伍丹琪,謝先當(dāng),劉厚強(qiáng)
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 BIM中心,四川成都 610031)
傳統(tǒng)二維隧道設(shè)計(jì)方式精度差、效率低,不能真實(shí)反映復(fù)雜工點(diǎn)實(shí)際情況。隨著BIM技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用與發(fā)展,如何有效提高BIM設(shè)計(jì)的效率與精度受到了越來越廣泛的重視。房建、市政等專業(yè)已經(jīng)具有較為成熟的BIM設(shè)計(jì)解決方案[1-3]。但目前隧道工程的信息化水平仍然很低,深化設(shè)計(jì)階段的隧道洞門形式多樣,三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜。OpenRail Designer軟件(簡(jiǎn)稱ORD軟件)為鐵路設(shè)計(jì)提供了有效的解決方案,但由于其自身參數(shù)化功能較弱,目前隧道BIM設(shè)計(jì)人員只能通過傳統(tǒng)手動(dòng)翻模方式進(jìn)行隧道BIM設(shè)計(jì)[4-8]。使得BIM建模工作占用較多人力,模型重復(fù)使用率低、不便修改且精度不高[9-10]。特別是隧道中的斜切式洞門,形體復(fù)雜、參數(shù)繁多,手動(dòng)三維設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜,帶有不規(guī)則直紋曲面的非常規(guī)實(shí)體無法通過常規(guī)實(shí)體創(chuàng)建方法與布爾運(yùn)算直接生成[11],亟須進(jìn)行二次開發(fā),提高設(shè)計(jì)效率和模型質(zhì)量。
為解決隧道洞門BIM設(shè)計(jì)參數(shù)化較弱問題,歐陽(yáng)艷[12]以合福高鐵鳳凰山隧道洞門為例,利用洞門輪廓真實(shí)坐標(biāo)值提出應(yīng)用CATIA V5中Generative Shape Design和Part Design模塊進(jìn)行高鐵隧道復(fù)雜洞門精準(zhǔn)建模的具體方法,但基于手動(dòng)設(shè)計(jì),過程繁復(fù)、效率較低。黃琦茗等[11]基于MicroStation研究了隧道帽檐斜切式洞門參數(shù)化建模,提出一種隧道帽檐斜切式洞門的設(shè)計(jì)算法,但參數(shù)較多且缺乏和洞身的順接,整體性和實(shí)用性受到影響。在對(duì)斜切式洞門設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析與總結(jié)基礎(chǔ)上,結(jié)合目前研究成果的優(yōu)缺點(diǎn),提出一套基于Bentley平臺(tái)的鐵路隧道斜切式洞門BIM正向設(shè)計(jì)方法,并研發(fā)了斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)程序,為后續(xù)復(fù)雜形體隧道工程的參數(shù)化研究提供借鑒。
經(jīng)過對(duì)隧道斜切式洞門的分析與研究,梳理出洞門幾何形態(tài)的控制要素為a、b、c、d四條輪廓線(見圖1)。根據(jù)控制要素,在充分獲取隧道洞身參數(shù)基礎(chǔ)上,圍繞輪廓線的生成,設(shè)定了斜切式洞門的主要參數(shù),利用程序?qū)斎雲(yún)?shù)等信息進(jìn)行處理,輸出設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)。
圖1 隧道斜切式洞門創(chuàng)建要素示意圖
為開發(fā)出功能完整的斜切式洞門設(shè)計(jì)程序,基于.NET框架的二次開發(fā),使用C#語(yǔ)言,調(diào)用ORD軟件封裝函數(shù),將參數(shù)化創(chuàng)建隧道斜切式洞門的方法,整合成為ORD軟件的功能性程序,整體集成到軟件界面中。
為了解決隧道洞門BIM設(shè)計(jì)中存在的參數(shù)化問題,通過反復(fù)設(shè)計(jì)測(cè)試,得出一套鐵路隧道斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)的有效方法(見圖2)。
圖2 鐵路隧道斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)方法流程
