應用Bim 技術實現高鐵隧道洞口的精準建模

歐陽艷*

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南，714099）

應用Bim 技術實現高鐵隧道洞口的精準建模

歐陽艷*

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南，714099）

2011年住建部發布的相關文件，極大的推動了BIM技術在我國的應用，更多的施工企業開始將BIM技術作為投標合同的內容之一，以提高企業競爭力。CATIA作為BIM的核心建模軟件之一，在飛機外形設計、盾構掘進機刀盤設計、機械產品的設計及裝配等諸多領域成功應用，同時可為隧道工程精準建摸提供強大的平臺支持，目前很少有針對高鐵隧道復雜洞門精準建模的案例,本文以合福線鳳凰山隧道洞門為例，利用洞門輪廓真實坐標值，提出了應用CATIA V5中Generative Shape Design和Part Design模塊進行高鐵隧道復雜洞門精準建模的具體方法，將對后期隧道空氣動力效應分析、數值模擬、參數優化等工作有重要意義。

高速鐵路；隧道洞門；三維建摸；CATIA V5；創程式外形設計

引言

BIM——Building Information Modeling，即建筑信息模型。1975年創建，2002年開始在工程建設領域出現并發展。BIM技術最早誕生于美國，其BIM應用最為廣泛。在我國，長期以來，高鐵隧道都采用AutoCAD進行設計，利用平、縱斷面圖和橫斷面圖等設計圖紙進行施工和技術交底，其缺陷是不具直觀性，僅從二維圖紙很難認清隧道主體結構與周圍環境的關系，尤其不能反映圍巖的基本情況，對施工安全管理不利。采用三維建模則可以帶來便捷。由于政策支持，BIM技術已經從設計階段向施工階段延伸[1]，越來越多的項目招標合同將BIM作為亮點。應用BIM技術可將二維圖紙轉化為三維實體，提高可視性，進行各種模擬如施工模擬、節能模擬等，優化設計方案，進行成本控制，為后期的項目管理工作提供支持，其應用價值明顯[2]。作為BIM的核心建模軟件之一，Dassault公司的CATIA是全球最高端的機械設計制造軟件，應用到工程建設行業無論是對復雜形體還是超大規模建筑其建模能力，表現能力和信息管理能力都比傳統的建筑類軟件有明顯優勢[3]。如郭禹彤[4]利用CATIA建立飛機展開壁板數字化模型。程佰興，王作乾[5]應用CATIA進行盾構掘進機刀盤的有限元分析。李維學、王仲奇[6]等應用CATIA V5進行產品自動裝配。高鐵隧道曲線形的結構輪廓、曲線形的構件如鋼拱架、基于曲線輪廓放置的錨桿等都適合采用CATIA作為設計平臺實現精準建模。

高鐵隧道洞門在設計時以美觀實用、簡潔大方、保護環境為原則，摒棄了傳統的端墻式、翼墻式、臺階式等的洞門形式，多采用正切、斜切、倒切、弧形擋墻的形式。由于列車在通過隧道時，產生活塞效應，空氣會形成壓縮波，在隧道出口形成微氣壓波，導致噪音，為減小微氣壓波效應，我國高鐵隧道常采用帽檐斜切式洞門。而隧道洞門參數將影響隧道空氣動力效應[7]，因此對洞門進行精準建模是后續數值模擬、參數優化的基礎和關鍵。本文以合福線上的鳳凰山隧道洞門為例，提出了利用CATIA平臺進行復雜洞門精準建模的具體方法。

1 工程概況

合福線上的鳳凰山雙線隧道全長495m，速度目標值350Km/h，隧道所在區域屬于剝蝕低山區，地勢起伏較大，自然邊坡15o－25o。表層為粉質黏土，硬塑狀，下伏基巖云母石英片巖，地表水為孔隙潛水，地下水為基巖裂隙水。洞門和洞身圍巖均為Ⅴ級。出口及入口均采用帽檐斜切式洞門，斜切面坡度1：1.25，仰坡1：1.5。

圖1 洞門正面圖

圖2 洞門剖視圖

2 建模基礎

（1）充分識讀合福線雙線隧道洞門工程圖紙，搜集高鐵隧道帽檐斜切式洞門施工的現場圖片，理清洞門的空間結構，并在熟悉帽檐斜切式洞門施工工藝的基礎上，應用CATIA V5對隧道洞門進行精準建模。

（2）建立坐標系：在 CATIA V5軟件中新建一個名為suidaodongmen.CATPart的文件。首先建立坐標軸系。如圖1、圖2所示。Y軸指向線路延伸方向；X軸垂直于線路延伸方向；Z軸垂直于XY平面，為豎直方。同時設置原點位置 。

（3）建模單位設置：考慮與導入excel表格中的坐標值單位一致，減少由于換算導致的錯誤，設置建模的單位為mm。

（4）洞門結構沿隧道中軸面（洞門輪廓圖中所示Y-Z面）對稱，可利用洞門結構半側坐標值進行建模。

3 建模方法

3.1 建模思路

CATIA軟件建模的過程是由點生成線，由線到面，由面創建三維實體。基于坐標點控制線型，過程中根據空間距離值精確創建參考平面，從而保證由線生成的曲面或者由參考平面得到的曲面足夠精確，最終準確建模。

分析該隧道洞門正面圖和1-1剖視圖，該洞門形狀輪廓由A、B、C、D四條曲線確定，每條曲線均有半側控制點的坐標值，利用對稱可得曲線全部的控制點，在軟件中首先生成所有控制點，然后繪制四條輪廓線，由線創建曲面最終形成實體洞門。

