基于Navisworks 平台的矿山法隧道风险评估软件开发及应用

卞桂荣，刘旭，李昂，龚济平，胡小波

（1.中交第三航务工程局有限公司南京分公司，江苏 南京 210011；2.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032；3.河海大学，江苏 南京 210098）

0 引言

BIM 技术作为信息化的有效载体，对于实现工程建设过程的可视化、集约化管理具有重要作用，Navisworks 作为BIM 技术中具有可视化管理、施工模拟演示等功能的应用平台，在实现隧道数据管理的基础上，可以利用三维真实感图形的形式表达地质和结构对象的空间分布、空间关系及属性特征等[1-2]，可以使地质分析更为灵活、直观、准确，因而引起工程设计和施工人员极大的兴趣，并已成为当前隧道工程领域的研究前沿和热点。相比BIM 应用逐渐成熟的建筑业，隧道工程信息化水平较低，虽然由于手工绘图被计算机辅助设计替代，隧道工程设计的工作效率得到了显著的提高，但其本质是一种离散的资源管理模式，与BIM 所具有的集中的资源管理模式相差甚远。隧道工程不同于工业、民用建筑工程，有其自身的特点[3]。其中复杂的地质条件和项目管理模式可能成为矿山法隧道BIM 应用的最大瓶颈，这也导致了矿山法隧道BIM 设计应用案例极少[4-7]。本文将基于Navisworks 平台对矿山法隧道进行二次开发，实现矿山法隧道的施工风险评估结果的集成管理。

1 工程实例

本工程实例选取的是北京高丽营隧道，北京至沈阳客运专线高丽营隧道起点里程DK33+310，终点里程DK34+510，全长1 200 m。其中，DK33+310—DK33+730 段及 DK34+160—DK34+510 段为明挖段，长770 m；DK33+730—DK34+160 段为暗挖段，长430 m。本隧道位于北京顺义、昌平郊区所在的平原区，主要位于顺义区和昌平区辖区内，需下穿六环主路及酸枣岭立交A、D、C 三条匝道（由南向北排序）。

2 矿山法隧道的Dynamo 参数化建模

隧道的BIM 建模需要在Revit 中导入隧道中心线的平面图和纵断面图，由编译好的Dynamo脚本导出中心线控制点的三维坐标至Excel，再生成隧道的三维中心线。在Dynamo 中运用节点“Select Model Element”与“Element.Geometry”来获取中心线的曲线，中心线一般是由多段不同的多段线曲线与圆弧线组成，因此需要运用节点“List.Flatten”将曲线信息进行列表拍平。列表拍平后通过Dynamo 中的自定义代码块节点“Code Block”将列表各项拆分，以便将获取的各项曲线信息整合。运用“Curve.Join”节点来逐项连接对应编号的曲线。接下来通过节点“Curve.Length”将曲线分割成2 700 段，并导出相应的平面曲线段起点的坐标点。提取曲线段的平面坐标点X 和Y，并同时将中心线纵断面图中的高程点Z 提取出来，通过节点“Point.ByCoordinates”导出，然后将提取出来的坐标点存储于Excel 表格中。

中心线坐标点建立后就可以创建自适应族，自适应点是用于设计自适应构件的修改参照点，通过捕捉绘制的几何图形称为自适应构件。以创建二类围岩最外层支护为例，在Revit 中新建族文件，然后导入CAD 横断面图，并将其图元分解；删除其它无关线条，只保留最外层支护线条，隧道断面中心处添加参照点图元，将点图元设置为自适应点；视图需转至立面并将所有图元沿Z 轴方向复制，通过外侧环状图元生成实体，内侧环状图元生成空心体，最后形成隧道外层支护三维实体，并保存为rfa 族文件。

相应的自适应族文件建立好以后就可以通过Dynamo 来进行组装，首先导入隧道中心线的数据，获取数据后运用节点“Point. By Coordinate”＞“Poly Curve. By Points”生成中心线，同时运用节点“List.Join”将两条中心线的坐标点数据列表整合。获取隧道的分段中心线后就可以运用节点“Family Types”和“Adaptive Component. By Points”组装所有配件并生成实体，最后运行程序生成模型，如图1 所示。

图1 试验段Dynamo 建模效果图Fig.1 Dynamo modeling effect of test section

3 矿山法隧道的模糊层次风险评估软件开发

3.1 需求分析

隧道工程建设投资大，施工工艺复杂、周期长，周边环境复杂，建筑材料和施工设备繁多，涉及专业工种与人员众多。反映隧道施工风险的指标有很多，如建筑规模、灾害发生频率、地形地貌、地层岩性、地质构造、岩体风化程度、气候因素、人类工程活动、经济损失、人员伤亡、环境破坏程度等等。但是对于隧道施工环境，由于各个工程地质条件不同，施工环境也不同，很难预测人员伤亡和经济损失，因此，以经济损失或人员伤亡角度来评价风险等级不能完全反映隧道施工风险的特点。需要采用一种能通过客观情况和主观经验综合的方法，在一定程度上反映隧道的安全状况。

