基于可视化编程的盾构隧道参数化建模与数值分析

2024-05-15周广腾严摇铃李刚朱斌

安徽建筑 2024年4期

周广腾，严摇铃，李刚，朱斌

（1.安徽省交通工程质量安全管理服务中心，安徽合肥 230051；2.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

盾构法是一种广泛应用于城市轨道交通领域暗挖隧道施工的全机械化施工方法，该方法具有施工安全性高、环境影响小等优点。采用盾构法施工的隧道，一般采用预制装配式衬砌。该衬砌由工厂预制，在盾构尾部拼装。在衬砌结构设计方面，不同设计条件下的荷载模型和结构模型的选取尚无明确统一的规定，需要由设计者结合工程经验和项目实际情况综合分析，通常需要借助有限元方法进行数值模拟研究。若采用传统有限元分析软件自带的前处理工具进行几何建模，因隧道线路平纵曲线的存在，建模难度较大，对使用者技术水平要求较高。采用可视化编程工具Dynamo，则可以以脚本的形式，通过组织连接预先设计好的功能节点来表达数据处理的逻辑，从而创建出一个可执行的程序。借助可执行程序快速便捷地完成复杂几何构造、参数化造型设计等工作。本文借助Dynamo 软件编写参数化建模程序，完成隧道几何建模，然后导入ANSYS workbench 完成有限元数值分析，从而总结一套基于可视化编程的盾构隧道建模与数值分析方法。

1 可视化编程原理

对于一些复杂构件，传统软件完成精细化建模难度较大。为提高建模效率，往往需要根据工作需要，由相应的专业技术人员进行软件二次开发，这对使用者技术水平和工程经验提出了较高要求。可视化编程也被称为可视化程序设计，与传统编程方法相比，可视化编程追求“所见即所得”，通过编程工作的可视化在一定程度上使编程工作对用户更友好[1]。依托可视化编程工具提供的以脚本为基础的编程方法，工程设计人员可以在可视化图形化的界面上通过嵌入或链接相应的节点实现复杂几何图形的生成以及数据的处理，从而构建符合任务需要的流程和算法，实现对原始数据信息的高效自动处理与表达，高效完成建模工作。本文依托Dynamo 可视化编程插件实现关系定义和算法创建，进行数据处理，从而在三维空间中生成几何图形。

2 盾构隧道建模要点

盾构管片是盾构工法施工的重要装配构件。盾构机中的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘与压力舱、支撑周围土体的盾构钢壳；盾构机中的“构”则是指构成隧道衬砌的管片以及壁后注浆体[2]。盾构管片承担着抵抗水土压力以及其他荷载的作用，是隧道的最内层屏障，同时也是盾构法隧道的永久衬砌结构。盾构管片的设计和施工质量对隧道结构整体的质量和安全有直接影响，并与隧道的防水性能及耐久性能强相关。盾构隧道建模的重要内容之一是对盾构隧道管片的建模。一般根据工程实际情况、规范要求及设计计算结果来确定盾构隧道管片的结构设计参数，其中，管环的外径、厚度、管片环分块数及转弯环楔形量是结构建模主要参数。

在隧道设计中，管片的外径尺寸主要需要结合隧道的线形、净空断面尺寸、盾构机的型号、地层影响等因素进行考虑。另外，施工过程中经常存在的拟合误差、地层不均匀沉降等也是设计中需要考虑的因素；管环厚度设计需要考虑的因素主要有隧道结构覆土厚度、围岩条件、隧道类型等；环宽设计需要在经济成本、当前施工水平以及对隧道结构整体性的影响中取得平衡，一般来说，管片加宽可以减少隧道整体拼接缝，较好地提升隧道整体性与结构的纵向刚度，对结构抵抗变形的能力较为有利，但从生产角度来说，环宽过宽对管片的制作、运输和拼装不利，并且管环加宽会降低盾构机掘进时的灵活性；管片的分块设计需要考虑管片生产、制作、储存、运输等过程，以及对隧道整体质量和隧道整体结构刚度等方面的影响。一般而言，减少的管片分块越少对提高隧道整体稳定性越有利，但管片分块个数过少会影响施工便利性，因此应结合项目实际需要综合确定；当采用转弯环与通用管环的衬砌类型时，需要考虑楔形量设计，管环楔形量主要依据路线曲率半径、隧道截面尺寸、管片的宽度以及盾尾间隙尺寸等因素进行设计。上述因素均是盾构管片设计的重要构造参数，需要在参数化程序编写时着重考虑，通过参数化操作这些关键变量来控制管片模型的创建[3]，达到快速建模的目的。

