盾构管片自动建模方法研究及应用

魏章俊，陈 前，肖 云，孙有恒

（1.中铁建华南建设有限公司，广东 广州 511458；2.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510335）

0 引言

近年来，BIM 技术在建筑领域中应用得越来越成熟，而在城市轨道交通工程领域中的应用还处于发展阶段［1，2］。未来几年，全国将会有超过 103 个城市开展轨道交通建设，新建城市轨道交通 2 000 km 以上，涉及投资约 1.6 万亿元［3］。随着国家对城市轨道交通建设的大力支持，BIM 技术势必会在轨道交通工程建设中具有广阔的发展前景。国内外学者也已经开始对 BIM 技术在城市轨道交通建设中的建模及应用进行研究［4，5］。张良等［6］研究如何应用 BIM 技术进行盾构管片的参数化建模，并以此处理施工过程中遇到的问题。贾璞敏等［7］研究了 BIM 结合 VR 技术在盾构推进前的施工准备中的应用。刘涛［8］研究利用 Visual Lisp 语言对 AutoCAD 进行二次开发，编制盾构隧道管片参数化设计程序，验证参数化在管片设计中的可行性。方黄磊［9］结合当前轨道交通地下区间 BIM 设计的现状与需求，从建模软件选择、建模标准、构件库搭建等方面进行研究。上述成果涉及到盾构管片模型创建的方法，主要建模软件采用的是 AutoCAD 和 Revit，提出了许多有价值的建模方法，但建模软件单一，缺乏多种软件创建的模型集成应用和模型基于施工管理平台中的应用分析。

本文以广州市轨道交通 18 号线为研究对象，采用Dynamo 插件生成盾构隧道中心线，基于 Micro Station 软件二次开发出一套盾构管片自动排布插件，后利用插件创建区间盾构管片模型，基于盾构区间模型开展多个 BIM 应用。结合实际项目探索出一条盾构管片建模及应用的技术路线，模型的精度和准确率较高，同时根据项目特点定制开发的盾构管片自动建模工具使建模效率提高，模型更能贴切项目实际，具有较高的利用价值。模型与区间地质模型合模进行风险分析及可视化展示，能指导施工单位提前发现风险区域，采取相关措施降低风险的发生。基于施工管理平台，模型上传到平台后进行派工单、完工标识、安全质量问题定位等应用，搜集现场施工过程中产生的数据，通过数据分析帮助管理者提高项目管理水平。

1 建模软件选择

目前，市面上主流 BIM 软件主要包括美国欧特克公司以 Revit 为核心的 BIM 系列软件，美国奔特力公司以 MicroStation 为基础平台开发的 BIM 系列软件，法国达索公司以 CATIA 为核心的 BIM 系列软件等。

地铁盾构区间隧道是在一段狭长的区间由圆形的管片环拼装而成的结构，盾构区间线路在平面上由直线段、缓和曲线段及圆曲线段组成，在纵断面上还存在上坡及下坡，所以整个盾构区间隧道中心线是一条三维空间曲线。针对盾构区间上述特点选择一款或多款 BIM 建模软件，能方便快捷地创建盾构隧道 BIM 模型显得很有必要［10］。经过对多种 BIM 建模软件的比较分析，再结合本项目的实际需求，同时考虑到盾构隧道结构狭长、变曲线、模块化的特点，最终决定采用 Revit+Dynamo 结合 MicroStation 来创建盾构区间管片拼装模型。采用的方案是，先利用 Revit 结合 Dynamo 创建隧道中心线，再通过 MicroStation 软件根据隧道中心线并结合开发的自动建模插件来创建盾构区间管片拼装模型。

1.1 Dynamo 参数化设计软件

Dynamo 是一款高效的参数化设计工具，可以基于Revit 软件实现可视化编程及设计［11，12］。用户在软件操作界面按照一定的规则逻辑将软件预定义或者自定义的节点进行连接，如图 1 所示。通过输入、程序处理和输出的过程在 Revit 中创建和处理复杂的模型，本项目通过利用其自动化建模的优势将三维坐标数据自动在 Revit 中创建隧道中心线。

图1 通过坐标创建点

1.2 Bentley 软件

奔特力软件公司致力于提供全面的可持续性基础设施软件解决方案，基于 MicroStation 基础平台开发了上百款针对不同专业的软件，包括用于房建设计的OpenBuildings，用于市政道路设计的 OpenRoads，用于工厂三维设计的 OpenPlant 等软件［13］。奔特力系列软件擅长处理复杂不规则的异型模型，对较大体量的模型运行速度较快，比较适合创建盾构区间管片这种长线性、大体量的模型。由于 MicroStation 软件自带功能不能直接通过读取隧道三维中心线创建盾构管片模型，故本项目在 MicroStation 软件的基础上进行了二次开发，开发出盾构管片自动排布建模插件，通过该工具很好地解决了上述问题。

