专业论文｜基于3DEXPERIENCE平台的盾构隧道参数化设计研究
▲专业论文｜基于3DEXPERIENCE平台的盾构隧道参数化设计研究
（作者：齐成龙 中国铁路设计集团有限公司）
国内外学者基于主流BIM平台，发挥BIM软件的参数化设计优势，开展了大量的管片三维空间排布设计研究，但这些研究成果普遍存在自动化程度不足、不适用于局部块体预埋槽道的大直径盾构隧道等问题。为此本文介绍一种基于达索系统3DEXPERIENCE/CAA架构开发的盾构管片空间排布程序，与3DEXPERIENCE平台的参数化和精细化设计功能相结合，可实现考虑局部块体预埋槽道的区间盾构隧道BIM正向设计。本程序包括用户交互模块、数据存储模块和骨架设计模块。用户交互模块用于工具条和用户交互窗口的实现；数据存储模块用于输入和输出数据、管片环位置姿态数据的存储和表达；骨架设计模块考虑多层次约束条件，实现最优管片环空间位置姿态筛选，并批量创建骨架坐标系。本文为基于达索系统3DEXPERIENCE/CAA架构的其他BIM技术研究提供了借鉴。
接触网作为动力供给线，以往多采用后植螺栓的方法安装。该方法存在材质易腐蚀、人工机械打孔造成管片不可逆损伤、施工效率低下、环境污染严重等问题。预埋槽道技术可解决上述问题，地铁项目一般采用全环预埋的方式设置槽道。但是由于结构尺寸大，铁路盾构隧道全环预埋槽道会造成巨大的工程量浪费，因此一般采用局部块体预埋的方式。
许多学者在以管片排布为核心的盾构隧道BIM设计方面进行了研究，并取得丰硕成果。陈曦基于Revit开发Dynamo插件，实现区间管片全过程自动拼装。崔晓使用Dynamo开发可视化脚本程序，在脚本当中进行Revit族文件引用、坐标系旋转，最终自动生成符合线路曲线特征并满足错缝拼装要求的大直径盾构隧道BIM模型。王晓东在Revit新建管片族，通过三个自适应参照点实现对管片环空间位置和旋转角度的绑定，完成管片批量BIM建模。
既有研究成果，在一定程度上实现了盾构管片三维空间排布设计，但普遍存在自动化程度不足等缺陷，且不适用于局部块体预埋槽道的大直径盾构隧道。本文基于达索系统3DEXPERIENCE/CAA架构开发盾构管片空间排布程序，与达索系统3DEXPERIENCE的基础建模功能相结合，实现局部块体预埋槽道的区间盾构隧道BIM正向设计。
盾构隧道参数化BIM设计分为通用管片环BIM建模、管片定位骨架设计、管片BIM模型批量实例化三步。
图1 参数化设计流程
基于达索系统3DEXPERIENCE/CAA架构开发盾构管片空间排布程序，通过用户交互模块，数据存储模块和骨架设计模块实现其功能。用户交互模块用于创建工具条和用户交互窗口；数据存储模块用于输入和输出数据、管片环位置姿态数据的存储和表达；骨架设计模块实现了最优管片环空间位置姿态的筛选功能，并批量创建骨架坐标系。以下依次介绍各模块的关键开发技术。
管片空间排布程序运行时需要用户手动选择用于存储输入、输出数据的几何图形集以及初始管片定位骨架，这些都属于用户交互的功能范畴。用户交互模块的开发分为创建工具按钮和创建用户交互窗口两部分。
工具条采用Add-in 的方式添加，为了将骨架批量建模功能嵌入到零件设计模块，Add-in必须首先实现CATIPrtCfgAddin接口。再通过CATAfrCommandHeader::CATCreateCommandHeader()成员函数使添加的工具条与骨架批量建模命令关联，以实现在已有零件设计模块中添加按钮，用户点击按钮，激活骨架批量建模命令。
首先创建用户交互窗口Dialog文件，该文件与骨架批量建模命令所在文件相互独立。在骨架批量建模命令文件中，通过对CATMmrPanelStateCmd类的派生，重载GiveMyPanel()方法，使包含骨架批量建模命令的派生类与Dialog文件关联。对话流程操作是通过骨架批量建模命令文件对BuildGraph()方法的重载实现的。
