張紅薇

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司 天津 300142)

1 引言

盾構(gòu)法施工作為隧道建設(shè)中的重要施工方法，具有自動化程度高、不影響地面交通、噪聲小等諸多優(yōu)勢[1]，在城市地鐵區(qū)間隧道中被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道襯砌管片形式主要有普通環(huán)形式和通用環(huán)形式，由于生產(chǎn)施工簡便、施工動態(tài)調(diào)整方便、有利于隧道軸線質(zhì)量控制等優(yōu)點，通用型盾構(gòu)管片被越來越多地運用于城市軌道交通地下工程建設(shè)中。

隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，建筑信息模型的概念逐漸深入人心，中國很多城市及地區(qū)已經(jīng)開展BIM三維建模設(shè)計，但絕大多數(shù)模型只是在二維圖紙的基礎(chǔ)上為了進行三維展示做的翻模，沒有真正參與到設(shè)計流程中，也無法從根本上解決盾構(gòu)區(qū)間里程較長，管片數(shù)量眾多[2]，工作量大、工序復(fù)雜等問題。

針對上述現(xiàn)象，李永明等[3]提出了基于CATIA軟件的楔形盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化建模方法，但其可更改參數(shù)僅包括管片外徑、厚度、幅寬和楔形量等最基本的參數(shù)，只實現(xiàn)了部分參數(shù)化建模，針對螺栓孔數(shù)量以及各類防水結(jié)構(gòu)形式的參數(shù)化所需運算量較大.還需要通過建立眾多不同模板來實現(xiàn)。劉曹宇等[4]提出使用Revit軟件自適應(yīng)公制常規(guī)模型族樣板建立自適應(yīng)管片族。其原理是根據(jù)構(gòu)件的所有端點，參數(shù)化自動生成實體構(gòu)件，過程是先進行區(qū)間盾構(gòu)管片排版，再連接其12個端點生成管片模型。這樣本末倒置，為了擬合線路和排版而生成的管片大多異形，與真實加工出的管片出入較大，且排版并非真實的最優(yōu)排版，在指導施工中困難重重。陳桂香等[5]提出利用Revit的公制體量族創(chuàng)建參數(shù)化盾構(gòu)管片，對管片環(huán)內(nèi)徑、外徑、管片厚度、圓心角以及各孔洞尺寸等變量參數(shù)進行參數(shù)化處理，但其缺少針對結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的封頂塊及鄰接塊的參數(shù)化建模過程的探討，針對如何實現(xiàn)手孔排布的變化也并未詳盡說明。

可見盡管有一些學者對通用型管片的參數(shù)化設(shè)計進行了探討，從一定程度上提高了部分設(shè)計效率，但其精度和深度不夠。本文借助Autodesk Revit(以下簡稱Revit)這個BIM平臺下最具代表性的設(shè)計軟件之一，利用其參數(shù)化、構(gòu)件關(guān)聯(lián)性、參數(shù)驅(qū)動形體設(shè)計和協(xié)作設(shè)計[6]的特征，以我國城市地鐵區(qū)間使用較多的6塊分塊，分別為一個封頂塊(K塊)、兩個鄰接塊(L1、L2)、三個標準塊(B1、B2、B3)的通用型管片作為研究對象，探討始于方案設(shè)計，持續(xù)到施工圖完成，貫穿項目整個生命周期的盾構(gòu)管片參數(shù)化設(shè)計及區(qū)間排版方法。

2 基于Revit的管片參數(shù)化設(shè)計

2.1 管片分塊參數(shù)化建模方法及步驟

盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)主體是由雙面楔形的通用管片錯縫拼裝而成，利用Revit中的公制常規(guī)模型族文件對管片進行建模，創(chuàng)建實心拉伸，其中用到的參數(shù)為環(huán)寬，管片內(nèi)、外半徑。創(chuàng)建參照平面，利用公式定義α角來對楔形量進行參數(shù)化表達，創(chuàng)建空心實體對管環(huán)進行剪切，得到可任意調(diào)節(jié)楔形量Δ、管片內(nèi)、外半徑及環(huán)寬的參數(shù)化管環(huán)。

