卞桂榮，劉旭，李昂，龔濟平，胡小波

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京 210011；2.中交上海港灣工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200032；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

BIM 技術(shù)作為信息化的有效載體，對于實現(xiàn)工程建設(shè)過程的可視化、集約化管理具有重要作用，Navisworks 作為BIM 技術(shù)中具有可視化管理、施工模擬演示等功能的應(yīng)用平臺，在實現(xiàn)隧道數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，可以利用三維真實感圖形的形式表達地質(zhì)和結(jié)構(gòu)對象的空間分布、空間關(guān)系及屬性特征等[1-2]，可以使地質(zhì)分析更為靈活、直觀、準確，因而引起工程設(shè)計和施工人員極大的興趣，并已成為當(dāng)前隧道工程領(lǐng)域的研究前沿和熱點。相比BIM 應(yīng)用逐漸成熟的建筑業(yè)，隧道工程信息化水平較低，雖然由于手工繪圖被計算機輔助設(shè)計替代，隧道工程設(shè)計的工作效率得到了顯著的提高，但其本質(zhì)是一種離散的資源管理模式，與BIM 所具有的集中的資源管理模式相差甚遠。隧道工程不同于工業(yè)、民用建筑工程，有其自身的特點[3]。其中復(fù)雜的地質(zhì)條件和項目管理模式可能成為礦山法隧道BIM 應(yīng)用的最大瓶頸，這也導(dǎo)致了礦山法隧道BIM 設(shè)計應(yīng)用案例極少[4-7]。本文將基于Navisworks 平臺對礦山法隧道進行二次開發(fā)，實現(xiàn)礦山法隧道的施工風(fēng)險評估結(jié)果的集成管理。

1 工程實例

本工程實例選取的是北京高麗營隧道，北京至沈陽客運專線高麗營隧道起點里程DK33+310，終點里程DK34+510，全長1 200 m。其中，DK33+310—DK33+730 段及 DK34+160—DK34+510 段為明挖段，長770 m；DK33+730—DK34+160 段為暗挖段，長430 m。本隧道位于北京順義、昌平郊區(qū)所在的平原區(qū)，主要位于順義區(qū)和昌平區(qū)轄區(qū)內(nèi)，需下穿六環(huán)主路及酸棗嶺立交A、D、C 三條匝道（由南向北排序）。

2 礦山法隧道的Dynamo 參數(shù)化建模

隧道的BIM 建模需要在Revit 中導(dǎo)入隧道中心線的平面圖和縱斷面圖，由編譯好的Dynamo腳本導(dǎo)出中心線控制點的三維坐標至Excel，再生成隧道的三維中心線。在Dynamo 中運用節(jié)點“Select Model Element”與“Element.Geometry”來獲取中心線的曲線，中心線一般是由多段不同的多段線曲線與圓弧線組成，因此需要運用節(jié)點“List.Flatten”將曲線信息進行列表拍平。列表拍平后通過Dynamo 中的自定義代碼塊節(jié)點“Code Block”將列表各項拆分，以便將獲取的各項曲線信息整合。運用“Curve.Join”節(jié)點來逐項連接對應(yīng)編號的曲線。接下來通過節(jié)點“Curve.Length”將曲線分割成2 700 段，并導(dǎo)出相應(yīng)的平面曲線段起點的坐標點。提取曲線段的平面坐標點X 和Y，并同時將中心線縱斷面圖中的高程點Z 提取出來，通過節(jié)點“Point.ByCoordinates”導(dǎo)出，然后將提取出來的坐標點存儲于Excel 表格中。

中心線坐標點建立后就可以創(chuàng)建自適應(yīng)族，自適應(yīng)點是用于設(shè)計自適應(yīng)構(gòu)件的修改參照點，通過捕捉繪制的幾何圖形稱為自適應(yīng)構(gòu)件。以創(chuàng)建二類圍巖最外層支護為例，在Revit 中新建族文件，然后導(dǎo)入CAD 橫斷面圖，并將其圖元分解；刪除其它無關(guān)線條，只保留最外層支護線條，隧道斷面中心處添加參照點圖元，將點圖元設(shè)置為自適應(yīng)點；視圖需轉(zhuǎn)至立面并將所有圖元沿Z 軸方向復(fù)制，通過外側(cè)環(huán)狀圖元生成實體，內(nèi)側(cè)環(huán)狀圖元生成空心體，最后形成隧道外層支護三維實體，并保存為rfa 族文件。

