吳賢國 黃浩 馮宗寶 王雷 陳虹宇 曹源 肖宏笛 覃亞偉,

(1.華中科技大學土木與水利工程學院，武漢 430074；2.南洋理工大學土木工程與環(huán)境學院，新加坡 639798；3.武漢華中科大檢測科技有限公司, 武漢 430074)

引言

一般來說，在隧道施工中，由于各種風險因素的影響，我國隧道施工中安全事故時有發(fā)生[1]。早期研究采用現(xiàn)狀調查、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法，分析盾構隧道施工風險，但存在耗時長、成本高及誤差大等缺陷[2]。隨著信息技術的發(fā)展，學者對盾構施工參數(shù)自動預警進行研究，并將參數(shù)預警整合于盾構風險監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)施工參數(shù)的自動預警[3]。在提高風險管控時效性、全面性及系統(tǒng)性的同時，實現(xiàn)了精細化、標準化、信息化風險管控[4]。隧道施工中的預警機制是危機管理的基本機制之一，可以最大程度地減少突發(fā)公共事件造成的公共財產(chǎn)和生命損失[5]。

傳統(tǒng)的安全預警手段主要存在數(shù)據(jù)查詢能力差、信息傳遞不靈活和表達效果不直觀的問題[6]。國內大量學者采用結構分析法[7]、層次分析法[8]和超前探測法[9]對隧道施工進行動態(tài)風險評估?，F(xiàn)有研究中BIM 安全預警防范主要與GIS 技術相結合，搭建安全預警平臺，主要通過識別不良地質進行風險評價[10,11]。然而都尚未集成“信息采集—模型構建—結構計算—可視化預警”各個子模塊，未能形成“監(jiān)測—預警—可視化與決策”的成套體系。為了解決這些問題，本文采用一套BIM 集成有限元分析的方法。通過盾構管片數(shù)值模擬，得到管片襯砌接縫截面內力值，帶入襯砌截面計算安全系數(shù)公式，得到襯砌結構安全系數(shù)；根據(jù)安全系數(shù)值大小，向不同預警等級的襯砌賦予映射表面材質，進行襯砌管片施工安全預警，得到襯砌管片五級安全預警可視化效果圖，從而形成一套具有實時、快速、良好可視化效果的隧道安全預警技術，具有更好的可操作性和直觀的預警能力。以武漢軌道交通7 號線盾構段實例為研究背景，建立隧道BIM模型并利用本文提出的方法進行有限元力學分析得到結構安全系數(shù)，通過程序賦值實現(xiàn)結構安全可視化預警。所提出的研究思路可以對BIM 技術在結構計算和數(shù)據(jù)信息分析方面的功能進行拓展，提高了決策響應的效率。

1 結構分析及安全預警可視化流程

本文采取的主要技術路線如下：首先快速創(chuàng)建盾構隧道BIM 模型，得到的BIM 模型將被快速轉換為有限元模型進行結構分析，利用計算得到的結構內力進一步計算得到盾構隧道襯砌的結構安全系數(shù)，進行襯砌管片施工安全預警，最后基于BIM 可視化技術展示盾構隧道安全等級。

1.1 創(chuàng)建盾構隧道BIM 模型

圖1 所示為盾構隧道BIM 模型的一般創(chuàng)建流程，通常采取三個步驟進行：創(chuàng)建隧道平縱橫軸線路徑、設置此路徑上的橫截面形式加載地質模型。

圖1 盾構隧道BIM 模型創(chuàng)建流程

需要注意的是，由于現(xiàn)有的地質勘探技術獲取地質信息的能力有限，多數(shù)基于BIM 創(chuàng)建的地質模型只有外觀表達，地層數(shù)據(jù)的處理和劃分仍為致有限元計算不收斂[12]。因此，目前采用有限元軟為件建立地質模型更為合理。盾構隧道BIM 建模主要所需數(shù)據(jù)就包含兩個方面，一是隧道橫斷面型式，二是隧道軸線路徑，其中最重要的建模數(shù)據(jù)是隧道橫斷面型式。鑒于其相對簡單的幾何約束規(guī)則，借助軟件通過參考線、參考平面和特征點等各種約束實現(xiàn)參數(shù)化建模。為便于后續(xù)有限元計算，其中管片接頭是隧道BIM 建模的關鍵部分。

圖2 所示為裝配式襯砌BIM 渲染模型示意圖，其中管片接頭部分包含管片間的環(huán)向和縱向接頭，通常采用螺栓連接，連接部位預設手孔。相比起有限元建模軟件，BIM 在參數(shù)化制定輪廓線從而快速創(chuàng)建管片襯砌環(huán)、隧道接頭等實體部件方面具有絕對的優(yōu)勢[13]。

圖2 盾構隧道管片模型

1.2 BIM 模型向有限元模型快速轉換

圖3 所示為有限元模型分析流程包含的三個階段，即建模（前處理）、計算與數(shù)據(jù)可視化（后處理）。

圖3 盾構隧道有限元分析流程

通過提取BIM 模型中的幾何特性，材料物理參數(shù)創(chuàng)建隧道有限元模型將大大提升建模效率。同時，隧道有限元模型還需要其他數(shù)據(jù)信息，包含材料本構關系定義、部件邊界上的網(wǎng)格種子劃分、部件間的連接接觸類型、邊界約束條件及荷載分布等信息。而這些信息不能在BIM 軟件中得到體現(xiàn)，仍需要在有限元軟件中進行進一步定義。因此，本文以隧道BIM 模型為媒介，通過數(shù)據(jù)接口和軟件插件手段實現(xiàn)BIM 模型轉化為結構有限元分析模型。此模型具有精度高、建模效率高等特點，并可根據(jù)不同材料特性，不同連接接觸類型，不同荷載工況進行有限元分析。

