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      考慮預(yù)埋槽道的盾構(gòu)隧道參數(shù)化BIM設(shè)計研究

      2022-07-11 06:03:04齊成龍
      鐵道建筑 2022年6期
      關(guān)鍵詞:塊體預(yù)埋管片

      齊成龍

      中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308

      接觸網(wǎng)作為動力供給線,以往多采用后植螺栓的方法安裝。該方法存在材質(zhì)易腐蝕、人工機械打孔造成管片不可逆損傷、施工效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。預(yù)埋槽道技術(shù)可解決這些問題,地鐵項目一般采用全環(huán)預(yù)埋的方式設(shè)置槽道。但是由于結(jié)構(gòu)尺寸大,鐵路盾構(gòu)隧道全環(huán)預(yù)埋槽道會造成巨大浪費,因此一般采用局部塊體預(yù)埋的方式。

      眾多學(xué)者開展了以管片排布為核心的盾構(gòu)隧道BIM 設(shè)計方面的研究,并取得豐碩成果。陳曦等[1]基于Revit 軟件開發(fā)Dynamo 插件,實現(xiàn)區(qū)間隧道管片全過程自動拼裝。崔曉[2]使用Dynamo 開發(fā)可視化腳本程序,在腳本當(dāng)中進(jìn)行Revit族文件引用、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn),最終自動生成符合線路曲線特征并滿足錯縫拼裝要求的大直徑盾構(gòu)隧道BIM 模型。王曉東等[3]新建Reivt管片族,通過三個自適應(yīng)參照點實現(xiàn)對管片環(huán)空間位置和旋轉(zhuǎn)角度的綁定,完成管片批量BIM設(shè)計。

      既有研究成果在一定程度上實現(xiàn)了盾構(gòu)管片三維空間排布設(shè)計,但普遍存在自動化程度不足等缺陷,且不適用于局部塊體預(yù)埋槽道的大直徑盾構(gòu)隧道[4-8]。本文基于 Dassault 平臺 CAA 架構(gòu)開發(fā)盾構(gòu)管片空間排布程序,與Dassault 平臺的基礎(chǔ)建模功能相結(jié)合,實現(xiàn)局部塊體預(yù)埋槽道的區(qū)間盾構(gòu)隧道BIM 正向設(shè)計。

      1 盾構(gòu)隧道參數(shù)化BIM設(shè)計流程

      盾構(gòu)隧道參數(shù)化BIM 設(shè)計分為通用管片環(huán)BIM建模、管片定位骨架設(shè)計、管片環(huán)BIM 模型的批量實例化三步。

      1.1 通用管片環(huán)BIM建模

      充分利用Dassault 平臺的復(fù)雜幾何造型功能及其參數(shù)化設(shè)計優(yōu)勢,創(chuàng)建盾構(gòu)隧道通用管片環(huán)BIM 模型。利用knowledge pattern、rule 等知識工程工具以及EKL 參數(shù)化腳本語言,有效解決復(fù)雜曲面、孔洞等建模問題。

      根據(jù)三類管片塊的環(huán)向分布規(guī)律,使用Dassault軟件action 知識工程工具,通過EKL 腳本語言命令I(lǐng)nstantiateTemplate(),以分塊模板類型編號、沿環(huán)向起止邊界角度為輸入?yún)?shù),快速完成各分塊BIM 建模,形成通用楔形盾構(gòu)管片環(huán)參數(shù)化BIM模型。

      1.2 管片定位骨架設(shè)計

      基于Dassault平臺CAA架構(gòu)開發(fā)盾構(gòu)管片空間排布程序。該程序的用戶交互界面見圖1。

      圖1 程序的用戶交互界面

      創(chuàng)建盾構(gòu)管片定位骨架BIM 模型前,需要準(zhǔn)備程序輸入?yún)?shù),包括平面左線、隧道理論中心線、斷鏈表、輸入數(shù)據(jù)表等。由于縱向螺栓將管片沿環(huán)向均勻劃分成若干區(qū)域,各區(qū)域是相鄰管片環(huán)相對轉(zhuǎn)動的基本角度單元。輸入數(shù)據(jù)表描述了管片環(huán)各塊體與環(huán)向分區(qū)的相對關(guān)系,以及基本設(shè)計參數(shù)。