相應(yīng)的自適應(yīng)族文件建立好以后就可以通過Dynamo 來進行組裝，首先導(dǎo)入隧道中心線的數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)后運用節(jié)點“Point. By Coordinate”＞“Poly Curve. By Points”生成中心線，同時運用節(jié)點“List.Join”將兩條中心線的坐標點數(shù)據(jù)列表整合。獲取隧道的分段中心線后就可以運用節(jié)點“Family Types”和“Adaptive Component. By Points”組裝所有配件并生成實體，最后運行程序生成模型，如圖1 所示。

圖1 試驗段Dynamo 建模效果圖Fig.1 Dynamo modeling effect of test section

3 礦山法隧道的模糊層次風(fēng)險評估軟件開發(fā)

3.1 需求分析

隧道工程建設(shè)投資大，施工工藝復(fù)雜、周期長，周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑材料和施工設(shè)備繁多，涉及專業(yè)工種與人員眾多。反映隧道施工風(fēng)險的指標有很多，如建筑規(guī)模、災(zāi)害發(fā)生頻率、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化程度、氣候因素、人類工程活動、經(jīng)濟損失、人員傷亡、環(huán)境破壞程度等等。但是對于隧道施工環(huán)境，由于各個工程地質(zhì)條件不同，施工環(huán)境也不同，很難預(yù)測人員傷亡和經(jīng)濟損失，因此，以經(jīng)濟損失或人員傷亡角度來評價風(fēng)險等級不能完全反映隧道施工風(fēng)險的特點。需要采用一種能通過客觀情況和主觀經(jīng)驗綜合的方法，在一定程度上反映隧道的安全狀況。

3.2 功能設(shè)計

層次分析法能夠把定性和定量資料有機地結(jié)合起來，對指標進行全面和系統(tǒng)的分析和評價，從而得出各個指標的組合權(quán)重，這樣比單純憑經(jīng)驗確定評價因素權(quán)重的專家咨詢法更為科學(xué)，再者，層次分析法通過計算判斷矩陣的標準化特征向量，可以對得分值進行一致性檢驗，因而其權(quán)重計算的科學(xué)性有明顯提高。模糊層次綜合評估法同時擁有層次分析法和模糊數(shù)學(xué)綜合評判的優(yōu)點，該方法克服了模糊數(shù)學(xué)綜合主評判法中評價因素對評價對象的權(quán)重確定主觀性強等缺點，因此，本文選用了模糊層次綜合評估法來構(gòu)建風(fēng)險因素識別體系。

本次風(fēng)險因素的識別主要從隧道施工的影響因素角度考慮，選擇和風(fēng)險產(chǎn)生直接相關(guān)，并能反映施工風(fēng)險的因素進行評判，排除那些次要的或與風(fēng)險關(guān)系不大的因素，確定可作為隧道施工風(fēng)險等級評價的主要指標，軟件中的主要功能可按照圖2 中的結(jié)構(gòu)指標進行分層設(shè)計。

圖2 隧道施工風(fēng)險影響因素的層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Hierarchical structure model of risk factors in tunnel construction

3.3 功能實現(xiàn)

對項目風(fēng)險的初步判斷，量化項目各級風(fēng)險因素的權(quán)重，劃分項目風(fēng)險等級，具體功能實現(xiàn)項目如下：

1）主要因素排序：針對客戶的項目，列出該項目中風(fēng)險的一級因素，客戶根據(jù)實際情況輸入風(fēng)險因素相互之間的重要性對比情況，點擊“排序”按鈕計算并顯示各因素占項目風(fēng)險的權(quán)重。

2）次要因素排序：一級因素下細分成若干二級因素，客戶輸入二級因素相互之間的重要性對比情況，點擊“排序”按鈕后可以顯示二級因素占項目風(fēng)險的權(quán)重。

3）風(fēng)險等級劃分：客戶根據(jù)實際情況輸入各二級因素發(fā)生的可能情況，點擊“風(fēng)險等級劃分”按鈕后可以顯示項目風(fēng)險等級劃分情況。

