基于BIM技術的隧道洞口二三維同步設計方法研究

徐 博

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著近幾年鐵路投資的不斷增加,山嶺隧道占比越來越大。隧道洞口作為隧道工程的重要組成部分,在施工及運營安全方面發揮著至關重要的作用。在施工期間,合理的洞口及明暗分界位置、臨時邊坡及排水設計能夠確保隧道安全進洞,并在雨季與地震等作用影響下保持穩定。在運營期,科學有效地設置隧道洞口永久坡面防護、明洞等工程能夠防止在極端條件下洞口危巖落石、滑坡等造成的安全事故,確保運營安全。由此可見,隧道洞口設計合理與否將直接關系到后續隧道施工、運營階段的安全[1-3]。

目前傳統的隧道洞口設計方法是基于二維等高線圖點繪或通過實測線路橫斷面,采用“帶帽法”進行隧道洞口設計,通過不斷的迭代試畫,最終確定所有設計參數,設計過程耗時費力。確定設計參數時,沿線路方向缺少連續性。在淺埋、偏壓等復雜地形、地質情況下存在一定范圍的設計盲區。設計人員難以準確掌握隧道洞口填挖邊界,給填挖方工程數量計算、洞口排水、坡面防護等設計精度造成較大影響[4-5]。為解決上述問題,從設計角度出發,研究了隧道洞口二三維同步設計方法,并基于BIM技術建立了符合鐵路隧道設計習慣的三維隧道洞口設計系統。

在研發隧道洞口輔助設計軟件方面,目前國內高校及設計院均有相關研究成果。閆智[6]基于MicroStation采用MVBA技術開展了基于BIM的鐵路隧道洞門輔助設計研究,提出了參數化設計洞門結構及附屬工程、仰坡的方法;何守旺[7]在AutoCAD Civil3D環境下通過.NET API接口實現了隧道洞口位置的選擇、數字地形的建立與洞門結構的參數化設計功能;黃琦茗等[8]等提出了在MicroStation下參數化創建帽檐斜切式洞門的流程與方法,開發出能夠高效創建帽檐斜切式洞門模型與計算工程數量的程序;李俊松等[9]通過洞門參考圖提取關鍵幾何參數,實現了基于實際線路的洞門模型快速實例化;伍丹琪等[10]針對斜切式洞門提出基于4條輪廓線要素的參數化設計方法,并在高鐵項目中進行了驗證。但現有研究多為針對特定洞門類型設計或在設計參數已確定的情況下,建立相應的數學模型,通過參數化生成洞門結構模型;亦或其輸出成果僅為三維模型,不能同步生成二維設計文件滿足當前法定文件交付格式的需求。從工點設計角度來看,并未充分利用線路、地形等邊界條件。在系統性方面也未涵蓋比較完整的設計內容解決方案。可見,符合隧道工點洞口工程設計流程的三維輔助設計系統仍有必要探討研發[11-13]。

1 隧道洞口設計重難點分析

在隧道洞口設計時,應嚴格遵循“早進晚出”“順應實際地形”“減少開挖,盡量保持邊仰坡穩定”“重視洞口排水系統”的設計理念與原則[14]。因此,在隧道洞口工程設計過程中做好洞門結構選型、關鍵里程確定、填挖方設計、洞口排水設計等工作就顯得尤為重要[15-17]。

1.1 洞門結構選型

設計人員在設計之初應針對隧道洞口地形、地質特點,因地制宜選取合適的洞門類型。通常需要通過觀察線路走向與等高線的交角或手動點繪橫縱斷面確定洞門類型[18]。當線路與等高線基本垂直時可選擇斜切式或端墻式洞門;當線路與等高線相交角度較小時則采用臺階式洞門;當洞口地勢比較平緩時,為確保施工與運營安全,還需要考慮設置明洞洞門。傳統采用基于典型斷面的設計方法具有明顯的局限性,當洞門“帽子”放置在橫斷面相應位置后,設計人員只能通過平面和特定的剖面,抽象地判斷洞門結構是否在三維環境下與當前地形相適應,很難確保當前洞門結構是否符合綠色環保等要求。

1.2 關鍵設計里程確定

隧道洞口關鍵設計里程有隧道洞口里程及明暗分界里程,應同時兼顧最小進洞安全覆土厚度和最小洞口開挖量的要求。關鍵里程的選取將直接關系到隧道進洞施工安全。采用手工點繪橫斷面,通過不斷試畫迭代雖然能夠確定上述關鍵里程,但當線路平、縱設計發生變化后,設計人員需要重復上述步驟再次確定相關里程。設計過程費時費力,且不能實現精確的關鍵里程卡控。

