基于OpenBuildings Designe r的参数化建模在水工隧洞设计中的应用研究

赵双益，欧阳君，田 涛

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

1 概 述

OpenBuildings Designer（以下简称OBD）是Bentley软件公司旗下的一款功能全面的BIM建模设计软件,广泛应用于水利水电、建筑、矿冶、道路和桥梁等基础设施行业。BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)是以三维数字技术为基础并集成建设工程及设施相关特征信息的工程数字模型，可以通过数字化的形式完整地表达工程项目的相关特征信息。BIM技术应用于水利水电工程中，各专业协同设计，从建模、技施出图到成果展示都有很大的优势，既可以直观地展示工程整体三维效果，也可以利用模型计算工程量以及技施出图，但是目前在水利水电工程设计中推广BIM技术仍然有许多困难，其中重要的原因是大部分BIM软件中水工模块较少，很多水工结构构件没有现成的模板可用，每个项目都需要根据不同的结构尺寸特征重新建模，构件可重复利用率很低。如果能对水利工程结构构件进行参数化设计并创建水工建筑物参数化元件库，在不同的工程建模过程中只需修改元件的参数就可以快速生成设计模型，建模和设计效率将有所提高。

OBD内置基本的三维建模模块及建筑、结构、机电等专业模块。用OBD创建模型后，可将模型导入Navigator软件中进行碰撞检查，也可将模型导入LumenRt中进行渲染，制作漫游动画。同时OBD具有强大的参数化建模功能，以距离、角度、函数表达式来定义变量，以平行、垂直、重合、固定、同心、相切等二维和三维约束来确定各元素的相对位置关系，利用点、线、曲面、实体的方式来构造参数化模型。OBD中将组成建筑的各个部分称为单元，软件中单元可分为单元、复合单元、DGN单元、参数化单元四类。参数化的定义是，通过修改参数的方式来改变对象的形体大小。参数化单元是指由OBD创建的参数化对象，其几何形体可以在软件中用参数驱动的单元。前三类单元不能通过修改参数的方式来改变单元形体的大小。创建参数化单元和创建普通单元的方法类似，在参数化模型建立后，用创建普通单元的命令勾选参数化选项建立参数化单元，这样就可以用参数来驱动模型。自定义对象是OBD特有的功能，把模型的参数化变量链接到OBD数据集工具自定义编辑器中，做成参数化的自定义对象，这样就可以把已经建立的模型导入其他类似的工程项目中，只需通过修改属性命令，就可以直接修改模型的参数，从而调整模型的尺寸大小，满足同类工程的建模和设计需要，避免重复劳动，提高设计工作效率。OBD参数化建模的流程如图1。

图1 OBD参数化建模流程

犬木塘水库工程是一个以灌溉为主，结合城乡供水，兼顾灌区水生态环境改善以及航运、发电等综合利用效益的二等大（II）型水利工程，建设内容包括枢纽、灌区两大部分。九龙岭隧洞全长19.26 km，设计流量29 m3/s，洞身采用城门洞型式，为无压隧洞。隧洞穿越泥盆系及石炭系地层，沿线地质情况复杂；采用钻爆法开挖施工，工期为60个月，是犬木塘水库工程施工的控制性工程。本文以九龙岭隧洞工程为例，采用OpenBuildings Designer软件对A2型断面隧洞洞身进行参数化建模，并分析模型在工程中的应用。

2 三维参数化建模

隧洞在设计过程中都需要根据本段地质情况及自身过流要求，调整洞身尺寸及支护方式，重复性工作较多，为实现快速建模及修改，对洞身进行三维参数化设计是十分必要的。OBD软件参数化工具主要在约束工具栏中，其中[fx变量]命令用来定义变量，[按元素]、[距离]、[角度]等命令用来给对象赋予已经定义的变量，二维约束和三维约束用来确定对象的相对位置关系。约束工具栏如图2所示。

图2 约束工具栏

OBD软件创建参数化模型具体方法和步骤如下:

1）建立局部变量。首先对隧洞进行分析，选取合适的控制参数。隧洞洞身的参数包括底板宽度、侧墙高度、拱顶角度、初衬厚度、超前注浆小导管长度及外插角、小导管间距、排水孔角度及长度等变量，以及半径、拱顶高度等因变量，如图3所示。