3.2 功能设计

层次分析法能够把定性和定量资料有机地结合起来，对指标进行全面和系统的分析和评价，从而得出各个指标的组合权重，这样比单纯凭经验确定评价因素权重的专家咨询法更为科学，再者，层次分析法通过计算判断矩阵的标准化特征向量，可以对得分值进行一致性检验，因而其权重计算的科学性有明显提高。模糊层次综合评估法同时拥有层次分析法和模糊数学综合评判的优点，该方法克服了模糊数学综合主评判法中评价因素对评价对象的权重确定主观性强等缺点，因此，本文选用了模糊层次综合评估法来构建风险因素识别体系。

本次风险因素的识别主要从隧道施工的影响因素角度考虑，选择和风险产生直接相关，并能反映施工风险的因素进行评判，排除那些次要的或与风险关系不大的因素，确定可作为隧道施工风险等级评价的主要指标，软件中的主要功能可按照图2 中的结构指标进行分层设计。

图2 隧道施工风险影响因素的层次结构模型图Fig.2 Hierarchical structure model of risk factors in tunnel construction

3.3 功能实现

对项目风险的初步判断，量化项目各级风险因素的权重，划分项目风险等级，具体功能实现项目如下：

1）主要因素排序：针对客户的项目，列出该项目中风险的一级因素，客户根据实际情况输入风险因素相互之间的重要性对比情况，点击“排序”按钮计算并显示各因素占项目风险的权重。

2）次要因素排序：一级因素下细分成若干二级因素，客户输入二级因素相互之间的重要性对比情况，点击“排序”按钮后可以显示二级因素占项目风险的权重。

3）风险等级划分：客户根据实际情况输入各二级因素发生的可能情况，点击“风险等级划分”按钮后可以显示项目风险等级划分情况。

4 基于霍克-布朗破坏准则的矿山法隧道数值分析

由于本项目中的矿山隧道大多数情况是在软岩中进行开挖，因此在模拟时不适合选用传统的摩尔-库仑破坏准则来描述本构，需要采用适用于岩体的霍克-布朗破坏准则[8]。算例中使用Plaxis建模进行事故前后的隧道结构变形。建立好土层后则需要对不同的岩土材料进行参数设置，土层选取的本构关系为摩尔-库仑破坏准则，岩层选取的本构关系为霍克-布朗破坏准则。土层建立好后就可以直接利用隧道编辑器来创建隧道，隧道编辑器创建点的坐标是位于隧道底部的中点，输入坐标点后就可以在“剖面”选项中绘制隧道衬砌的轮廓线。轮廓线建立好后在属性中添加“锚杆”与“负向界面”。

建立好隧道后就可以进行网格划分，选择“中等”密度的单元格划分后得到相应的计算模型。为了模拟矿山隧道的开挖，必须要进行分布施工的计算。隧道开挖模拟需要激活衬砌的同时解除隧洞内的岩体部分，该计算部分为塑性分析。三维的拱体效应可以通过Plaxis 中内置的β 法来完成。该方法是将作用在隧道周边初始应力pk分解成（1-β）pk和βpk两部分，前者用于施加在未支撑的隧道上，后者用于施加在已支撑的隧道上。分布施工的第一分析步是将计算类型选择为“重力施加”；第二分析步是进行“塑性”计算，在设置第二步时需要激活隧洞区域的岩体，并将对象浏览器中的“Deconfinement（1-β）”设置为60%；第三分析步的计算类型仍为“塑性”，该分析步中需要把隧洞区域岩体的“Deconfinement（1-β）”设置为100%，并激活衬砌与锚杆部分。

分布施工设置完成后即可选择“生成曲线所需的点”来记录计算过程中所选节点的位移情况，待上述设置全部完成后则可以进行计算。图3 给出了围岩塑性区域示意图；由于隧道开挖的影响，隧洞顶部的岩体会形成小范围的塌落拱，位移等值线呈倒扇形分布，隧洞外侧的锚杆在一定程度上遏制了塌落拱的形成。从图中可以看出，围岩塑性区域，其影响范围大幅度减小，塑性区域只在隧道顶部、底部和岩层的层间出现。