4 基于霍克-布朗破壞準則的礦山法隧道數(shù)值分析

由于本項目中的礦山隧道大多數(shù)情況是在軟巖中進行開挖，因此在模擬時不適合選用傳統(tǒng)的摩爾-庫侖破壞準則來描述本構(gòu)，需要采用適用于巖體的霍克-布朗破壞準則[8]。算例中使用Plaxis建模進行事故前后的隧道結(jié)構(gòu)變形。建立好土層后則需要對不同的巖土材料進行參數(shù)設(shè)置，土層選取的本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫侖破壞準則，巖層選取的本構(gòu)關(guān)系為霍克-布朗破壞準則。土層建立好后就可以直接利用隧道編輯器來創(chuàng)建隧道，隧道編輯器創(chuàng)建點的坐標是位于隧道底部的中點，輸入坐標點后就可以在“剖面”選項中繪制隧道襯砌的輪廓線。輪廓線建立好后在屬性中添加“錨桿”與“負向界面”。

建立好隧道后就可以進行網(wǎng)格劃分，選擇“中等”密度的單元格劃分后得到相應(yīng)的計算模型。為了模擬礦山隧道的開挖，必須要進行分布施工的計算。隧道開挖模擬需要激活襯砌的同時解除隧洞內(nèi)的巖體部分，該計算部分為塑性分析。三維的拱體效應(yīng)可以通過Plaxis 中內(nèi)置的β 法來完成。該方法是將作用在隧道周邊初始應(yīng)力pk分解成（1-β）pk和βpk兩部分，前者用于施加在未支撐的隧道上，后者用于施加在已支撐的隧道上。分布施工的第一分析步是將計算類型選擇為“重力施加”；第二分析步是進行“塑性”計算，在設(shè)置第二步時需要激活隧洞區(qū)域的巖體，并將對象瀏覽器中的“Deconfinement（1-β）”設(shè)置為60%；第三分析步的計算類型仍為“塑性”，該分析步中需要把隧洞區(qū)域巖體的“Deconfinement（1-β）”設(shè)置為100%，并激活襯砌與錨桿部分。

分布施工設(shè)置完成后即可選擇“生成曲線所需的點”來記錄計算過程中所選節(jié)點的位移情況，待上述設(shè)置全部完成后則可以進行計算。圖3 給出了圍巖塑性區(qū)域示意圖；由于隧道開挖的影響，隧洞頂部的巖體會形成小范圍的塌落拱，位移等值線呈倒扇形分布，隧洞外側(cè)的錨桿在一定程度上遏制了塌落拱的形成。從圖中可以看出，圍巖塑性區(qū)域，其影響范圍大幅度減小，塑性區(qū)域只在隧道頂部、底部和巖層的層間出現(xiàn)。

圖3 圍巖塑性區(qū)域示意圖Fig.3 Plastic zone of surrounding rock

5 礦山法隧道的Navisworks 插件開發(fā)

Navisworks 是一種可用于綜合項目查看的軟件，可以對項目進行分析、施工模擬以及交流設(shè)計圖等，實現(xiàn)協(xié)同工作。它可以導(dǎo)入由Revit 平臺生成的三維模型，對每一個具體構(gòu)件進行細化操作，實現(xiàn)部分“數(shù)字孿生”的功能[9]。這種信息化管理平臺具有可視化、動態(tài)化的優(yōu)點，并提供了外部的API 接口，可以通過C# 編程語言來直接調(diào)用其函數(shù)庫對相關(guān)信息功能進行拓展。

Navisworks 二次開發(fā)是在其已有的功能基礎(chǔ)上拓展其它相關(guān)聯(lián)的可視化應(yīng)用，在現(xiàn)有的軟件上定制修改、功能擴展，達到項目需求的功能，不改變原有系統(tǒng)的內(nèi)核，能夠更全面地滿足用戶對平臺的各種特定需求。軟件商將數(shù)據(jù)庫函數(shù)內(nèi)置于Navisworks 的API 接口中，使 Navisworks 二次開發(fā)更加便利。Navisworks 二次開發(fā)是通過界面插件的形式結(jié)合三維模型的構(gòu)件超鏈接來實現(xiàn)，可以滿足不同的用戶需求靈活調(diào)整[10]。

Navisworks 開發(fā)環(huán)境是建立在Microsoft.NET Framework 的基礎(chǔ)上，Navisworks API 允許開發(fā)人員通過C# 語言進行編程[11]。其開發(fā)流程是通過Navisworks API 應(yīng)用.NET 開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)，流程如圖4 所示。根據(jù)隧道風(fēng)險評估與施工信息與BIM 模型結(jié)合的需求，需要在現(xiàn)有的軟件上進行定制修改、功能擴展，達到項目需求的功能，不改變原有系統(tǒng)的內(nèi)核。開發(fā)過程中利用Windows窗體來創(chuàng)建界面，界面中在由Revit 創(chuàng)建的三維模型上設(shè)置所關(guān)注的點位，并通過導(dǎo)入jpg 圖像文件來實現(xiàn)查看各點位的信息功能，實現(xiàn)信息的集成查看功能。