第1步:獲取參數(shù)。由于洞門需要與洞身銜接,所以參數(shù)確定的關(guān)鍵步驟之一為獲取洞身參數(shù)。在dgn文件中運(yùn)行斜切式洞門設(shè)計(jì)軟件,按照提示以模型窗口交互界面選擇線路和洞身模型,獲取洞身模型的線位及洞身參數(shù),并將數(shù)據(jù)保存在隧道斜切式洞門參數(shù)類中,通過對(duì)話框提供給設(shè)計(jì)者,可根據(jù)需要以手動(dòng)輸入的方式修改參數(shù)。同樣在參數(shù)對(duì)話框中輸入洞門設(shè)計(jì)參數(shù),需要的參數(shù)包括軌頂面至圓心O的豎向距離,以及a、b、c、d四條輪廓線的生成控制參數(shù)(見圖3)。
圖3 輸入的洞門參數(shù)
第2步:信息處理。利用獲取的洞身設(shè)計(jì)參數(shù)創(chuàng)建洞門段原始模型,再利用洞門參數(shù)創(chuàng)建斜切式洞門實(shí)體,具體步驟如下:
首先,根據(jù)生成輪廓線c、d的剪切斜率參數(shù),分別拉伸創(chuàng)建立方體實(shí)體,基于布爾減運(yùn)算,分別截取洞門段原始模型的內(nèi)外2個(gè)面,得到2條輪廓線c、d及截取所剩的明洞段實(shí)體模型。通過自行編寫的編號(hào)工具,為剪切后的明洞段模型輪廓線分別編號(hào)。根據(jù)編號(hào)獲取相應(yīng)的輪廓線,以確保每次提取的輪廓都為所需的特定輪廓線。特別注意的是,ORD軟件中復(fù)雜實(shí)體的布爾運(yùn)算限制在坐標(biāo)為±500 m范圍內(nèi),超過±500 m范圍的布爾運(yùn)算可能會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)錯(cuò)誤。針對(duì)此問題提出一種解決方案,將做布爾運(yùn)算的實(shí)體通過Transform函數(shù)做平移變換,平移到原點(diǎn),如果模型范圍還是超過±500 m,則進(jìn)行縮略變換,待完成布爾運(yùn)算后,再通過Transform函數(shù)做還原變換。
其次,沿輪廓線c、d的切面按一定方向拉伸輪廓線c、d,得到2個(gè)拉伸曲面——曲面1、曲面2。再根據(jù)設(shè)計(jì)斜率的切面創(chuàng)建斜面3、斜面4,分別切割2個(gè)曲面,再為得到的交線編號(hào),然后獲取相應(yīng)的輪廓線為輪廓線a、b(見圖4)。
圖4 輪廓線a、b生成要素示意圖
然后,提取輪廓線縫合為實(shí)體模型。具體步驟如下:先由輪廓線a、b,輪廓線c、d,輪廓線a、c,以及輪廓線b、d之間的起點(diǎn)形成一個(gè)輪廓(Profile),由起點(diǎn)至終點(diǎn)沿2條曲線路徑(Path)掃掠生成曲面,再由形成的4個(gè)曲面縫合生成實(shí)體模型。
最后,為實(shí)體模型添加名稱、材質(zhì)等附加屬性。
將以上原理以二次開發(fā)的方式調(diào)用軟件函數(shù)整合為一個(gè)程序,獲取材質(zhì)及相應(yīng)實(shí)體體積,最后完成模型、屬性和工程量的輸出。
以成渝中線高鐵某隧道洞門為例,驗(yàn)證隧道斜切式洞門設(shè)計(jì)方法和程序的有效性。
該隧道入口采用斜切式洞門,設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km。正向設(shè)計(jì)過程中,用戶應(yīng)先擬定斜切式洞門斜率、拉伸面角度等參數(shù),隨后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和驗(yàn)證,最后啟動(dòng)斜切式洞門創(chuàng)建程序,在對(duì)話窗口中輸入相應(yīng)參數(shù),經(jīng)程序輸出的BIM模型見圖5,附加屬性見圖6。經(jīng)驗(yàn)證,該方法能夠完整有效地設(shè)計(jì)斜切式洞門BIM模型,且易與洞身順接。
圖5 成渝中線高鐵某隧道斜切式洞門模型
圖6 模型屬性和工程量輸出界面
提出一種全新的鐵路隧道斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)技術(shù)方法,并基于ORD軟件開發(fā)了斜切式洞門BIM設(shè)計(jì)程序。該方法和程序在實(shí)際工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證,應(yīng)用效果表明該方案和程序解決了隧道洞門難以手動(dòng)建模、模型質(zhì)量差的問題。且由于大量參數(shù)由洞身提取,極大利用了原有洞身部分模型,所以易與洞身順接,提高了設(shè)計(jì)效率、模型準(zhǔn)確度和適用性,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)推動(dòng)了BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用,為后續(xù)其他復(fù)雜隧道洞門參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了借鑒。