1.3 填挖方設計

在隧道洞口設計中,應盡可能減少對洞口的刷方與擾動[19]。但大多數隧道洞口設計仍不可避免涉及洞口挖方。一方面是為獲得比較穩定的臨時邊坡和永久邊坡,同時能夠確保隧道進入暗洞前留有足夠的安全覆土厚度;另一方面,在明挖段還會涉及洞口填方設計。二維設計通常選取洞口典型斷面進行邊、仰坡設計及明洞回填設計,而在繪制平面圖時就會遇到開挖邊界及回填邊界難以確定的問題,只能以點帶面的簡化繪制。這樣會對工程數量計算及邊坡擋護設計精度造成一定影響。

1.4 洞口排水設計

洞外排水主要由截水溝、平臺排水溝、回填頂面排水溝與側溝組成。截水溝是防止地表水進入隧道范圍的第一道防線,能夠有效降低施工期間坡面浸水失穩的風險。截水溝設計跟洞口開挖邊界線有一定關聯。根據坡面地質特性,一般距離坡口線5～10 m設置截水溝,并根據不同的自然坡降,選用不同的水溝基礎類型[20]。在二維設計中,開挖邊界線主要是通過線路中線至邊、仰坡坡口水平距離卡控確定的,只能大致反映開挖線的趨勢。因此,也會導致截水溝的平面設計精度不高。

由此可見,采用傳統方法進行隧道洞口工程設計具有明顯局限性,亟需研究新的設計方法,提高設計質量與效率。

2 隧道洞口BIM設計方法研究

2.1 基礎平臺選擇

實現隧道洞口工程三維設計要求基礎建模軟件具備以下功能:①BIM建模能力;②地形模型創建與剪切能力;③對線路要素的支持程度;④二維出圖能力。經過對3款主流BIM軟件進行建模測試,對比情況如表1所示。

表1 隧道洞口三維建模適應性測試統計Table 1 Adaptability test statistics for 3D modeling of tunnel portal

對比發現,Autodesk平臺的Civil3D與Bentley平臺的OpenRailDesigner在對地形與線路中線的支持程度上相當,但從三維建模能力與對地形編輯靈活性上來說,OpenRailDesigner具有明顯優勢。Revit本身是針對建筑行業的軟件,對線狀工程支持不是很好,尤其在線路空間定位和地形建模能力方面相對較弱,最終選擇OpenRailDesigner軟件作為基礎平臺進行研究。由于隧道洞口設計需要基于地形與線路中線開展空間定位與建模,采用手動方式設計過程繁瑣復雜,效率較低,本研究采用C++/C#混合編程方式輔助實現設計過程。利用C++對部分圖形處理的底層算法進行封裝與優化,功能層開發采用開發效率較高的C#.net API接口實現。

2.2 系統設計

2.2.1 系統架構

根據隧道洞口設計流程與業務特點,系統架構主要可分為3層,分別為數據層、業務邏輯層和交互展現層,如圖1所示。數據層主要包括:地形數據、線路數據、設計模板和存儲設計信息的數據庫。業務邏輯層主要完成各設計內容的算法實現與交互邏輯,是本系統最為核心的部分。交互展現層主要實現用戶操作過程中的信息獲取與表達,分別通過界面交互、對象交互和圖模同步來實現。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

2.2.2 系統功能

隧道洞口工程設計流程一般分為:①地形模型建立;②創建線路;③洞口位置選擇;④洞門結構選型與設計;⑤邊仰坡設計;⑥回填設計(洞門接明洞時);⑦截水溝設計;⑧其他附屬結構設計;⑨出圖與算量。考慮OpenRailDesigner自身具有比較完備的地形、線路模型創建功能,地形模型可導入.TIF,.XYZ,.TIN等常用地形文件格式直接生成地形模型。線路中心線可以通過系統自帶的交點法或積木法直接進行線路設計,本文不再贅述。其余功能通過API接口采用二次開發的方式進行二三維同步設計。根據以上思路,將系統分為7個功能模塊,如圖2所示。

圖2 系統功能模塊Fig.2 System function module

2.2.3 數據庫選型與設計

由于在隧道洞口設計過程中,可能會出現同一洞口設計多個對比方案,為便于設計版本管理,需將設計數據以工程文件的方式與模型同步存儲。選取使用和維護方便的Sqlite數據庫。該數據庫是一種進程內的輕量級嵌入式數據庫,數據庫本身就是一個文件,無需安裝與配置,能夠按系統需求進行靜態或動態連接并訪問其中的數據。