3.2 建模具體過程

（1）輪廓線A的繪制，將A輪廓半側17個點的坐標值準確輸入名為GSD_PointSplineLoftFro的excel表格中，從左至右依次為每個坐標點的 X、Y、Z坐標值，如圖3所示。用 excel表格中查看宏并執行的命令將坐標導入到CATIA軟件中，由此可自動生成空間中17個控制點，

如圖4所示。選擇所有控制點運用與YZ平面對稱命令，得到另外17個控制點。

圖3 洞門控制點坐標

圖4 CATIA生成控制點

（2）進入Generative Shape Design模塊，運用樣條曲線命令，依次選擇33個坐標點，形成洞門輪廓A曲線。其余三條曲線同法可繪制得到。

圖5 洞門輪廓樣條曲線

圖6 洞門四條輪廓樣條曲線

（3）創建帽檐曲面：運用橋接曲面命令，選擇第一條曲線為曲線B，第二條曲線為曲線D，如圖5 、圖6所示。設置完成確定，得到第一個曲面。后橋接曲線D、C和橋接曲線A、B，形成帽檐外表面三個曲面，如圖7所示。

圖7 帽檐曲面

圖8 創建參考平面

（4）創建洞身襯砌輪廓曲面：首先創建一個參考平面 1，使其為 ZX平面的偏移平面，設置偏移值為 18000mm。如圖8所示。運用拉伸命令將樣條曲線C沿Y軸拉伸至參考平面1。采用同種方法將曲線 A進行拉伸，得到后續部分襯砌內外輪廓，如圖9所示。

圖9 襯砌內外輪廓面

圖10 隧道洞門實體

（5）創建洞門實體：運用橋接命令將底部和后部形成曲面。將所有曲面進行接合。運用封閉曲面命令形成實體。如圖10所示。

4 結束語

Catiav5三維建模的基本思路是由點到線，由線到面，由面生成體。本文通過導入鳳凰山隧道洞門輪廓線坐標值，利用catia v5 中Generative Shape Design 模塊生成樣條曲線，由曲線橋接生成面，利用Part Design模塊，將所有曲面封閉形成實體，實現了復雜洞門基于坐標值的精準建模。

[1]賀靈童. BIM在全球的應用現狀[J]. 工程質量,2013,(3)： 12-19.

[2]程建華,王輝. 項目管理中 BIM 技術的應用和推廣[J]. 施工技術,2012： (8)：18-21.

[3]何關培. BIM和BIM相關軟件[J]. 土木建筑工程信息技術,2010,(12)：110-117.

[4]郭禹彤. 基于 CATIA 的飛機展開壁板數字化模型建立研究[J]. 現代工業經濟和信息化. 2016,(15)： 114-115.

[5]程佰興,王作乾. 基于 CATIA的盾構掘進機刀盤的有限元分析[J].機械設計與制造,2008,(6)： 22-24.

[6]李維學,王仲奇,康永剛,等. 基于CATIA V5二次開發的產品自動裝配[J]. 制造材料,2010,(1)： 40-43.

[7]張雷,楊明智,張輝,等. 高速鐵路隧道洞門對隧道空氣動力效應的影響[J]. 鐵道學報， 2013,(11)： 92-97.

[8]李延. 寶蘭客專石鼓山隧道BIM技術的研究及應用[J]. 鐵路技術創新,2014,(5)： 64-65.

[9]李君君,李俊松,王海彥. 基于 BIM 理念的鐵路隧道三維設計技術研究[J]. 現代隧道技術,2016,(2)： 6-10.

Apply Bim Technology to Construct Three-dimensional Model Accurately of the Tunnel Entrance

OUYANG Yan*
(Shaanxi Railway Engineering Vocational and Technical College,Shanxi Weinan,714099,China)

In 2011,the related documents issued by the department of housing construction have greatly promoted the application of BIM technology in China. More construction enterprises have begun to use BIM technology as one of the contents of the tender contract in order to improve the competitiveness of enterprises. As one of the core modeling software of BIM,CATIA has been successfully applied in many aspects,such as design of aircraft shape,design of cutter in shield tunneling machine,design and assembly of Mechanical product and so on,and it can provide powerful platform support for constructing three-dimensional model accurately in tunnel engineering .At present,there are rare cases of precise modeling of complex tunnel doors in high-speed railway. This paper is taking Feng Huang Shan tunnel door of Hefei -Fuzhou railway as an example,using the true coordinates of the profile on tunnel door. it proposes the concrete method of constructing three-dimensional model accurately of the complicated high - speed railway tunnel entrance by using generative shape design and part design of catia v5,it has important significance in the analysis of Tunnel aerodynamic effects,numerical simulation and parameter optimization on late stage.

high - speed railway，tunnel door，Three-dimensional modeling ，CATIA V5，Generative Shape Design

U455

A

1672-9129(2017)06-0072-03

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.025

歐陽艷. 應用Bim技術實現高鐵隧道洞口的精準建模[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 72-74.

Cite：OUYANG Yan. Apply Bim Technology to Construct Three-dimensional Model Accurately of the Tunnel Entrance[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 72-74.

2017-02-05；

2017-03-08。

歐陽艷（1982-04），女，陜西渭南，講師，碩士研究生，研究方向：土木工程。

Email：kdzp001@163.com