      用戶在交互界面的SelectInputSet和SelectOutputSet選擇框位置手動選擇輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的幾何圖形集,并完成其他參數(shù)設(shè)置后,批量創(chuàng)建管片定位骨架坐標(biāo)系BIM模型。運行結(jié)束后,程序在輸出的幾何圖形集中創(chuàng)建子集OrdinaryAxisGS、SlotEmbeddedAxisGS,分別存儲普通管片環(huán)、預(yù)埋槽道環(huán)的定位骨架坐標(biāo)系BIM模型。

      1.3 管片環(huán)BIM模型的批量實例化

      使用 Dassault 平臺中的 Assembly Pattern 功能,分別選擇上述程序生成的用于存儲定位骨架坐標(biāo)系BIM模型的幾何圖形集,以及管片環(huán)BIM 模板,自動完成管片環(huán)BIM模型的批量實例化。

      2 管片空間排布程序

      基于Dassault平臺CAA架構(gòu)開發(fā)盾構(gòu)管片空間排布程序,通過用戶交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和骨架設(shè)計模塊實現(xiàn)其功能。用戶交互模塊用于創(chuàng)建工具條和用戶交互窗口;數(shù)據(jù)存儲模塊用于輸入和輸出數(shù)據(jù)、管片環(huán)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和表達(dá);骨架設(shè)計模塊實現(xiàn)最優(yōu)管片環(huán)位置姿態(tài)的篩選功能,并批量創(chuàng)建骨架坐標(biāo)系模型。以下依次介紹各模塊的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)。

      2.1 用戶交互模塊

      管片空間排布程序運行時需要用戶手動選擇用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)的幾何圖形集以及初始管片定位骨架坐標(biāo)系,這些都屬于用戶與程序之間交互的功能范疇。交互界面模塊的開發(fā)分為創(chuàng)建工具按鈕和創(chuàng)建用戶交互窗口兩部分。

      2.1.1 創(chuàng)建工具按鈕并與骨架批量建模命令關(guān)聯(lián)

      工具條采用Add-in 的方式添加,為了將骨架批量建模功能嵌入到零件設(shè)計模塊,Add-in 必須首先重載CATIPrtCfgAddin接口的函數(shù)。再通過CATAfrCommand Header::CATCreateCommandHeader()成員函數(shù)使添加的工具條與骨架批量建模命令關(guān)聯(lián),以實現(xiàn)在已有零件設(shè)計模塊中添加按鈕,用戶點擊按鈕,即可激活骨架坐標(biāo)系批量建模命令。

      2.1.2 在骨架批量建模命令中嵌入用戶交互窗口

      首先創(chuàng)建用戶交互窗口Dialog 文件,該文件與骨架批量建模命令所在文件相互獨立。在骨架批量建模命令文件中,通過對CATMmrPanelStateCmd 類的派生,重載GiveMyPanel()方法,使包含骨架批量建模命令的派生類與Dialog文件關(guān)聯(lián)。對話流程操作是通過重載BuildGraph()方法實現(xiàn)的。

      BuildGraph()方法通過命令狀態(tài)和代理兩個關(guān)鍵元素來實現(xiàn)用戶在界面中的交互響應(yīng)[9]。代理的作用是將用戶在界面中的交互轉(zhuǎn)化為一種參數(shù)輸入。本程序使用了 CATDialogAgent、CATPathElementAgent、CATFeatureImportAgent 三種代理,分別用于捕獲幾何圖形集、對象路徑和坐標(biāo)系模型。以代理為核心的命令狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程見圖2。

      圖2 命令狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程

      2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

      2.2.1 管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度

      理論上講,在沒有任何約束的情況下0 ~360°任何一個角度都可以作為管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度,但在實際工程中管片環(huán)相對旋轉(zhuǎn)角度需要滿足以下四個層級的約束:①相鄰管片環(huán)的縱向螺栓孔須對齊;②管片須錯縫拼接,因為通縫時整體剛度小于錯縫,破壞時迅速失穩(wěn)[10];③封頂塊須出現(xiàn)在下方區(qū)域,避免封頂塊朝下的不利工況[11];④預(yù)埋槽道塊須位于管片環(huán)的正上方。