2 建模介绍

2.1 盾构管片特点

本项目采用标准双面楔形通用环，该衬砌环由 1 个封顶块（F）、2 个连接块（L 1、L 2）、4 个标准块（B 1、B 2、B 3、B 4）7 块管片组成，楔形量为 46 mm。衬砌环外径 8.5 m，厚 0.4 m，宽 1.6 m，如图 2 所示。其纵、环缝采用斜螺栓连接。衬砌环需满足以下拼装要求，衬砌环采用错缝拼接，且首先拼装 B 3 块管片，特殊情况下无法避免时，可局部采用通缝拼装，但不应连续超过 3 环。

图2 衬砌圆环构造图

2.2 开发思路分析

经过对盾构区间平纵断面图及管片衬砌构造图进行仔细分析，确定了本工具开发的基本思路。首先需要创建隧道中心线来约束管片的拼装路径，设计平面图上的线路是指线路中心线，并不是隧道中心线，在直线段二者是重合的，而在曲线段由于需要设计超高，所以二者是不重合的，如图 3 所示。区间盾构管片模型应依据隧道中心线来创建，利用 DTA 盾构计算方法通过对线路平纵断面线的分析，最终生成间隔为 1 m 的隧道中心线三维坐标数据。然后将隧道中心线三维坐标导入 Dynamo 软件中，在 Revit 体量族环境中生成点，通过样条曲线连接点生成隧道中心线。最后导出 dgn 格式文件用于后面在 MicroStation 软件中创建盾构管片模型。

图3 曲线段平面示意图

C # 是一种最新的、面向对象的编程语言。它使得程序员可以快速地编写各种基于 Microsoft.NET 平台的应用程序。同时 C# 语言对 MicroStation 软件兼容性较好，故本项目采用其作为二次开发语言进行功能开发。通过分析研究总结出需要解决的核心难点，主要包括盾构管片中心点严格按照隧道中心线进行排布，满足管片的错缝拼装原则，上一个盾构环管片的螺栓孔与下一个环的螺栓孔需对齐，管片环之间应排布紧密，不出现缝隙和碰撞。经过不断测试和算法优化，最终将上述问题一一解决，满足了实际项目需要。

3 工程应用介绍

3.1 工程概况

南村万博站—沙溪站区间南起南村万博站，线路出南村万博站后，向西北方沿番禺大道东侧行进，下穿番禺区交警队、番禺大道跨线桥后，向北方沿番禺大道西侧行进，下穿三支香水道，新沙五金塑料城后，在沙溪大道路口处至沙溪站。该段区间设计范围为盾构及矿山法段隧道，左线长 3 514.194 m，右线长 3 497.318 m。区间右线设置 4 处平曲线，曲线半径分别为 3 500、1 550、2 800、4 000 m；左线设置 4 处平曲线，曲线半径分别为 3 200、1 550、2 100、3 100 m。线路纵坡最大坡度为 11.2 ‰，最小坡度为 4.95 ‰，隧道顶最小埋深约 13.7 m、最大埋深约 30.6 m。穿越主要地层有＜6＞、＜6Z＞、＜7Z＞、＜7-3＞、＜8-3＞层，局部地段穿越＜9-3＞层。区间平面图如图 4 所示。

图4 区间示意图（单位：m）

3.2 数据整理

根据前面开发思路所述，需要将线路曲线转换成DTA 隧道中心线坐标，采用专业软件根据平纵断面图纸生成隧道中心线坐标数据表格，施工方参照该表格数据控制盾构机掘进进行管片拼装。该施工应用的表格包括里程、X坐标、Y坐标、Z坐标等数据，由于在 Dynamo 中创建隧道中心线只需要X坐标、Y坐标和Z坐标数据即可，所以需要将表格中的其他数据删除，只保留所需数据。

3.3 模型创建介绍

3.3.1 隧道中心线创建

Dynamo 可视化编程软件具有强大的参数化建模功能，能解决大量重复操作，使建模效率显著提高。通过与其他几款能创建空间三维曲线的软件进行对比，发现基于 Dynamo 利用 DTA 中心线坐标表来创建三维空间隧道中心线具有效率高、错误低的显著特点。Civil 3d 和 Bentley OpenRoads 均能根据平纵断面创建三维空间曲线，但是它们都是依据线路中心线来生成的，未考虑曲线段的线路中心线与隧道中心线会出现偏差，直接创建会导致创建出的线路不准确，经过换算处理虽也能创建准确，但是会比较麻烦，所以采用 Dynamo 进行创建。建模步骤是提前制作好能根据坐标点创建三维曲线的 Dynamo 程序，如图 5 所示。按照程序步骤，首先，读取隧道中心线坐标数据；然后，自动生成按照一定间距沿着隧道中心线排列的空间坐标点；最后，沿着空间坐标点在 Revit 软件体量样板族中生成样条曲线，该曲线就是需要的隧道中心线，左线隧道中心线如图 6 所示，将该文件导出为 DNG 格式文件供后面创建盾构模型用。