图2 以代理为核心的命令状态转换流程
理论上讲，在没有任何约束的情况下，0 ~ 360°任何一个角度都可以作为管片环的相对旋转角度，但在实际工程中管片环相对转角需要满足以下四个层级的约束：①相邻管片环的纵向螺栓孔必须对齐。②管片错缝拼接的要求，因为通缝时整体刚度小于错缝，破坏时迅速失稳。③增加对封顶块在下方布置区域的限制，因为实际施工中应避免封顶块朝下的不利工况。④预埋槽道块必须位于管片环的正上方。
为了清晰表达当前管片相对于前一环的旋转位置，以及当前环的绝对旋转位置，建立用于表达管片环旋转姿态的X′OY′参考坐标系和XOY绝对坐标系，见图3。
图3 参考坐标系、绝对坐标系、环向分区之间的关系
本程序读取表格后，使用TunnelInputClass类，存储X′OY′参考坐标系与XOY绝对坐标系重合时管片环的可用相对旋转角度序列、管片环下方限制区域、各块体的初始和结束分区的编号等数据。
使用结构体类型的对象TunnelSegmentResultStruct存储每环管片的排布结果。具体包括管片环编号及里程、管片环中心与隧道理论中心线的距离、管片相对于前一环沿顺时针方向的转角（以分区数目的整数倍表达）、当前环K块所在的纵向螺栓孔分区编号、当前环正上方的块体编号、当前管片是否预埋槽道。
考虑四层约束条件，计算当前管片环相对于前一环的可用旋转角度序列，流程见图4。
图4 用于生成可用转角序列的GenRotateAreaAvailable()函数执行流程
考虑错缝拼接，依次判断K块是否位于下方限制区域、当前是否为预埋槽道环、正上方块体是否预埋槽道，最终得到可用转角序列。
图5 最优值筛选
已知管片i，确定i+1及后续各管片的位置需要两个关键步骤：①将管片i+1的初始端面坐标系绕Z轴旋转；②建立每个管片环初始端面坐标系与前进端面坐标系的相互关系。
图6 关键步骤
广湛高铁湛江湾海底隧道全长8.5km，位于湛江市区，下穿湛江海湾，最大埋深约31m，为250km/h双线盾构隧道，出于精细化设计和信息化建设管理的需求，对本隧道开展BIM设计，见图7。
图7 广湛高铁湛江湾海底隧道BIM设计
针对盾构管片三维空间BIM设计存在的自动化程度不足、不适用于局部块体预埋槽道的大直径盾构隧道等问题，本文基于达索系统3DEXPERIENCE/CAA架构开发管片空间排布程序，实现了考虑局部块体预埋槽道的区间盾构隧道BIM正向设计。
本程序包含用户交互、数据存储和骨架设计三个重要模块。用户交互模块通过Add-in和代理机制创建工具条及用户交互窗口。数据存储模块以纵向定位螺栓的环向分区为基准，建立X′OY′参考坐标系和XOY绝对坐标系，存储和表达管片环的位置及姿态数据。骨架设计模块考虑多层次约束条件，计算管片环的可用相对旋转角度序列，以轴线偏差最小为原则，筛选最优的管片环相对转角，最后调用达索系统软件API，批量生成管片定位坐标系模型。
使用本程序，并结合达索系统软件的模型实例化等功能，成功实现了广湛铁路湛江湾海底隧道BIM设计。
（本文精选自论文：齐成龙. 考虑预埋槽道的盾构隧道参数化BIM设计研究[J/OL]. 铁道建筑.）
齐成龙（1986-），男，国家一级注册结构工程师，中国铁路设计集团有限公司高级工程师。同济大学工学学士、工学硕士，台湾逢甲大学财务金融研究所交换生，发表EI、核心等中、英文学术论文近40篇。拥有极其丰富的铁路工程勘察设计及BIM技术研发应用经验。
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