趙雙益，歐陽(yáng)君，田 濤

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 概 述

OpenBuildings Designer（以下簡(jiǎn)稱OBD）是Bentley軟件公司旗下的一款功能全面的BIM建模設(shè)計(jì)軟件,廣泛應(yīng)用于水利水電、建筑、礦冶、道路和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)。BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)并集成建設(shè)工程及設(shè)施相關(guān)特征信息的工程數(shù)字模型，可以通過(guò)數(shù)字化的形式完整地表達(dá)工程項(xiàng)目的相關(guān)特征信息。BIM技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程中，各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，從建模、技施出圖到成果展示都有很大的優(yōu)勢(shì)，既可以直觀地展示工程整體三維效果，也可以利用模型計(jì)算工程量以及技施出圖，但是目前在水利水電工程設(shè)計(jì)中推廣BIM技術(shù)仍然有許多困難，其中重要的原因是大部分BIM軟件中水工模塊較少，很多水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有現(xiàn)成的模板可用，每個(gè)項(xiàng)目都需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)尺寸特征重新建模，構(gòu)件可重復(fù)利用率很低。如果能對(duì)水利工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并創(chuàng)建水工建筑物參數(shù)化元件庫(kù)，在不同的工程建模過(guò)程中只需修改元件的參數(shù)就可以快速生成設(shè)計(jì)模型，建模和設(shè)計(jì)效率將有所提高。

OBD內(nèi)置基本的三維建模模塊及建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)模塊。用OBD創(chuàng)建模型后，可將模型導(dǎo)入Navigator軟件中進(jìn)行碰撞檢查，也可將模型導(dǎo)入LumenRt中進(jìn)行渲染，制作漫游動(dòng)畫。同時(shí)OBD具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，以距離、角度、函數(shù)表達(dá)式來(lái)定義變量，以平行、垂直、重合、固定、同心、相切等二維和三維約束來(lái)確定各元素的相對(duì)位置關(guān)系，利用點(diǎn)、線、曲面、實(shí)體的方式來(lái)構(gòu)造參數(shù)化模型。OBD中將組成建筑的各個(gè)部分稱為單元，軟件中單元可分為單元、復(fù)合單元、DGN單元、參數(shù)化單元四類。參數(shù)化的定義是，通過(guò)修改參數(shù)的方式來(lái)改變對(duì)象的形體大小。參數(shù)化單元是指由OBD創(chuàng)建的參數(shù)化對(duì)象，其幾何形體可以在軟件中用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的單元。前三類單元不能通過(guò)修改參數(shù)的方式來(lái)改變單元形體的大小。創(chuàng)建參數(shù)化單元和創(chuàng)建普通單元的方法類似，在參數(shù)化模型建立后，用創(chuàng)建普通單元的命令勾選參數(shù)化選項(xiàng)建立參數(shù)化單元，這樣就可以用參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)模型。自定義對(duì)象是OBD特有的功能，把模型的參數(shù)化變量鏈接到OBD數(shù)據(jù)集工具自定義編輯器中，做成參數(shù)化的自定義對(duì)象，這樣就可以把已經(jīng)建立的模型導(dǎo)入其他類似的工程項(xiàng)目中，只需通過(guò)修改屬性命令，就可以直接修改模型的參數(shù)，從而調(diào)整模型的尺寸大小，滿足同類工程的建模和設(shè)計(jì)需要，避免重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)工作效率。OBD參數(shù)化建模的流程如圖1。

圖1 OBD參數(shù)化建模流程

犬木塘水庫(kù)工程是一個(gè)以灌溉為主，結(jié)合城鄉(xiāng)供水，兼顧灌區(qū)水生態(tài)環(huán)境改善以及航運(yùn)、發(fā)電等綜合利用效益的二等大（II）型水利工程，建設(shè)內(nèi)容包括樞紐、灌區(qū)兩大部分。九龍嶺隧洞全長(zhǎng)19.26 km，設(shè)計(jì)流量29 m3/s，洞身采用城門洞型式，為無(wú)壓隧洞。隧洞穿越泥盆系及石炭系地層，沿線地質(zhì)情況復(fù)雜；采用鉆爆法開挖施工，工期為60個(gè)月，是犬木塘水庫(kù)工程施工的控制性工程。本文以九龍嶺隧洞工程為例，采用OpenBuildings Designer軟件對(duì)A2型斷面隧洞洞身進(jìn)行參數(shù)化建模，并分析模型在工程中的應(yīng)用。