图5 Dynamo 节点程序图

图6 区间左线隧道中心线

3.3.2 盾构单元环创建

盾构单元环采用的是双面楔形通用环，也就是说整个区间均由一个标准的单元环拼装组成，通过控制其旋转角度进行拼装，满足直线段和曲线段的拼装要求。根据设计图纸在 MicroStation 软件中创建盾构单元环模型，按照先整体后局部的建模方式进行建模。先根据轮廓拉伸创建整个盾构圆环，然后将圆环根据图纸拆分成 7 个单元块。通过图纸立面视图可以看出盾构环两边被斜切，均带有坡度，在软件中创建倾斜的两个平面，再利用替换面功能将单元环变成带楔形量的单元环。最后，再进行单元环细部构造处理，通过空心拉伸、放样等操作创建螺栓孔、注浆孔及盾构块边界轮廓处理，最终创建好的盾构单元环如图 7 所示。

图7 单元环组装模型

3.3.3 管片拼装模型创建

将隧道中心线及单元环模型都创建好后，就可以利用开发出盾构管片自动排布建模插件对区间盾构管片模型进行创建。首先将插件安装到 MicroStation 软件中，新建一个项目，将前面导出的 DGN 格式隧道中心线文件参考进来，再将其合并到主文件，删除多余的点图元只保留一个隧道中心线图元。然后将创建好的盾构环单元文件载入到该项目中，在软件中找到安装好的插件并点击打开，选择盾构环单元文件，设置盾构环集合参数和旋转角度，最后点击选择盾构轴线进行拼装，鼠标再次点击隧道中心线软件就自动进行创建盾构管片拼装模型。由于是程序根据算法按照隧道中心线自动进行建模，大大提高了建模效率及准确率，创建完成的模型如图 8 所示。

图8 隧道管片拼装模型

3.3.4 模型处理

由于每段盾构区间的长度均不一样，区间长度由设计起始里程和终点里程决定，并不能保证都是一环盾构宽度的整数倍，这样就会导致实际拼装到盾构接收井处最后一环管片有可能会超出设计的终点里程。施工现场会将最后一环多余的部分进行切除，为了满足模型与实际一致，模型创建完成后还需对最后一环管片进行剪切处理，可以通过 MicroStation 软件的按曲线剪切实体工具将多余部分进行剪切。

3.4 模型应用

3.4.1 与三维地质模型合模

该工程区间地质条件复杂，盾构需要穿越多种不同的地质层，创建完区间盾构管片模型后，再根据区间详勘资料创建区间三维地质模型，将区间地质模型与盾构管片拼装模型进行合模，可基于模型进行任意位置剖切，能直观展示出盾构在掘进过程中所穿越的地质层，提前进行风险预判，基于模型对穿越的风险地质区域进行分析，从而采取降低风险的措施，减少风险事故的发生。盾构管片模型与地质模型合模如图 9 所示。

图9 区间管片模型与地质模型结合

3.4.2 平台应用

模型创建完成后导出 IFC 格式文件上传至施工管理平台并开展相关应用。通过三维模型数据及施工信息的录入，可快速计算出施工的工程量及材料的使用量。在平台上基于模型进行派工，模型与计划关联，可通过模型直观了解到现场施工情况，哪些正在施工，实际施工情况与计划是否存在偏移，提示管理人员指导纠偏措施。基于模型进行施工质量管理，现场技术人员在进行安全质量巡检过程中对疑似有安全质量问题的地方通过手机端进行问题填报，问题最终会显示在平台上模型的具体位置，方便管理人员进行安全质量控制管理。现场已施工完的模型会在平台上显示完工标识，用特殊颜色显示，最终可通过平台上的模型直观展示项目整体完成情况。

4 结语

BIM 技术是一项新兴的数字技术，将信息化与建筑行业进行有机结合，正在引领建筑行业的一次史无前例的变革。本文以广州市轨道交通十八号线南村万博至沙溪站区间为例，采用 BIM 技术对盾构预制管片进行模型建立，阐述了运用 Dynamo 参数化设计软件结合Bentley 软件二次开发的管片自动拼装插件，创建出真实尺寸样式的管片模型，通过设置相关参数就能按照隧道中心线迅速创建出区间管片拼装模型。运用插件独特的算法解决了管片错缝拼装的问题，能按照技术要求的点位进行拼装，从而加快管片拼接速度，提高了管片拼接的准确性。盾构管片模型与区间地质模型有机结合及在施工管理平台上的应用，打破常规只对建模技术研究，在此基础上拓展了新的应用价值点，使其在实际施工中给项目管理带来有力帮助，为广州市轨道交通十八号线的成功建设发挥了积极的推动作用。Q