吳 含，趙 路，劉建秀

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

1 概 述

水電工程是涉及專業(yè)廣、質(zhì)量要求高、工作難度大的系統(tǒng)工程，通過BIM技術(shù)開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作，一方面，可以使設(shè)計(jì)工作更加全面細(xì)致，減少施工階段的工程變更；另一方面，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)階段和運(yùn)行階段的數(shù)字化管理奠定基礎(chǔ)［1-3］。

隨著我國(guó)水電資源開發(fā)重心逐漸向高山峽谷地區(qū)轉(zhuǎn)移，深埋長(zhǎng)隧洞輸水發(fā)電工程建設(shè)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，水工隧洞設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)電站造價(jià)及運(yùn)行條件產(chǎn)生較大影響［4］，逐漸成為影響工程安全性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。通過開展水工隧洞BIM設(shè)計(jì)工作可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［5］。目前，水電工程BIM設(shè)計(jì)的主流平臺(tái)多以國(guó)外商業(yè)化軟件為主，如以Autodesk Revit軟件為主的Autodesk平臺(tái)、以MicroStation軟件為主的Bentley平臺(tái)、以3DE軟件為主的Dassault平臺(tái)等。這些平臺(tái)主要定位于通用土木平臺(tái)，適用面廣、功能強(qiáng)大，在交通行業(yè)隧道BIM設(shè)計(jì)中具有一定優(yōu)勢(shì)。然而，水工隧洞與交通隧道在斷面類型、洞線類型和開挖支護(hù)方式等方面存在較大差異，使用通用性平臺(tái)進(jìn)行水工隧洞建模時(shí)存在標(biāo)準(zhǔn)不匹配、操作流程復(fù)雜、專業(yè)需求無法滿足等諸多缺點(diǎn)。針對(duì)該現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件公司和設(shè)計(jì)院開展了一系列研究工作，如藺志剛等［6］基于CATIA平臺(tái)建立參數(shù)化模板，通過輸入設(shè)計(jì)參數(shù)可快速創(chuàng)建水工隧洞模型，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件變化可快速調(diào)整模型，實(shí)現(xiàn)了水工隧洞三維設(shè)計(jì)，但CATIA平臺(tái)存在標(biāo)準(zhǔn)化程度較低、復(fù)用性不強(qiáng)等問題。王海龍［7］利用Revit軟件提出水工排洪洞的BIM建模流程，并利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了建模和計(jì)算的一體化，但對(duì)于異型復(fù)雜模型，在導(dǎo)入ABAQUS軟件后存在結(jié)構(gòu)尺寸偏差問題，影響結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。徐超等［8］針對(duì)水工隧洞BIM建模過程中的模型幾何精度不足、主支洞交叉口復(fù)雜等問題，梳理Revit二次開發(fā)內(nèi)化建模流程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)參數(shù)化水工隧洞建模，但對(duì)于水工隧洞空間彎建模問題未進(jìn)行系統(tǒng)研究。

綜上，水電工程領(lǐng)域目前尚無較完善的水工隧洞BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)。筆者基于Bentley ORD軟件，利用其強(qiáng)大的洞線設(shè)計(jì)功能，結(jié)合水工隧洞特點(diǎn)開展參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)工作，形成一套滿足水工隧洞設(shè)計(jì)要求的BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)水工隧洞快速BIM建模和方案調(diào)整，減少設(shè)計(jì)“錯(cuò)漏”問題，提高設(shè)計(jì)綜合效率。