3 参数化建模方法

参数化建模是随着计算机技术而兴起的一种计算机辅助设计方法，目前已在工业设计等领域广泛应用。采用参数化建模，可以根据应用场景和对象特性灵活调整设计，适用于盾构隧道等项目设计。采用参数化建模的方式进行隧道建模，设计者在对隧道线形调整后，模型会自动更新，程序能够根据规则捕获设计意图，设计者也能更准确地定义模型在进行某些调整后应有的响应方式，从而能够自动创建同一项目中不同的隧道区间，缩短设计周期。

从基本原理上来说，所谓的参数化建模就是把建模过程中所使用到的各种规则、意图和所用方法等，根据使用者意图和设计规则而改变的参数进行描述。具体到盾构隧道设计上，就是使用特定的、能反映盾构隧道相应技术特征的参数对隧道几何体进行描述，并且将相应的隧道结构特征参数与盾构隧道几何形体之间进行参数化、数字化的关联约束，使各参数之间形成有机整体。通过各隧道建模参数间一一对应的约束关系，设计人员在类似项目间只需要改变某个或某些隧道结构特征参数的具体数值，相应的软件程序就可以自动识别并使用已经进行参数化设计的尺寸特征对隧道几何图形进行驱动。参数化建模方法克服了传统CAD 建模对几何元素进行表述时采用的尺寸值一旦确定不能随意更改的弊端。采用传统方法进行隧道建模时，要修改模型必须要先删除原几何元素，之后再重新绘制或构建新的几何元素，这使得设计人员不得不反复进行大量的删除和重新绘制工作，制约了工作效率。相比而言，参数化设不仅提高了设计准确度，也提高了设计优化效率，同时提高了工程设计行业的信息化程度。目前主流的参数化建模方法有三种，即基于生成历程的过程构造法、基于几何推理的人工智能法、基于几何约束的变量几何法。本文主要采用基于几何约束的变量几何法建立参数化模型。

首先利用Revit 软件创建管片族。选用“自适应公制常规模型”的族样板，按管片一般构造示意图绘制好用于辅助的模型线，利用参照线的弧线绘制出标准块的内外弧。利用所参照的点图元，绘制出内外弧线的端点以及中点。将上述点变成自适应点，并采用参照直线和弧线连接。需要注意自适应点的顺序，后续管环的快速组合过程以及隧道的快速生成过程均与自适应点的顺序有关。然后利用参照线绘制平面，并把前述自适应点所构成的平面垂直向下复制一倍管片厚度的距离。复制后的自适应点按一定顺序进行命名。通过前述生成的平面创建出实体形状，并给出制作好的自适应管片族所需的材质参数。生成的管片族见图1。

图1 管片族

图2 盾构隧道建模程序

然后利用Dynamo 软件进行可视化编程，将管环中每一个管片的点位确定好，从而实现管片的快速拼装。可视化程序的主要思路为首先调用程序自动获取线路信息，然后根据管片内径与管片厚度生成圆，然后根据管环参数如管片个数、拼接角度等分割圆并在圆上生成点，生成并调整参数列表，根据列表指定自适应管片放置位置，最后调用之前制作的自适应管片族，结合参数列表生成盾构隧道模型。

执行盾构隧道建模程序，生成某隧道模型如图3所示。

图3 盾构隧道模型

4 基于BIM模型的有限元分析

对盾构隧道模型进行数值分析，能够得到不同地质环境中盾构隧道周围土体和衬砌结构本身的内力和变形规律，进而为工程设计和施工提供指导[4]。传统的建模方式操作繁琐，几何建模难度大。前述内容已经解决了盾构隧道几何建模问题，本文将借助Dynamo 建立的几何模型，采用ANSYS Workbench 作为有限元分析工具进行数值分析。Workbench 是ANSYS 公司提出的协同仿真环境，ANSYS Workbench 仿真平台能对复杂系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟，适用于多种工程问题求解场景[5]。根据第3 节方法完成建模后，导出SAT 格式文件。在workbench 中导入SAT 文件，定义材料参数和分析参数，完成有限元分析前处理。本计算仅用于验证模型的可用性，因此对分析模型作简化处理，仅考虑自重荷载，边界条件仅考虑土对隧道的弹性支撑，分析结果如图4、图5所示。