系統數據庫主要用于存儲隧道洞口信息及各部分的設計參數,主要由表2數據組成。

表2 數據庫表結構Table 2 Database table structure

2.3 主要設計功能實現

2.3.1 項目管理

為有效管理設計數據,使系統具有更好的可擴展性與健壯性,對系統數據按照系統級、項目級和工點級3個層次進行管理。各級數據分類如表3所示。

表3 數據分級描述與適用范圍Table 3 Data classification description and scope of application

2.3.2 隧道洞口位置選擇

首先,利用導入的地形數據,在OpenRailDesigner地形模塊中生成地形模型;然后,導入線路中線.dgn。根據隧道洞口地形條件試選一種洞門模板,初步輸入一個洞口里程,系統根據線路里程繪制線路法線方向的剖面線。通過設置步距,點擊向大或向小里程剖切,在預覽窗口中動態繪制橫剖面,并顯示當前剖面線在縱斷面中的位置。通過觀察隧道結構與地面線的位置關系設計人員就能快速確定隧道洞口里程與明暗分界里程,如圖3所示。

2.3.3 洞口邊仰坡與回填設計

(1)邊仰坡設計

隧道洞口邊仰坡設計主要包括隧道洞口臨時邊坡及永久邊坡設計。本系統研發提出通過事先在洞口設計模板特定圖層中標記點A1、A2、A3、A4、B、C、D、E、F、H、O1、O2、O3作為邊坡設計的特征點,如圖4所示,各特征點的作用如表4所示。加載相應的洞口設計模板后系統能夠自動識別特征點,設計人員通過輸入設計參數能夠動態驅動設計預覽圖。設計人員按照坡率:坡高:平臺寬的接坡規則輸入臨時、永久邊坡與仰坡設計坡率。確認設計參數后系統自動結合三維地形生成邊仰坡刷坡模型,如圖5所示。

圖4 隧道洞口設計模板特征點分布Fig.4 Distribution of characteristic points in portal design template

圖5 隧道邊、仰坡三維模型Fig.5 3D model of tunnel edge and front slope

表4 洞口設計模板特征點功能描述Table 4 Function description of feature points in portal design template

(2)明洞回填設計

如果選擇明洞洞門模板,則系統首先會根據回填高度h及O1、O2、O3點的自然坡度自動測算并推薦回填坡度,以便回填面與自然地形相匹配,設計人員可根據推薦值對坡比取整或微調。

(3)草圖預覽與模型生成

預覽窗口能夠根據預覽設置對三維地形進行動態剖切與剖面預覽,為確保預覽的靈活性,對剖切橫向范圍與線路中線偏移量進行參數化控制。根據邊、仰坡及回填設計參數,設計草圖能夠同步在橫斷面及縱斷面預覽中動態顯示,見圖6。設計參數初步確定后,系統會自動在三維視口創建三維設計模型,用于驗證初步設計參數是否合理,如需對設計參數進行調整,則可在參數區動態調整以確定最終洞口邊仰坡及回填設計參數并輸出回填BIM模型,如圖7所示。

圖6 洞口設計草圖預覽Fig.6 Preview of 3D model opening design sketch for tunnel portal

圖7 回填BIM模型Fig.7 Backfilling BIM model

2.3.4 洞門結構設計

洞門結構從洞門外觀角度大致可分為斜切式洞門與端墻式洞門。斜切式洞門(正切/倒切)與地形關聯度相對較小,標準化程度高,具有較高的復用性,可作為參數化共享單元存入構件庫,在設計時按需調用。端墻式洞門具體可衍生出臺階式洞門、翼墻式洞門等,此類洞門一般需要根據洞口實際地形設置端墻形狀及臺階尺寸,比較靈活,可參數化程度低,因此,適合采用交互式輔助建模的方法,以便留給設計人員較大的設計自由度,系統提供手動繪制端墻輪廓并根據輪廓自動生成端墻頂帽沿的功能,并通過墻厚、仰角等參數自動生成洞門結構模型并計算端墻圬工數量,如圖8所示。

圖8 端墻式洞門結構設計Fig.8 Design of end wall portal structure

2.3.5 其他附屬結構設計

(1)截水溝設計

隧道洞口截水溝設計與線路設計類似,需要分別進行平面、橫斷面與縱斷面設計,基于系統自帶的廊道設計功能進行二次開發。首先,在洞口平面視圖中根據開挖邊界線走向繪制截水溝平面線條;再根據地形縱剖面設計水溝縱坡。結合地形及地質情況選擇合適的水溝截面類型,為避免設計人員面向復雜的廊道橫斷面約束設計器,系統對常用的Ⅰ式～Ⅵ式水溝截面進行了參數化封裝,如圖9所示。為輔助設計人員快速選取合適的水溝截面類型,系統構建了坡度評價機制,即通過對水溝橫向地面坡度進行(0～30°,30°～45°,>45°)比重分析,給出“較緩、較陡、很陡”3個等級評價,并推薦與之匹配的水溝斷面類型。選取不同的水溝橫斷面類型后能夠激活相應的橫斷面參數,設計人員根據水文資料填入具體水溝尺寸。由于水溝基礎開挖會引起局部地形填挖處理,設計人員在界面中設定填挖方坡率規則,系統便能夠自動實現水溝兩側填挖方模型創建。