图3 建立局部变量

2）绘制点、线、面、体等各种对象，通过约束的形式把变量赋予给各对象，以平行、垂直、重合、固定、同心、相切等二维和三维约束来确定各对象的相对位置关系，如图4所示。建立参数化动态标准截面和相关构件（工字钢、超前注浆小导管、锁脚锚杆、排水孔等），这些构件本身也是参数化的，同时这些构件都能随着隧洞截面的变化而自动变化，如图5所示。每个对象都有其自由度，不能缺少约束，也不能过度约束，缺少约束，对象的位置和形体大小不能确定；过度约束，软件会报错或运算时出错。

图4 给对象赋予变量和约束

图5 参数化动态标准截面及构件

第一个难点在于如何约束拱圈的圆弧，起点、圆心和终点可以确定一段圆弧，但是圆弧有内外两个方向，如果不能确定圆弧的方向，圆弧的位置是可以变化的，如图6所示。这时可以采用创建辅助点的方式，在圆弧的某个方向上定一个点，先约束这个点，再把圆弧与点进行二维约束，这样就可以确定圆弧的方向。

图6 拱顶圆弧具有两个方向

第二个难点在于如何创建参数化的沿径向外插的超前注浆小导管。需要先创建一条垂直于截面的辅助线，约束这条线，在相对坐标系里创建一根沿径向外插的小导管，约束小导管与辅助线的角度，再阵列这根小导管。需要注意的是，不能使用普通阵列的方式，必须使用阵列参数化实体特征命令，这些构件才能随着截面的变化而自动变化。

第三个难点在于如何实现工字钢的形状根据隧洞截面的变化而动态变化。解决方法是在隧洞截面上提取轮廓线，将轮廓线与隧洞截面约束，再以这条轮廓线为路径进行参数化放样，这样当隧洞截面参数变化时，工字钢也能根据隧洞截面的变化而动态变化。

3）在参数化动态标准截面和构件的基础上，通过放样、拉伸实体、阵列等命令建立参数化的隧洞实体模型，九龙岭隧洞A2型断面隧洞洞身模型如图7所示。A2型断面底板宽5 000 mm，侧墙高3 700 mm，拱顶角度120°，超前注浆小导管外插角为5°。

图7 参数化隧洞实体模型

4）把参数化的隧洞实体模型做成参数化单元，不同尺寸和支护方式的设计截面可以直接调用该参数化单元，只需在调用的时候修改相应的参数即可。九龙岭隧洞其他设计断面都可以通过修改该单元参数获得，同时该参数化单元也可以应用于其他工程项目中。例如某工程中隧洞底宽为8 000 mm，超前注浆小导管外插角为15°，模型在曲线段（曲线也是参数化的，模型可以根据不同的曲线参数自动变化），如图8所示。

图8 曲线段的参数化隧洞实体模型

5）参数化自定义对象。把该模型的参数化变量链接到OBD数据集工具自定义编辑器中，做成参数化的自定义对象。在类似的工程项目中，只需通过修改属性命令，就可以直接修改自定义参数，从而满足不同工程项目的设计需要。采用三维参数化建立的隧洞模型，具有较高的应用价值，模型可以重复利用于其他类似工程。

3 工程量统计、出图和结构计算

1）统计工程量。参数化模型建立之后，给模型不同的结构部分赋予相应的应用样式，如：C25钢筋混凝土初衬、C15挂网喷护混凝土、I16工字钢拱架等，然后使用OBD软件自带的工程量统计工具统计工程量，导出详细或简易的数据报表。

2）出图。制定统一的企业级出图规则，如文字样式、标注样式、线型、剖面填充图案等图面元素样式。OBD软件采用DV（Dynamic Views）动态切图技术，可以实现图纸与模型的动态关联，方便地获得剖面线型线宽和图案填充，同时得到构件信息，然后进行尺寸标注及图纸说明完成最终的设计图纸。

3）结构计算。水利工程BIM/CAE智能化集成平台计算软件，是对OBD软件进行二次开发，打通了建模到计算的整个过程。在OBD中运行模型检查，将模型输出到ANSYS结构计算软件中，再在ANSYS中进行相应的模型处理，完成结构计算。

4 结 语

采用OBD软件对隧洞洞身进行参数化建模，然后把参数化的隧洞模型做成参数化单元和自定义对象，可以有效减少模型修改的工作量，提高建模效率，并且模型可以重复利用于不同的工程项目中，减少设计人员的重复性工作。OBD软件具有批量打印、渲染、动画、施工模拟、统计工程量、出图等功能，同时对OBD软件进行二次开发，在ANSYS中完成模型的计算，这样可以提高设计效率和准确率，更好地服务于工程设计方案的成果汇报、建设期施工及后期运营管理。