2 水工隧洞BIM正向設(shè)計(jì)流程

為建立水工隧洞BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程梳理如下：①將原始地形地質(zhì)模型和其他專業(yè)樞紐建筑物模型導(dǎo)入系統(tǒng)，將其作為隧洞建模的基礎(chǔ)資料。②在平面視圖下開展隧洞平面洞線設(shè)計(jì)。③沿平面洞線對(duì)地形地質(zhì)和建筑物模型進(jìn)行剖切和展開，生成縱斷面視圖。④在縱斷面視圖下進(jìn)行縱斷面洞線設(shè)計(jì)，再與平面洞線進(jìn)行擬合，形成水工隧洞的三維空間洞線。⑤洞線初步設(shè)計(jì)完成后對(duì)地形條件、地質(zhì)條件、水力特性、樞紐總體布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等布置條件進(jìn)行分析。⑥若布置條件可行，則按照地質(zhì)模型劃分圍巖類別，再按照圍巖類別進(jìn)行典型斷面設(shè)計(jì)；若布置條件不可行，則對(duì)平面和縱斷面洞線進(jìn)行不斷調(diào)整與優(yōu)化，直至布置條件滿足要求。⑦確定各洞段斷面設(shè)計(jì)參數(shù)后，創(chuàng)建隧洞三維模型，通過附加模型屬性信息，最終導(dǎo)出水工隧洞BIM模型成果，該成果可用于三維出圖、工程量統(tǒng)計(jì)和工程數(shù)字化應(yīng)用。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 ORD軟件適用性分析

ORD是Bentley產(chǎn)品體系中一款服務(wù)于交通行業(yè)的線性工程設(shè)計(jì)軟件，適用于道路、隧道等三維設(shè)計(jì)，可引入全新的綜合建模環(huán)境，集成點(diǎn)云、三維實(shí)景網(wǎng)格、地形數(shù)據(jù)、圖像和地理信息等背景數(shù)據(jù)，不僅支持路線平面、縱斷面參數(shù)化設(shè)計(jì)，還能夠定制豐富的橫斷面模板庫，有助于交通隧道BIM設(shè)計(jì)工作的快速完成。對(duì)于BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，水工隧洞的正向設(shè)計(jì)流程與交通隧道基本相似，但由于兩者功能具有本質(zhì)區(qū)別，BIM設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)會(huì)存在諸多不同，因此無法直接使用ORD軟件進(jìn)行水工隧洞BIM建模工作，存在的主要適用性問題如下：

（1）洞線設(shè)計(jì)。與交通隧道洞線設(shè)計(jì)相比，水工隧洞洞線設(shè)計(jì)無須考慮行車因素，可在空間斜平面上設(shè)計(jì)圓弧轉(zhuǎn)彎即空間彎，進(jìn)而形成空間彎洞線，空間彎洞線在平面上的投影曲線為投影橢圓弧，在縱斷面展開視圖中則為復(fù)雜曲線（見圖1）。然而，ORD洞線設(shè)計(jì)模塊按照平面洞線設(shè)計(jì)—縱斷面洞線設(shè)計(jì)—空間洞線擬合流程進(jìn)行，無法直接創(chuàng)建空間彎洞線。

圖1 隧洞空間彎洞線示意

（2）橫斷面設(shè)計(jì)。通常情況下交通隧道橫斷面始終與水平面保持垂直，而水工隧洞橫斷面通常與洞線保持垂直。采用圓形橫斷面沿直線創(chuàng)建隧洞模型，橫斷面分別與水平面和洞線垂直時(shí)的隧洞模型對(duì)比見圖2，可以看出，當(dāng)橫斷面與水平面垂直（與軸線呈一定夾角）時(shí)，隧洞模型中過水?dāng)嗝姹粔嚎s；當(dāng)橫斷面與洞線垂直時(shí)，隧洞模型符合隧洞設(shè)計(jì)要求。因此，直接采用ORD橫斷面設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行水工隧洞設(shè)計(jì)時(shí)，模型成果將與實(shí)際情況不符。