圖9 隧道洞口截水溝設計Fig.9 Design of intercepting ditch at tunnel portal

(2)洞口超前管棚設計

隧道洞口超前管棚設計包括導向墻及管棚參數設計。主要控制參數有導向墻的厚度、長度,管棚的布設范圍、外插角、管徑、間距等。本系統通過交互界面填寫設計參數,在二維預覽窗口中進行動態預覽,確定參數后系統生成三維模型,并根據線路數據計算定位坐標與方位角,將模型放置到正確的空間位置,如圖10所示。

圖10 洞口超前管棚設計Fig.10 Design of advance pipe shed at tunnel portal

2.3.6 工程數量計算

受隧道洞口地表自然起伏、刷坡面形狀不規則等因素影響,準確計算隧道洞口工程數量成為二維設計長久以來的難點。本次針對不同工程類型算量特點采取以列方式計算。

(1)洞口填挖方工程數量:通過構建刷坡面、回填面、原始地形進行布爾運算,將形成的包圍構造轉化為mesh對象,得到洞口開挖體與回填體,通過特性查詢獲得精確的填挖方體積。

(2)實體構件工程數量:對于通過交互式輸入設計參數創建的實體結構對象,結合設計參數直接統計其長度、個數等工程數量。

(3)坡面防護工程數量:二維設計時,坡面防護工程數量計算的難點在于坡面總面積難以準確計算,在三維環境下,通過拾取坡面子對象,由系統對坡面面積進行累加獲得邊坡總面積。而單位面積工程數量能夠通過設計參數精確計算得出。二者相乘后便能精確計算出洞口整體坡面防護工程數量。

2.3.7 二維出圖

隧道洞口出圖一般包括:洞口平面圖、橫斷面圖及縱斷面圖。對于平面出圖,由于在交互設計過程中已在三維環境下創建了三維模型,洞口平面圖只需將地形三角網轉化為等高線顯示模式后直接采用平面投影的方式實現。洞口橫斷面圖與縱斷面圖通過參數驅動與動態繪制的方式實現二維出圖。設計模板主要用于通過驅動特征點實現圖形變化。而其余設計參數如坡率、錨桿長度與間距、回填參數等則由系統調用繪圖函數動態繪制。圖紙信息設置與二維出圖效果如圖11所示。

圖 11 隧道洞口二維出圖效果(單位:cm)Fig.11 2D mapping effect of tunnel portal (unit: cm)

3 主要創新點

3.1 可動態擴展的設計模板

為適應不同類型洞口設計,提出可參數驅動的模板“特征點”,能夠被系統自動識別并判斷開挖與回填基準。設計人員能夠將“特征點”規則應用到自定義隧道洞口設計模板,有效提升了本系統的可擴展性與通用性。

3.2 二三維互動式設計

針對隧道洞口設計與現場地形特征強耦合的工程特點,提出采用二、三維同步設計的方式進行隧道關鍵里程選擇、洞口開挖與回填設計。充分利用二、三維表達方式的優勢,利用二維視口精確卡控設計幾何參數;通過三維視口對設計成果進行全方位動態監視與調整,實現了隧道洞口的精細化設計。

3.3 智能化截水溝設計

充分利用OpenRailDesigner對地形的自適應特性,通過二次開發封裝了常見水溝類型,并對地形坡度分析,實現了自動推薦水溝類型,快速創建適應地形的水溝模型功能,有效降低了設計難度,提高了設計效率。

3.4 基于中心數據庫的二三維同步設計

系統實現了基于同一數據庫的設計參數,分別驅動繪圖函數生成二維圖紙與三維BIM模型,使設計人員對同一設計內容只設計一次,極大地減輕了設計人員工作強度。

4 結語

從實際設計業務需求出發,結合鐵路隧道洞口工程設計重難點,基于OpenRailDesigner 軟件,研發了鐵路隧道洞口二、三維同步設計系統,實現了隧道洞口位置選擇、邊仰坡與回填設計、洞門主體結構及附屬工程設計、主要工程數量計算與二維出圖功能。通過在西安至安康、西安至十堰高速鐵路中的實際應用表明,該系統滿足一般鐵路隧道洞口端墻及斜切式洞門設計需求,能夠較好契合鐵路業主提出的二維圖紙附加三維BIM模型的交付要求,顯著提升了隧道洞口設計效率與質量。

目前,該系統能夠適用于一般常規地形下隧道洞口設計,對于特殊地形情況下,如半明半暗進洞、小間距雙洞單線隧道等設計工況,由于其地形條件變化靈活,設計規則可標準化程度低,仍具有一定的局限性。在洞口工程數量完備性上還需要根據不同工點洞口防護類型持續優化與完善。