      2.2.2 管片環(huán)的旋轉(zhuǎn)位置

      為了清晰表達(dá)當(dāng)前管片相對于前一環(huán)的旋轉(zhuǎn)位置,以及當(dāng)前環(huán)的絕對旋轉(zhuǎn)位置,建立用于表達(dá)管片環(huán)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的xoy絕對坐標(biāo)系和x′oy′參考坐標(biāo)系,見圖3。其中:A1—A7,B1—B2,K 分別是管片環(huán)的塊體編號。A2,A6 為預(yù)埋槽道塊,縱向螺栓沿環(huán)向?qū)⒐芷瑒澐譃?8個區(qū)域??梢钥闯?,管片在環(huán)向被等間距的縱向螺栓孔分割,相鄰縱向螺栓構(gòu)成的環(huán)向分區(qū)代表了最小相對旋轉(zhuǎn)范圍。相鄰管片環(huán)之間的旋轉(zhuǎn)角度只能是該環(huán)向分區(qū)的整數(shù)倍。本程序采用該最小分區(qū)的整數(shù)倍表征管片之間的相對旋轉(zhuǎn)角度。

      圖3 絕對坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系

      縱向定位螺栓將盾構(gòu)管片沿環(huán)向劃分出n個分區(qū),x′oy′參考坐標(biāo)系的ox′軸指向正上方,各分區(qū)與ox′、oy′軸的相對位置不變。

      2.2.3 存儲方式

      本程序讀取表格后,使用TunnelInputClass 類存儲xoy絕對坐標(biāo)系與x′oy′參考坐標(biāo)系重合時管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度序列、管片環(huán)下方限制區(qū)域、各塊體的初始和結(jié)束分區(qū)的編號等數(shù)據(jù)。

      使用結(jié)構(gòu)體類型的對象TunnelSegmentResultStruct存儲每環(huán)管片的排布結(jié)果。具體包括管片環(huán)編號及里程、管片環(huán)中心與隧道理論中心線的距離、管片相對于前一環(huán)沿順時針方向的旋轉(zhuǎn)角度(以分區(qū)數(shù)目的整數(shù)倍表達(dá))、當(dāng)前環(huán)K 塊所在的分區(qū)編號、當(dāng)前環(huán)正上方的塊體編號、當(dāng)前管片是否預(yù)埋槽道。

      2.3 骨架設(shè)計模塊

      2.3.1 生成管片環(huán)相對旋轉(zhuǎn)角度序列

      使用GenRotateAreaAvailable()函數(shù),考慮四層約束條件,生成當(dāng)前管片環(huán)相對于前一環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度序列。本函數(shù)的執(zhí)行流程見圖4。

      圖4 GenRotateAreaAvailable()函數(shù)的執(zhí)行流程

      2.3.2 從相對旋轉(zhuǎn)角度序列中篩選最優(yōu)值

      如圖5所示,管片環(huán)為楔形幾何體,假設(shè)在其初始端面、前進(jìn)端面各有一個定位骨架坐標(biāo)系。這些定位骨架坐標(biāo)系的x軸指向封頂塊,z軸垂直于初始端面或前進(jìn)端面。管片i+1 相對于管片i的轉(zhuǎn)角可從相對旋轉(zhuǎn)角度序列中選擇,圍繞初始端面坐標(biāo)系o1x1y1z1的z1軸旋轉(zhuǎn),得到與每個相對旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的前進(jìn)端面坐標(biāo)系o2x2y2z2,生成的每個前進(jìn)端面坐標(biāo)系原點都是一個試算點。

      圖5 相鄰管片環(huán)未發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)時端面坐標(biāo)系示意

      管片i+1 初始端面坐標(biāo)系o3x3y3z3的原點與所有可能的前進(jìn)端面坐標(biāo)系o4x4y4z4的原點(也就是試算點)構(gòu)成一個圓錐形(圖6)。從所有可能的試算點中選擇最靠近隧道理論中心線的一個,其對應(yīng)的相對旋轉(zhuǎn)角度就是管片環(huán)i+1相對于管片環(huán)i的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度。

      圖6 初始端面坐標(biāo)系、隧道理論中心線與試算點幾何關(guān)系示意

      2.3.3 根據(jù)最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度生成管片定位骨架

      已知管片i,確定i+1 及后續(xù)各管片的位置需要兩個關(guān)鍵步驟:①將管片i+1 的初始端面坐標(biāo)系o3x3y3z3繞z3軸旋轉(zhuǎn);②建立每個管片環(huán)初始端面坐標(biāo)系與前進(jìn)端面坐標(biāo)系的相互關(guān)系。

      1)坐標(biāo)系繞z3軸旋轉(zhuǎn)