圖4 二次開發(fā)流程圖Fig.4 Flow chart of secondary development

風(fēng)險評估成果的展示主要功能是顯示項目模型各標段對應(yīng)的風(fēng)險評估預(yù)測結(jié)果和施工信息，施工信息包括風(fēng)險預(yù)測結(jié)果、掌子面照片、超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果、仿真分析結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)等，使用時需要先安裝好suidao.dll 動態(tài)鏈接庫文件，安裝完成以后在Navisworks 中會出現(xiàn)內(nèi)置的“隧道BIM 平臺”的窗口選項，然后在查看選項卡中選擇“窗口”下拉菜單，再選擇“隧道BIM 平臺”即可打開選項卡，操作時需要先點擊隧道三維模型標識中的字體，點擊相對應(yīng)的結(jié)果后可以彈出該位置的預(yù)存結(jié)果，具體展示細節(jié)如下：

1）施工風(fēng)險預(yù)測結(jié)果：對于相應(yīng)的監(jiān)測點在風(fēng)險評估軟件中計算各區(qū)段的模糊層次評估法的評估結(jié)果，然后保存為圖片，通過導(dǎo)入圖片在Navisworks 中進行查看，對存在較大風(fēng)險的區(qū)段進行“預(yù)警”標識；

2）掌子面和超前地質(zhì)預(yù)報：導(dǎo)入、實時查看挖掌子面的現(xiàn)場真實照片和超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，包括掌子面巖性和滲水情況，方便對開挖風(fēng)險進行實時評判。

3）仿真分析：對于相應(yīng)的監(jiān)測點在有限元軟件中計算各區(qū)段的模擬仿真分析云圖，然后保存為圖片，通過導(dǎo)入圖片在Navisworks 中進行實時查看，對模擬結(jié)果異常的區(qū)段進行“預(yù)警”標識；

4）監(jiān)測數(shù)據(jù)：對于相應(yīng)的監(jiān)測點在Excel 中讀取各區(qū)段的長期變形數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)入圖片在Navisworks 中進行實時查看，對模擬結(jié)果異常的區(qū)段進行“預(yù)警”標識導(dǎo)入、實時查看支護完成區(qū)段的長期變形數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

本文針對隧道參數(shù)化建模和Navisworks 二次開發(fā)方面開展了研究，形成了適用于礦山法隧道施工的BIM 信息集成方法。通過Microsoft.NET Framework 平臺和照片的形式，并利用C#編程語言開發(fā)Navisworks 的拓展查看功能，在Revit 所建立的三維模型基礎(chǔ)上整合了隧道施工現(xiàn)場的進度信息，該類信息可用于展示風(fēng)險評估結(jié)果、掌子面情況、超前地質(zhì)預(yù)報、隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)和仿真分析等結(jié)果，能夠更直觀地在BIM 模型中進行隧道施工風(fēng)險的評估。主要研究成果及結(jié)論如下：

1） 研究形成了適用于礦山法隧道施工BIM建模方法，采用Revit 自適應(yīng)族和Dynamo 自動連續(xù)放置族，形成精細的隧道模型。同時，建立了隧道構(gòu)件族庫和施工設(shè)備族庫。

2）在施工開展前，采用模糊綜合層次評估地質(zhì)風(fēng)險因素，開發(fā)了地質(zhì)風(fēng)險評估軟件，用于評估隧道施工各區(qū)段的最大風(fēng)險源。

3）在施工過程中，采用霍克-布朗破壞準則對注漿加固后的隧道結(jié)構(gòu)-地層進行仿真分析，控制隧道施工風(fēng)險。

4）在三維模型的基礎(chǔ)上，利用C#編程語言開發(fā)Navisworks 拓展插件，用于展示風(fēng)險評估結(jié)果、掌子面情況、隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)以及仿真分析等結(jié)果。

在隧道工程成本中，支護及維護費用就占40%～60%，因此根據(jù)地質(zhì)風(fēng)險評估情況調(diào)整優(yōu)化超前支護及其他輔助施工措施，可以在保證施工安全程度的前提下，最大限度地節(jié)省施工經(jīng)費?；贐IM 的隧道施工地質(zhì)風(fēng)險評估技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以為信息化平臺軟件的采購提供技術(shù)與指標參考，達到節(jié)約投資、提高效益的目的。