图3 围岩塑性区域示意图Fig.3 Plastic zone of surrounding rock

5 矿山法隧道的Navisworks 插件开发

Navisworks 是一种可用于综合项目查看的软件，可以对项目进行分析、施工模拟以及交流设计图等，实现协同工作。它可以导入由Revit 平台生成的三维模型，对每一个具体构件进行细化操作，实现部分“数字孪生”的功能[9]。这种信息化管理平台具有可视化、动态化的优点，并提供了外部的API 接口，可以通过C# 编程语言来直接调用其函数库对相关信息功能进行拓展。

Navisworks 二次开发是在其已有的功能基础上拓展其它相关联的可视化应用，在现有的软件上定制修改、功能扩展，达到项目需求的功能，不改变原有系统的内核，能够更全面地满足用户对平台的各种特定需求。软件商将数据库函数内置于Navisworks 的API 接口中，使 Navisworks 二次开发更加便利。Navisworks 二次开发是通过界面插件的形式结合三维模型的构件超链接来实现，可以满足不同的用户需求灵活调整[10]。

Navisworks 开发环境是建立在Microsoft.NET Framework 的基础上，Navisworks API 允许开发人员通过C# 语言进行编程[11]。其开发流程是通过Navisworks API 应用.NET 开发环境来实现，流程如图4 所示。根据隧道风险评估与施工信息与BIM 模型结合的需求，需要在现有的软件上进行定制修改、功能扩展，达到项目需求的功能，不改变原有系统的内核。开发过程中利用Windows窗体来创建界面，界面中在由Revit 创建的三维模型上设置所关注的点位，并通过导入jpg 图像文件来实现查看各点位的信息功能，实现信息的集成查看功能。

图4 二次开发流程图Fig.4 Flow chart of secondary development

风险评估成果的展示主要功能是显示项目模型各标段对应的风险评估预测结果和施工信息，施工信息包括风险预测结果、掌子面照片、超前地质预报结果、仿真分析结果和监测数据等，使用时需要先安装好suidao.dll 动态链接库文件，安装完成以后在Navisworks 中会出现内置的“隧道BIM 平台”的窗口选项，然后在查看选项卡中选择“窗口”下拉菜单，再选择“隧道BIM 平台”即可打开选项卡，操作时需要先点击隧道三维模型标识中的字体，点击相对应的结果后可以弹出该位置的预存结果，具体展示细节如下：

1）施工风险预测结果：对于相应的监测点在风险评估软件中计算各区段的模糊层次评估法的评估结果，然后保存为图片，通过导入图片在Navisworks 中进行查看，对存在较大风险的区段进行“预警”标识；

2）掌子面和超前地质预报：导入、实时查看挖掌子面的现场真实照片和超前地质预报结果，包括掌子面岩性和渗水情况，方便对开挖风险进行实时评判。

3）仿真分析：对于相应的监测点在有限元软件中计算各区段的模拟仿真分析云图，然后保存为图片，通过导入图片在Navisworks 中进行实时查看，对模拟结果异常的区段进行“预警”标识；

4）监测数据：对于相应的监测点在Excel 中读取各区段的长期变形数据，通过导入图片在Navisworks 中进行实时查看，对模拟结果异常的区段进行“预警”标识导入、实时查看支护完成区段的长期变形数据。

6 结语

本文针对隧道参数化建模和Navisworks 二次开发方面开展了研究，形成了适用于矿山法隧道施工的BIM 信息集成方法。通过Microsoft.NET Framework 平台和照片的形式，并利用C#编程语言开发Navisworks 的拓展查看功能，在Revit 所建立的三维模型基础上整合了隧道施工现场的进度信息，该类信息可用于展示风险评估结果、掌子面情况、超前地质预报、隧道监测数据和仿真分析等结果，能够更直观地在BIM 模型中进行隧道施工风险的评估。主要研究成果及结论如下：

1） 研究形成了适用于矿山法隧道施工BIM建模方法，采用Revit 自适应族和Dynamo 自动连续放置族，形成精细的隧道模型。同时，建立了隧道构件族库和施工设备族库。

2）在施工开展前，采用模糊综合层次评估地质风险因素，开发了地质风险评估软件，用于评估隧道施工各区段的最大风险源。

3）在施工过程中，采用霍克-布朗破坏准则对注浆加固后的隧道结构-地层进行仿真分析，控制隧道施工风险。

4）在三维模型的基础上，利用C#编程语言开发Navisworks 拓展插件，用于展示风险评估结果、掌子面情况、隧道监测数据以及仿真分析等结果。

在隧道工程成本中，支护及维护费用就占40%～60%，因此根据地质风险评估情况调整优化超前支护及其他辅助施工措施，可以在保证施工安全程度的前提下，最大限度地节省施工经费。基于BIM 的隧道施工地质风险评估技术的研究与应用，可以为信息化平台软件的采购提供技术与指标参考，达到节约投资、提高效益的目的。