      分別通過 GetOrigin()、GetDirections()成員函數(shù)獲取坐標(biāo)系的原點和方向向量,將其作為輸入?yún)?shù)。調(diào)用構(gòu)造函數(shù)生成CATMathLine 線對象,將其作為旋轉(zhuǎn)軸,生成CATMathTransformation 空間變換對象。調(diào)用該對象的成員函數(shù)ApplyToAxis()完成CATMathAxis類型坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)操作。

      2)從初始端面坐標(biāo)系生成前進(jìn)端面坐標(biāo)系

      如圖7所示,根據(jù)楔形量w和管片環(huán)外徑d確定楔形角度θ。將初始端面坐標(biāo)系x3o3z3先繞y軸順時針旋轉(zhuǎn)θ度,然后沿z軸平移標(biāo)準(zhǔn)幅寬s,再繞y軸順時針旋轉(zhuǎn)θ,得到前進(jìn)端面坐標(biāo)系x4o4z4。

      圖7 管片徑向剖面

      3 工程應(yīng)用

      廣湛(廣州—湛江)高速鐵路湛江灣海底隧道為250 km/h 雙線盾構(gòu)隧道,全長8.5 km,位于湛江市區(qū),最大埋深約31 m。出于精細(xì)化設(shè)計和信息化建設(shè)管理需求,對該隧道開展BIM設(shè)計。

      縱向螺栓將管片劃分為28 個環(huán)向分區(qū)。10 個塊體與分區(qū)的關(guān)系見表1。第4列“是否預(yù)埋”中“1”表示當(dāng)前塊體為預(yù)埋槽道塊,否則是常規(guī)塊體。

      表1 10個塊體與分區(qū)的關(guān)系

      使用Dassault 軟件創(chuàng)建盾構(gòu)管片環(huán)精細(xì)化BIM 模型,每個管片環(huán)所包含的封頂塊、標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊三種塊體模型見圖8。

      圖8 每個管片環(huán)的三種塊體模型

      以隧道理論中心線、空間左線為輸入條件,讀入數(shù)據(jù)表,開展管片定位坐標(biāo)系批量建模,繼而使用Assembly Pattern 功能,完成管片環(huán)模型實例化,在Dassault平臺實現(xiàn)區(qū)間盾構(gòu)隧道BIM設(shè)計。

      每個預(yù)埋槽道環(huán)包含4 號、8 號兩個預(yù)埋槽道塊(參見表1)。BIM 設(shè)計成果見圖9。其中預(yù)埋槽道塊用紫色標(biāo)識,各管片環(huán)錯縫拼接,預(yù)埋槽道環(huán)按預(yù)定間距沿縱向布置。對于每一個預(yù)埋槽道環(huán),可以保證其兩個預(yù)埋槽道塊中的一個位于正上方,從而滿足接觸網(wǎng)等四電設(shè)施的基礎(chǔ)預(yù)埋要求。

      圖9 廣湛高速鐵路湛江灣海底隧道BIM模型

      4 結(jié)論

      針對盾構(gòu)管片三維空間BIM 設(shè)計存在的自動化程度不足、不適用于局部塊體預(yù)埋槽道的大直徑盾構(gòu)隧道等問題,本文基于Dassault 平臺CAA 架構(gòu)開發(fā)管片空間排布程序,實現(xiàn)了考慮局部塊體預(yù)埋槽道的區(qū)間盾構(gòu)隧道BIM設(shè)計。

      本程序包含用戶交互、數(shù)據(jù)存儲和骨架設(shè)計三個重要模塊。用戶交互模塊通過Add-in 和代理機制創(chuàng)建工具條及用戶交互窗口。數(shù)據(jù)存儲模塊以縱向定位螺栓的環(huán)向分區(qū)為基準(zhǔn),建立xoy絕對坐標(biāo)系和x′oy′參考坐標(biāo)系,存儲和表達(dá)管片環(huán)的位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)。骨架設(shè)計模塊考慮多層次約束條件,計算管片環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度序列,以端面坐標(biāo)系原點最接近隧道理論中心線為原則,篩選出最優(yōu)的管片環(huán)相對旋轉(zhuǎn)角度,批量創(chuàng)建管片定位骨架坐標(biāo)系模型。

      使用Dassault 平臺的模型實例化等功能,并結(jié)合本程序,成功實現(xiàn)了廣湛高速鐵路湛江灣海底隧道BIM設(shè)計。

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