huán)境中調(diào)整水平旋轉(zhuǎn)和豎向俯仰姿態(tài)；設(shè)置“中心（左/右）”為當(dāng)前工作平面并在其上以原點(diǎn)為起點(diǎn)繪制一條參照線，其與參照標(biāo)高的夾角定為實(shí)例參數(shù)“轉(zhuǎn)角”。

3）將獨(dú)立管片族內(nèi)嵌放置在與“中心（左/右）”平行的參照線平面上組裝成襯砌環(huán)，調(diào)整“轉(zhuǎn)角”參數(shù)能夠控制襯砌環(huán)。

3 盾構(gòu)隧道初始理論排布

在盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)中，盾構(gòu)襯砌軸心的投影并不是完全落在線路中心線上；由于線路超高設(shè)計(jì)的需要，其線路中心線（鋼軌間距的中心點(diǎn)連線）和隧道中心線（盾構(gòu)環(huán)圓心）的平面投影線，在曲線段往往不重合，因設(shè)計(jì)速度和線路轉(zhuǎn)彎半徑的不同，兩者之間的偏移值Δ不同。線路設(shè)計(jì)圖一般僅給出隧道中心線與線路中心線的偏移值以及漸變偏移的設(shè)計(jì)原則。

對(duì)于一段標(biāo)準(zhǔn)直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線的線路，直線段隧道中心線與線路中心線重合，圓曲線段隧道中心線與線路中心線有固定的偏移值；而在緩和曲線長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隧道中心線相對(duì)線路中心線從緩和曲線起點(diǎn)ZH到終點(diǎn)HY按計(jì)算點(diǎn)至緩和曲線起點(diǎn)的長(zhǎng)度與緩和曲線長(zhǎng)度的比例線性遞變偏移（隧道中心線向曲線內(nèi)側(cè)偏移）。見(jiàn)圖2。

線路中心線圓曲線段，對(duì)應(yīng)的隧道中心線利用CAD或者Revit的偏移命令容易繪制，但緩和曲線段一般是回旋線，疊加線形偏移后，不再具有普通可解析的特征方程，難以通過(guò)解析的方法獲取精確的隧道中心線曲線。

3.1 確定隧道設(shè)計(jì)中心線

Dynamo是一款內(nèi)嵌于Revit的可視化編程式建模工具，擁有靈活的點(diǎn)、線、體圖元的節(jié)點(diǎn)函數(shù)和開(kāi)放式的PythonScript對(duì)象化編程環(huán)境。從線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)入手，利用Dynamo處理離散化圖元的優(yōu)勢(shì)，在計(jì)算機(jī)可處理的有限精度內(nèi)，離散化線路平縱曲線，同時(shí)利用Python腳本處理緩和曲線段偏移問(wèn)題。

1）由設(shè)計(jì)圖紙截取區(qū)間有效平曲線、縱曲線、特殊點(diǎn)里程（起點(diǎn)、終點(diǎn)、直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)）、交點(diǎn)處曲線偏移值（根據(jù)曲線偏轉(zhuǎn)方向左正右負(fù)）。

2）利用特殊點(diǎn)將平曲線分成直線段、緩和曲線段、圓曲線段。

3）緩和曲線等比例離散化處理，獲取離散點(diǎn)處曲線法線方向向量和離散點(diǎn)平面坐標(biāo)（x，y），計(jì)算緩和曲線偏移值，分別用list列表進(jìn)行存儲(chǔ)。

4）將緩和曲線離散點(diǎn)沿著法線方向，向曲線內(nèi)側(cè)移動(dòng)指定的偏移值。

5）連接偏移后的離散點(diǎn)，通過(guò)以直代曲的方式擬合偏移后的緩和曲線。新緩和曲線的起終點(diǎn)與相鄰直線或偏移后的圓曲線相接處的坐標(biāo)一致。

6） 將平縱曲線按照同樣的合適數(shù)量進(jìn)行離散化，取縱曲線離散點(diǎn)的縱坐標(biāo)，作為z軸坐標(biāo)，與平曲線離散點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）對(duì)應(yīng)，可得到離散化的線路中心線空間曲線坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)而得到偏移處理后的理論空間隧道中心線[6]。

3.2 盾構(gòu)襯砌自動(dòng)化排布

盾構(gòu)襯砌排布指的是沿著理論設(shè)計(jì)隧道中心線按一定的算法得到每環(huán)盾構(gòu)襯砌的空間位置和空間姿態(tài)。由于盾構(gòu)襯砌環(huán)存在一定的楔形量，為避免通縫排布，盾構(gòu)環(huán)在自旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致楔形盾構(gòu)環(huán)的理論中心并不能完全落在理論隧道中心線上，兩者會(huì)存在一定偏差。

首先按照標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)環(huán)長(zhǎng)度將理論隧道中心線離散化；然后確定初始環(huán)姿態(tài)建立局部坐標(biāo)系， 通過(guò)初始環(huán)確定第二環(huán)所在旋轉(zhuǎn)平面的坐標(biāo)系，再分別計(jì)算第二環(huán)的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)方向，從而確定多個(gè)第二環(huán)的中心點(diǎn)位置，在得到的所有點(diǎn)中選則離理論隧道中心線最近的點(diǎn)作為最優(yōu)點(diǎn)。若最優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)封頂塊處于正下方，則選擇距離次小的點(diǎn)作為最優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)上述過(guò)程，計(jì)算出優(yōu)化的盾構(gòu)理論排布結(jié)果。

3.3 附屬設(shè)施自動(dòng)排布

盾構(gòu)區(qū)間的附屬設(shè)施，無(wú)論道床、軌道、軌枕、扣件、疏散平臺(tái)等土建設(shè)施，還是接觸網(wǎng)、管線、信號(hào)燈、照明燈具等設(shè)備設(shè)施，均可以通過(guò)Dynamo節(jié)點(diǎn)工具根據(jù)平縱曲線、里程表，自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件所處空間坐標(biāo)、方位角實(shí)現(xiàn)沿線路布置。見(jiàn)圖3。

4 工程應(yīng)用

天津某地鐵線路區(qū)間里程范圍為右DK14+511.968～右DK15+513.574，長(zhǎng)1 001.606 m，右線有長(zhǎng)鏈0.371 m，底板埋深約17.2～24.0 m，頂板埋深約10.1～17.5 m。本段區(qū)間隧道全線敷設(shè)于地下，采用盾構(gòu)法錯(cuò)縫排布施工。左右線盾構(gòu)襯砌共1 323環(huán)。見(jiàn)圖4。

通過(guò)工程實(shí)例的驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)計(jì)算偏差最大值為15 mm，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的±50 mm的施工誤差，可以滿足工程的需要。見(jiàn)圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)Revit可視化編程軟件，從離散化線路擬合平縱曲線出發(fā)，充分考慮了隧道中心線與線路中心線在曲線的偏移關(guān)系，從工程角度最大程度模擬盾構(gòu)襯砌的排布形式和空間形態(tài)，得到更符合工程實(shí)際的三維模型，為盾構(gòu)隱蔽工程呈現(xiàn)了可視化的效果，有助于方案匯報(bào)展示，同時(shí)為盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源分析、進(jìn)度動(dòng)態(tài)模擬等后續(xù)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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