接著對管環(huán)進行分塊，設(shè)置標準塊B1圓心角、鄰接塊L1圓心角兩個參數(shù)。由于 B1、B2、B3塊相同，L1、L2塊相同，故所有管片分塊的圓心角均可通過公式得到，實現(xiàn)參數(shù)化。此原理不僅適用于6塊分塊，若管環(huán)半徑增大，增加分塊數(shù)量，因封頂塊只有1塊，鄰接塊分布在封頂塊的兩側(cè)，有兩塊。因此，分塊數(shù)量的不同，實際是指標準塊的數(shù)量不同，由于標準塊的圓心角均相同，故只需定義一個標準塊和一個鄰接塊的圓心角即可通過公式得到所有分塊的角度，修改這兩個參數(shù)便可滿足多種管片分塊形式。標準塊的形狀規(guī)則，只需利用空心拉伸對管環(huán)進行剪切即可得到。

考慮到施工中管片的拼裝，封頂塊沿隧道軸線方向上設(shè)計成楔形，通常情況下還會將封頂塊與鄰接塊的交界面沿管片環(huán)向中心軸旋轉(zhuǎn)一個很小的角度以減小外弧的長度，增加內(nèi)弧的長度，便于施工。因此多設(shè)置兩個參數(shù)，分別為楔形角和K塊的旋轉(zhuǎn)角度，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要得到兩個鄰接塊和K塊需要采用空心放樣融合創(chuàng)建空心實體對管環(huán)進行多次剪切才能得到。這里引入一個重要的概念，即Revit的輪廓族。輪廓族是二維平面族，是在Revit中比較簡單的一個族，同時也是非常重要的一個族，可以在輪廓族中繪制復(fù)雜的結(jié)構(gòu)輪廓及定義諸多參數(shù)等，然后便可化繁為簡，在三維族文件中完成放樣融合路徑繪制后，選擇放樣融合輪廓，點擊載入輪廓，分別將繪制的兩個輪廓族載入，并將輪廓族的參數(shù)與管片族進行關(guān)聯(lián)，完成空心放樣融合實體的創(chuàng)建。鄰接塊L1可通過四個輪廓族，兩個空心放樣融合體對管環(huán)進行剪切得到。

同理，以此得到K塊和鄰接塊L2，實現(xiàn)對管環(huán)的參數(shù)化分塊建模。輸入的參數(shù)不同，輪廓族隨之聯(lián)動，得到不同的管片分塊。管片建模參數(shù)見圖1。

圖1 管片建模參數(shù)

2.2 手孔及螺栓連接參數(shù)化建模方法及步驟

管片上游手孔、螺栓孔、剪力銷孔、注漿孔等需要準確表達[7]。以最難實現(xiàn)的螺栓手孔為例進行詳細論述:新建一個公制常規(guī)模型族文件，對管片螺栓手孔及螺栓孔進行建模，其中的難點是管片縱縫處的手孔及螺栓孔建模，不同地區(qū)不同工程的管片手孔位置、底面半徑、手孔擴散角及螺栓孔直徑，擴大端高度等均不同，將這些變量設(shè)置為參數(shù)，如圖2所示。

圖2 螺栓手孔建模參數(shù)

螺栓手孔及螺栓孔參數(shù)化過程為:

(1)繪制螺栓孔軸線，圓弧半徑定義為參數(shù)R，約束圓弧端點與管環(huán)圓心距離為L2。

(2)繪制參照平面和參照線，定義角度α大，使管環(huán)內(nèi)輪廓與螺栓孔軸線發(fā)生聯(lián)動，用圓心角α大表示手孔與接縫中面的距離L3，修改參數(shù)L3的數(shù)值，角度α大隨之變化，與手孔圓柱段相接位置發(fā)生改變。手孔圓柱段長度為L4。要實現(xiàn)多個參數(shù)共同變化且模型不發(fā)生錯誤，需要充分利用Revit中的鎖定關(guān)系，恰到好處地將點、線、面進行鎖定，避免過約束現(xiàn)象產(chǎn)生。