2 三維參數(shù)化建模

隧洞在設(shè)計(jì)過(guò)程中都需要根據(jù)本段地質(zhì)情況及自身過(guò)流要求，調(diào)整洞身尺寸及支護(hù)方式，重復(fù)性工作較多，為實(shí)現(xiàn)快速建模及修改，對(duì)洞身進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)是十分必要的。OBD軟件參數(shù)化工具主要在約束工具欄中，其中[fx變量]命令用來(lái)定義變量，[按元素]、[距離]、[角度]等命令用來(lái)給對(duì)象賦予已經(jīng)定義的變量，二維約束和三維約束用來(lái)確定對(duì)象的相對(duì)位置關(guān)系。約束工具欄如圖2所示。

圖2 約束工具欄

OBD軟件創(chuàng)建參數(shù)化模型具體方法和步驟如下:

1）建立局部變量。首先對(duì)隧洞進(jìn)行分析，選取合適的控制參數(shù)。隧洞洞身的參數(shù)包括底板寬度、側(cè)墻高度、拱頂角度、初襯厚度、超前注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度及外插角、小導(dǎo)管間距、排水孔角度及長(zhǎng)度等變量，以及半徑、拱頂高度等因變量，如圖3所示。

圖3 建立局部變量

2）繪制點(diǎn)、線、面、體等各種對(duì)象，通過(guò)約束的形式把變量賦予給各對(duì)象，以平行、垂直、重合、固定、同心、相切等二維和三維約束來(lái)確定各對(duì)象的相對(duì)位置關(guān)系，如圖4所示。建立參數(shù)化動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)截面和相關(guān)構(gòu)件（工字鋼、超前注漿小導(dǎo)管、鎖腳錨桿、排水孔等），這些構(gòu)件本身也是參數(shù)化的，同時(shí)這些構(gòu)件都能隨著隧洞截面的變化而自動(dòng)變化，如圖5所示。每個(gè)對(duì)象都有其自由度，不能缺少約束，也不能過(guò)度約束，缺少約束，對(duì)象的位置和形體大小不能確定；過(guò)度約束，軟件會(huì)報(bào)錯(cuò)或運(yùn)算時(shí)出錯(cuò)。

圖4 給對(duì)象賦予變量和約束

圖5 參數(shù)化動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)截面及構(gòu)件

第一個(gè)難點(diǎn)在于如何約束拱圈的圓弧，起點(diǎn)、圓心和終點(diǎn)可以確定一段圓弧，但是圓弧有內(nèi)外兩個(gè)方向，如果不能確定圓弧的方向，圓弧的位置是可以變化的，如圖6所示。這時(shí)可以采用創(chuàng)建輔助點(diǎn)的方式，在圓弧的某個(gè)方向上定一個(gè)點(diǎn)，先約束這個(gè)點(diǎn)，再把圓弧與點(diǎn)進(jìn)行二維約束，這樣就可以確定圓弧的方向。

圖6 拱頂圓弧具有兩個(gè)方向

第二個(gè)難點(diǎn)在于如何創(chuàng)建參數(shù)化的沿徑向外插的超前注漿小導(dǎo)管。需要先創(chuàng)建一條垂直于截面的輔助線，約束這條線，在相對(duì)坐標(biāo)系里創(chuàng)建一根沿徑向外插的小導(dǎo)管，約束小導(dǎo)管與輔助線的角度，再陣列這根小導(dǎo)管。需要注意的是，不能使用普通陣列的方式，必須使用陣列參數(shù)化實(shí)體特征命令，這些構(gòu)件才能隨著截面的變化而自動(dòng)變化。

第三個(gè)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)工字鋼的形狀根據(jù)隧洞截面的變化而動(dòng)態(tài)變化。解決方法是在隧洞截面上提取輪廓線，將輪廓線與隧洞截面約束，再以這條輪廓線為路徑進(jìn)行參數(shù)化放樣，這樣當(dāng)隧洞截面參數(shù)變化時(shí)，工字鋼也能根據(jù)隧洞截面的變化而動(dòng)態(tài)變化。