圖2 橫斷面與水平面／洞線垂直的隧洞模型對(duì)比

（3）模型生成。由于交通隧道洞線設(shè)計(jì)屬于長(zhǎng)距離線性工程，單條洞線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度范圍為數(shù)十千米到數(shù)百千米，模型數(shù)據(jù)量大，對(duì)軟硬件性能要求較高，因此在ORD軟件中使用網(wǎng)格表達(dá)隧道實(shí)體模型。而水工隧洞單條洞線長(zhǎng)度通常在1 km以內(nèi)，其模型體量比交通隧道小，對(duì)軟硬件性能要求不高，因此使用Parasolid內(nèi)核進(jìn)行模型表達(dá)。網(wǎng)格實(shí)體模型與Parasolid實(shí)體模型對(duì)比見圖3，Parasolid實(shí)體模型能夠準(zhǔn)確定位實(shí)體邊界并提供豐富的實(shí)體操作功能［9-10］，可以保證建模精度和后期模型應(yīng)用；而網(wǎng)格實(shí)體模型雖然可以提高軟硬件性能，但是幾何精度有所降低［11］且無法保留基本線形元素特征（圓弧、直線等），不利于后期對(duì)模型進(jìn)行剖切、布爾運(yùn)算等操作。

圖3 網(wǎng)格實(shí)體模型與Parasolid實(shí)體模型對(duì)比

（4）樁號(hào)計(jì)算。ORD軟件中的樁號(hào)按照洞線水平投影長(zhǎng)度計(jì)算，能夠滿足交通隧道設(shè)計(jì)要求。而水工隧洞特別是輸水發(fā)電隧洞中存在豎井和斜井，樁號(hào)一般按照洞線真實(shí)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，ORD軟件無法支持這種計(jì)算模式。

3.2 模型設(shè)計(jì)功能框架

根據(jù)上述ORD軟件特性并結(jié)合水工隧洞BIM設(shè)計(jì)要求，采用C＋＋／CLI混合編程方式對(duì)水工隧洞BIM模型設(shè)計(jì)功能進(jìn)行專業(yè)定制化開發(fā)，開發(fā)框架如圖4所示。

圖4 水工隧洞BIM模型設(shè)計(jì)功能開發(fā)框架

（1）洞線設(shè)計(jì)模塊。ORD軟件提供了一套強(qiáng)大的洞線設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠滿足水工隧洞對(duì)于直線、圓弧、拋物線等多種線形的設(shè)計(jì)要求［12］，因此平面、縱斷面洞線設(shè)計(jì)模塊主要利用ORD軟件的原生功能，在此基礎(chǔ)上增加空間彎設(shè)計(jì)功能以滿足實(shí)際要求，同時(shí)增加樁號(hào)計(jì)算模塊以支持按照洞線水平投影長(zhǎng)度和洞線真實(shí)長(zhǎng)度的2種計(jì)算模式。

（2）橫斷面設(shè)計(jì)模塊。對(duì)該模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，根據(jù)圍巖類別進(jìn)行典型斷面襯砌、灌漿和開挖支護(hù)等設(shè)計(jì)，后續(xù)根據(jù)圍巖類別劃分的隧洞樁號(hào)段配置斷面參數(shù)。

（3）模型創(chuàng)建模塊?？臻g洞線擬合功能仍采用ORD軟件的原生功能，使用Parasolid內(nèi)核重新開發(fā)隧洞參數(shù)化建模功能。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 空間彎洞線設(shè)計(jì)流程

空間彎洞線本質(zhì)上是由2條相交空間直線倒圓角產(chǎn)生的，空間彎洞線與2條直線相切且位于2條直線組成的斜平面上，若要確定空間彎洞線的曲線方程，則需確定直線方程以及空間彎半徑。

雖然空間彎洞線在平面上投影為規(guī)則橢圓弧，但按照水工隧洞BIM正向設(shè)計(jì)流程，在進(jìn)行平面洞線設(shè)計(jì)時(shí)尚未進(jìn)行縱斷面洞線設(shè)計(jì)，缺少直線在空間中的高程參數(shù)，僅可得出空間彎兩端直線的平面投影方程，無法得出直線的空間方程，從而無法確定空間彎洞線的曲線方程和投影橢圓弧方程，因此在平面洞線設(shè)計(jì)時(shí)無法進(jìn)行投影橢圓弧的設(shè)計(jì)。而縱斷面洞線以平面洞線為基礎(chǔ)，沿平面洞線進(jìn)行剖切展開，當(dāng)投影橢圓弧的曲線方程無法確定時(shí)，縱斷面洞線展開也無法實(shí)現(xiàn)。