(3)定義h1，建立半徑R與手孔擴散角α2的關(guān)系。利用如圖3所示的兩個輪廓生成的實體進行剪切，該方式能夠?qū)崿F(xiàn)對參數(shù)化手孔的創(chuàng)建。再將手孔設(shè)置為空心實體對管片進行剪切。

(4)定義螺栓孔直徑D1、梯形擴大處底邊直徑D2、梯形擴大處的梯形高度L5等參數(shù)，通過空心放樣和空心放樣融合創(chuàng)建實體，如圖3所示。將放樣路徑與螺栓所在圓進行鎖定，改變管片內(nèi)半徑數(shù)值，螺栓孔及手孔位置均隨之聯(lián)動。環(huán)縫螺栓手孔的創(chuàng)建方法與縱縫相同。

圖3 螺栓手孔空心放樣輪廓及手孔實體

(5)將族參數(shù)改為加載時剪切的空心，由于Revit不支持兩個族之間進行剪切，故創(chuàng)建一個項目文件，按照同一個原點放置，將管片分塊與螺栓手孔的可載入族分別載入到項目中，按照管片分塊角度對手孔進行排布，并用管片剪切螺栓手孔，創(chuàng)建一個輪廓為圓的空心拉伸，半徑定義為參數(shù)管片內(nèi)半徑，剪切掉手孔圓柱段凸出管環(huán)的部分。

2.3 管片接縫參數(shù)化建模步驟

新建一個公制常規(guī)模型族文件，通過放樣創(chuàng)建空心實體，采用輪廓族創(chuàng)建放樣輪廓，將空心實體載入到項目文件中，對管環(huán)進行剪切，得到模型如圖4所示。創(chuàng)建全局參數(shù)，將三個族文件的參數(shù)與全局參數(shù)創(chuàng)建關(guān)聯(lián)，只需要在項目中修改全局參數(shù)即實現(xiàn)對所有參數(shù)的驅(qū)動，模型也隨之改變。

圖4 參數(shù)化管片模型

3 通用環(huán)管片排版算法及流程

將理論盾構(gòu)隧道中心線分割成多段線導入到Revit，按照里程順序存儲多段線各節(jié)點坐標，定義向量旋轉(zhuǎn)函數(shù):X′＝F(X，R，θ)，單位向量X{x，y，z}繞單位向量R{a，b，c}旋轉(zhuǎn)θ角后，得到單位向量X′{x′，y′，z′}[8]。

定義參量:管片環(huán)寬為L，楔形量為δ，縱向螺栓數(shù)量為n，楔形角α＝δ/D，管片單位轉(zhuǎn)角β＝2π/n[9]，如圖5所示。

圖5 管片拼裝姿態(tài)幾何分析

每一環(huán)管片小里程方向的面為后面，大里程方向的面為前面，前后兩面法向量方向均為指向線路大里程方向。與下一環(huán)相交的面為前一環(huán)插入點后面圓心，向量為該環(huán)后面法向量和切向量。管片從線路起點開始拼裝，輸入第一環(huán)后面的圓心O1后{x1后，y1后，z1后}、 面法向量ω1后{ω1x后，ω1y后，ω1z后}、面切向量μ1后{μ1x后，μ1y后，μ1z后}，即輸入第一環(huán)插入點坐標及位置向量。

第i環(huán)后面圓心坐標為Oi后{xi后，yi后，zi后}，面法向量ωi后{ωix后，ωiy后，ωiz后}，面切向量μi后{μix后，μiy后，μiz后}，與本環(huán)前面圓心、面法向量、面切向量公式為:

第i環(huán)的插入點坐標及位置向量，為已拼裝好的i－1環(huán)前面的圓心及位置向量。此位置為第i環(huán)旋轉(zhuǎn)起始位置。

第i環(huán)從插入起始位置開始，分別繞ωi－1前旋轉(zhuǎn)β、2β、4β、5β、8β、12β、14β、15β，分別計算各角度前面圓心坐標Oi前{xi前，yi前，zi前}、面法向量ωi前{ωix前，ωiy前，ωiz前}、面切向量μi前{μix前，μiy前，μiz前}公式為:

旋轉(zhuǎn)各角度k塊位于管片下方90°時無法施工，μi前與X軸夾角 －67.5°～22.5°時K塊位于管片下方90°，因此應(yīng)刪除該范圍內(nèi)的點[10]。

第i環(huán)在轉(zhuǎn)動各角度后，后面圓心Oi前{xi前，yi前，zi前}到理論隧道中心線最短距離的旋轉(zhuǎn)角度即為第i環(huán)管片的拼裝角度。判斷方法為:理論隧道中心線節(jié)點按里程順序編號儲存坐標，第j點坐標為{xj，yj，zj}，第j＋ 1 點坐標為{xj＋1，yj＋1，zj＋1}，線段Lj，j＋1向量為{xj＋1－xj，yj＋1－yj，zj＋1－zj}，過點j和j＋1的法平面方程分別為:

將圓心Oi前{xi前，yi前，zi前}代入兩平面方程，計算乘積:[(xj＋1－xj)(xi前－xj) ＋(yj＋1－yj)(yi前－yj) ＋(zj＋1－zj)(zi前－zj)] ·[(xj＋1－xj)(xi前－xj＋1) ＋(yj＋1－yj)(yi前－yj＋1) ＋ (zj＋1－zj)(zi前－zj＋1)]。

若其值大于0則循環(huán)判斷后續(xù)點，到其值小于等于 0 為止。 計算圓心Oi前到線段Lj，j＋1的距離，并記錄此時節(jié)點序數(shù)j＋1，拼裝第i＋1環(huán)時判斷圓心與理論隧道中心線距離時，從j＋1節(jié)點開始判斷。拼裝管片循環(huán)終止條件是所記錄的節(jié)點序數(shù)j與中心線終點節(jié)點序數(shù)小于環(huán)寬L/節(jié)點間距。每拼接一環(huán)管片均進行以上循環(huán)，直至整個盾構(gòu)區(qū)間生成。

4 結(jié)合Revit二次開發(fā)生成盾構(gòu)區(qū)間

結(jié)合Revit現(xiàn)有的API接口，編寫程序，利用External Application外部應(yīng)用[11]，在點擊生成區(qū)間按鈕后，自動彈出管片參數(shù)、手孔參數(shù)等對話框，如圖6所示。設(shè)計者在輸入數(shù)值后系統(tǒng)自動調(diào)用指定文件夾中的管片項目文件，根據(jù)所輸參數(shù)創(chuàng)建管片，并執(zhí)行上述算法對管片進行排版，快速生成整個盾構(gòu)區(qū)間。

圖6 Revit管片建模參數(shù)輸入界面

5 結(jié)束語

運用Revit對隧道盾構(gòu)管片中的變量進行參數(shù)化處理，使設(shè)計者只需簡單更改標準盾構(gòu)管片模型的參數(shù)即可自動生成所需的盾構(gòu)管片。本文詳細闡述了管片參數(shù)化建模及排版過程，通過輸入?yún)?shù)迅速得到的管片模型達到了設(shè)計及施工的深度和精度，通過修改族參數(shù)引起模型作出相應(yīng)的聯(lián)動修改，極大提高工作效率[12]，同時提高了管片信息的準確性，減少設(shè)計階段由于管片尺寸變更引起的重復(fù)性勞動，通過代碼實現(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間快速生成，對于指導施工具有重要意義。