3）在參數(shù)化動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)截面和構(gòu)件的基礎(chǔ)上，通過(guò)放樣、拉伸實(shí)體、陣列等命令建立參數(shù)化的隧洞實(shí)體模型，九龍嶺隧洞A2型斷面隧洞洞身模型如圖7所示。A2型斷面底板寬5 000 mm，側(cè)墻高3 700 mm，拱頂角度120°，超前注漿小導(dǎo)管外插角為5°。

圖7 參數(shù)化隧洞實(shí)體模型

4）把參數(shù)化的隧洞實(shí)體模型做成參數(shù)化單元，不同尺寸和支護(hù)方式的設(shè)計(jì)截面可以直接調(diào)用該參數(shù)化單元，只需在調(diào)用的時(shí)候修改相應(yīng)的參數(shù)即可。九龍嶺隧洞其他設(shè)計(jì)斷面都可以通過(guò)修改該單元參數(shù)獲得，同時(shí)該參數(shù)化單元也可以應(yīng)用于其他工程項(xiàng)目中。例如某工程中隧洞底寬為8 000 mm，超前注漿小導(dǎo)管外插角為15°，模型在曲線段（曲線也是參數(shù)化的，模型可以根據(jù)不同的曲線參數(shù)自動(dòng)變化），如圖8所示。

圖8 曲線段的參數(shù)化隧洞實(shí)體模型

5）參數(shù)化自定義對(duì)象。把該模型的參數(shù)化變量鏈接到OBD數(shù)據(jù)集工具自定義編輯器中，做成參數(shù)化的自定義對(duì)象。在類似的工程項(xiàng)目中，只需通過(guò)修改屬性命令，就可以直接修改自定義參數(shù)，從而滿足不同工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要。采用三維參數(shù)化建立的隧洞模型，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，模型可以重復(fù)利用于其他類似工程。

3 工程量統(tǒng)計(jì)、出圖和結(jié)構(gòu)計(jì)算

1）統(tǒng)計(jì)工程量。參數(shù)化模型建立之后，給模型不同的結(jié)構(gòu)部分賦予相應(yīng)的應(yīng)用樣式，如：C25鋼筋混凝土初襯、C15掛網(wǎng)噴護(hù)混凝土、I16工字鋼拱架等，然后使用OBD軟件自帶的工程量統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)工程量，導(dǎo)出詳細(xì)或簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)報(bào)表。

2）出圖。制定統(tǒng)一的企業(yè)級(jí)出圖規(guī)則，如文字樣式、標(biāo)注樣式、線型、剖面填充圖案等圖面元素樣式。OBD軟件采用DV（Dynamic Views）動(dòng)態(tài)切圖技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)圖紙與模型的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，方便地獲得剖面線型線寬和圖案填充，同時(shí)得到構(gòu)件信息，然后進(jìn)行尺寸標(biāo)注及圖紙說(shuō)明完成最終的設(shè)計(jì)圖紙。

3）結(jié)構(gòu)計(jì)算。水利工程BIM/CAE智能化集成平臺(tái)計(jì)算軟件，是對(duì)OBD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，打通了建模到計(jì)算的整個(gè)過(guò)程。在OBD中運(yùn)行模型檢查，將模型輸出到ANSYS結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中，再在ANSYS中進(jìn)行相應(yīng)的模型處理，完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用OBD軟件對(duì)隧洞洞身進(jìn)行參數(shù)化建模，然后把參數(shù)化的隧洞模型做成參數(shù)化單元和自定義對(duì)象，可以有效減少模型修改的工作量，提高建模效率，并且模型可以重復(fù)利用于不同的工程項(xiàng)目中，減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作。OBD軟件具有批量打印、渲染、動(dòng)畫、施工模擬、統(tǒng)計(jì)工程量、出圖等功能，同時(shí)對(duì)OBD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，在ANSYS中完成模型的計(jì)算，這樣可以提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率，更好地服務(wù)于工程設(shè)計(jì)方案的成果匯報(bào)、建設(shè)期施工及后期運(yùn)營(yíng)管理。