為解決上述問題，需要結(jié)合ORD洞線設(shè)計(jì)模塊的特性，按照水工隧洞BIM正向設(shè)計(jì)流程進(jìn)行空間彎洞線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先，在進(jìn)行平面洞線設(shè)計(jì)時(shí)，先以折角方式處理可能會(huì)設(shè)置空間彎的部位，見圖5（a）；之后，沿折角對(duì)平面洞線進(jìn)行剖切展開形成縱斷面視圖，在該視圖中進(jìn)行縱斷面洞線設(shè)計(jì)，在平面洞線折角處，同樣以折角連接，見圖5（b）；此時(shí)，可以確定折角兩邊的直線方程，輸入空間彎半徑后即可計(jì)算確定空間彎洞線在平面的投影橢圓弧曲線方程和在縱斷面上的展開曲線方程，根據(jù)以上確定的方程進(jìn)行縱斷面洞線重繪，見圖5（c）；最后，基于平面、縱斷面曲線擬合形成空間彎洞線，見圖5（d）。

圖5 空間彎洞線設(shè)計(jì)

4.2 空間彎洞線設(shè)計(jì)算法

對(duì)空間彎位置的平面洞線和縱斷面洞線以折角方式處理后，可確定sp、pt直線方程以及交點(diǎn)p空間坐標(biāo)（xp，yp，zp）。空間彎洞線斜平面示意見圖6（以點(diǎn)q為圓心）。

圖6 空間彎洞線斜平面示意

（1）計(jì)算空間彎洞線端點(diǎn)m、n的坐標(biāo)。根據(jù)sp、pt直線方程可計(jì)算2條直線的單位向量和兩向量夾角α：

式中：s p和pt分別為直線sp和直線pt的單位向量，s p=（xs，ys，zs）、pt=（xt，yt，zt）。

線段mp和np的長(zhǎng)度計(jì)算公式為

式中：Lmp和Lnp分別為線段mp和np的長(zhǎng)度；R為空間彎半徑。

利用向量法可計(jì)算點(diǎn)m空間坐標(biāo)（xm，ym，zm）：

同理，可計(jì)算點(diǎn)n空間坐標(biāo)（xn，yn，zn）。

根據(jù)點(diǎn)p空間坐標(biāo)（xp，yp，zp）和單位向量s p=（xs，ys，zs），可計(jì)算單位向量pm：

（2）計(jì)算空間彎洞線在平面投影的橢圓弧曲線。首先計(jì)算單位向量s p和pt的法向量H：

根據(jù)法向量H計(jì)算線段mq的單位向量r：

由此，可以計(jì)算圓心q的空間坐標(biāo)（xq，yq，zq）：

根據(jù)點(diǎn)m、點(diǎn)n和點(diǎn)q的坐標(biāo)可以得出平面投影橢圓弧上點(diǎn)m′坐標(biāo)（xm，ym，0）、點(diǎn)n′坐標(biāo)（xn，yn，0）和點(diǎn)q′坐標(biāo)（xq，yq，0）。

根據(jù)點(diǎn)m′和點(diǎn)n′可計(jì)算得出投影橢圓弧方程：

式中：a、b分別為投影橢圓弧方程的長(zhǎng)半軸和短半軸。

（3）計(jì)算空間彎洞線在縱斷面展開曲線。空間彎洞線在縱斷面展開曲線為復(fù)雜曲線，難以用曲線方程進(jìn)行表達(dá)，因此采用B樣條曲線對(duì)縱斷面展開曲線進(jìn)行擬合（見圖7），將空間彎洞線進(jìn)行N等分，等分點(diǎn)坐標(biāo)ci=（xi，yi，zi）（i=1，2，…，N-1），計(jì)算出線段mq與ci q的夾角β：

圖7 空間彎洞線等分點(diǎn)示意

式中：N為等分?jǐn)?shù)；i為等分點(diǎn)序號(hào)。

根據(jù)單位向量s p和點(diǎn)m坐標(biāo)可計(jì)算等分點(diǎn)ci所在半徑延長(zhǎng)線ci c與直線sp交點(diǎn)c的坐標(biāo)（xc，yc，zc）：

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 地形導(dǎo)入

利用地質(zhì)測(cè)繪專業(yè)軟件對(duì)地形測(cè)繪數(shù)據(jù)和地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成地形測(cè)繪模型和地質(zhì)風(fēng)化層、斷層模型，模型導(dǎo)入效果如圖8所示。系統(tǒng)可支持tin、las、dat、dtm、dim、dem等多種數(shù)據(jù)格式，地形文件可支持三角網(wǎng)、點(diǎn)云、等高線等多種顯示模式。

圖8 地形地質(zhì)模型導(dǎo)入效果

5.2 洞線設(shè)計(jì)

洞線設(shè)計(jì)包括平面洞線設(shè)計(jì)和縱斷面洞線設(shè)計(jì)，平面洞線在平面視圖下進(jìn)行（見圖9（a）），綜合考慮地形、樞紐布置等因素，對(duì)于空間彎部位以折角替代?？v斷面洞線在縱斷面洞線展開視圖下進(jìn)行（見圖9（b）），在完成縱斷面洞線設(shè)計(jì)后，輸入空間彎半徑更新相應(yīng)的平面、縱斷面空間彎洞線。

圖9 水工隧洞洞線設(shè)計(jì)示意

平面洞線和縱斷面洞線設(shè)計(jì)完成后可自動(dòng)擬合生成空間洞線（見圖10），系統(tǒng)支持參數(shù)化洞線設(shè)計(jì)，即可以通過調(diào)整洞線參數(shù)修改平面洞線、縱斷面洞線，同時(shí)支持平面洞線、縱斷面洞線和空間洞線同步更新。

圖10 水工隧洞空間洞線擬合

5.3 橫斷面設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)模塊按照圍巖類別進(jìn)行典型斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)模塊界面見圖11。根據(jù)圍巖類別設(shè)置不同的斷面編碼，可在界面右側(cè)查詢橫斷面設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。

圖11 橫斷面設(shè)計(jì)模塊界面

橫斷面設(shè)計(jì)功能可支持矩形、圓形、馬蹄形和城門洞形4種斷面形式，設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋斷面幾何尺寸、結(jié)構(gòu)襯砌、固結(jié)灌漿、結(jié)構(gòu)縫和開挖支護(hù)等，參數(shù)設(shè)置界面見圖12。

圖12 橫斷面參數(shù)設(shè)置界面

5.4 參數(shù)化建模

利用隧洞洞線和橫斷面參數(shù)自動(dòng)創(chuàng)建水工隧洞三維模型，將相應(yīng)設(shè)計(jì)屬性附加在模型中，最終生成水工隧洞BIM設(shè)計(jì)模型，模型成果見圖13。

圖13 水工隧洞BIM模型成果

6 結(jié) 論

（1）通過對(duì)BIM技術(shù)在水工隧洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合傳統(tǒng)水工隧洞設(shè)計(jì)思路建立水工隧洞BIM正向設(shè)計(jì)流程，基于Bentley ORD軟件研發(fā)水工隧洞BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水工隧洞洞線設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)以及參數(shù)化建模。

（2）為解決水工隧洞空間彎設(shè)計(jì)與平面、縱斷面洞線設(shè)計(jì)流程之間的矛盾，通過算法實(shí)現(xiàn)空間彎洞線設(shè)計(jì)，滿足隧洞正向設(shè)計(jì)流程且符合設(shè)計(jì)習(xí)慣。洞線的修改與更新均由軟件后臺(tái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單，不影響設(shè)計(jì)效率。

（3）采用Parasolid內(nèi)核進(jìn)行隧洞參數(shù)化建模，相比ORD網(wǎng)格模型具有更高的幾何精度和可操作性，方便后續(xù)模型應(yīng)用。