1.3 盾構隧道襯砌安全系數(shù)計算

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2014）規(guī)定的襯砌計算，當構件截面由混凝土抗壓強度控制時，截面初始偏心距，極限承載力計算公式如式(1)：

式中:φ為構件縱向彎曲系數(shù)，襯砌取1；aR為混凝土極限抗壓強度；b為截面寬度；h 為截面厚度；α為襯砌結構受軸力的偏心影響系數(shù)。其中襯砌結構受軸力的偏心影響系數(shù)α的取值依據(jù)式(2)確定：

2 隧道結構計算及安全預警可視化方

本文采用REVIT 作為BIM 建模平臺，首先將CATIA 作為中轉文件，ABAQUS 作為后端有限元分析工具，利用接口插件ABAQUS for CATIA（AFC）實現(xiàn)BIM-FEM 間模型轉換；其次，針對各個實體單元材質參數(shù)賦值的問題，通過PYTHON 編程提取設計人員在REVIT 中定義的材料參數(shù)，再導入ABAQUS 進行參數(shù)信息與實體模型的匹配；最后，利用結構分析得到的內力計算結構安全系數(shù)，得到的安全系數(shù)通過賦予相應的映射表面材質實現(xiàn)盾構隧道安全預警可視化表達。

2.1 模型轉換

在CATIA 中安裝AFC 插件連接ABAQUS 軟件，此插件將在CATIA 分析與模擬模塊中安裝“結構非線性分析”工作臺，在REVIT 前端完成隧道BIM 建模后，利用該工作臺對模型進行網(wǎng)格劃分操作，得到的幾何模型和網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)通過INP文件在ABAQUS中讀取，從而建立對應有限元模型。通過CAD 和CAE 的協(xié)同工作，快速可靠地發(fā)揮兩款軟件各自的優(yōu)勢。

2.2 參數(shù)數(shù)據(jù)提取

從BIM 模型中通過模型轉換獲取幾何模型和網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)以外，實體模型中對應的材質屬性，包括彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)信息仍需要賦予對應的有限元模型中。本文借鑒其他學者在REVIT 模型向ANSYS 模型轉換的經(jīng)驗[14]，采用ABAQUS 所支持的PYTHON 編程語言，提取BIM 模型中必要的材質屬性。通過GetMaterialIds 函數(shù)從實例對象（Element）的結構材質（StructureAsset）類屬性中提取材料的材質屬性，獲得該元素所有材質集合（ElementId）。將獲取的材質集合轉化為Material 對象，去除FEM 分析不需要的冗余信息后即可得到對應的材質屬性名稱及數(shù)值。

2.3 參數(shù)信息與實例模型匹配

獲得模型參數(shù)信息后，必須根據(jù)模型構建，將參數(shù)信息與實體單元匹配起來，才能使完整的結構有限元模型被建立。圖4 展示了采取的參數(shù)信息與實例模型匹配方式，主要步驟包括：

圖4 參數(shù)信息與實例模型匹配方式

（1）對于轉換的盾構隧道幾何模型，對每個構件都給定一個唯一的編號，同時，將相對應的聯(lián)系添加在BIM 模型構件和ABAQUS 模型幾何實體構件之間；

（2）按照BIM 模型構件不同的參數(shù)信息，將相應的材質標號賦予給構件；

（3）根據(jù)BIM 模型構件和ABAQUS 模型之間的聯(lián)系，按照材質編號順序，將具有相同材質屬性（即材質編號標號相同）的構件在ABAQUS 模型中確定出來，并將相應的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)信息設定給這些構件，從而完成參數(shù)信息的匹配。

2.4 安全等級在BIM 中可視化表達

有限元模擬容易得到截面內力值，同時截面內力值可以直觀的反應出構件的受力情況，容易判別構件的安全狀態(tài)。因此，根據(jù)有限元結構計算所得到的截面內力值計算各管片結構安全系數(shù)，通過設置不同結構健康等級的安全系數(shù)閾值，賦予對應管片表面材質參數(shù)，材質參數(shù)為管片可視化顏色，不同的材質參數(shù)對應不同結構健康預警等級。通過以上映射關系可得到預警可視化界面的BIM 隧道模型。通過計算各節(jié)段管片的結構安全系數(shù)，評估結構健康與否可根據(jù)結構安全系數(shù)閾值進行評判，結合BIM 技術實現(xiàn)有限元計算與安全系數(shù)閾值關聯(lián)關系在BIM 模型上的直接映射。通過控制不同安全系數(shù)閾值在管片模型上的可視化顏色表示，實時跟蹤隧道結構健康狀態(tài)，直觀反映結構實時健康預警狀態(tài)。

參考《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》《地鐵及地下工程建設風險管理指南》《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》等文件，確定安全系數(shù)閾值，在永久荷載和基本可變荷載組合下，由混凝土的抗壓強度控制時，襯砌截面臨界安全系數(shù)不應小于2.4；由混凝土的抗拉強度控制時，襯砌截面臨界安全系數(shù)不應小于3.6[15]。表1 所示為本文按照相應安全系數(shù)閾值設置的五級可視化預警等級，其中每級對應的警示程度依次用暗藍色、綠色、黃色、淺紅色和紅色體現(xiàn)，直觀地表現(xiàn)出結構的安全狀態(tài)。

表1 基于BIM 三維可視化的五級預警

本文利用DYNAMO 軟件編程實現(xiàn)襯砌結構安全可視化，具體步驟如下：

（1）基于結構安全預警等級與表面材質RGB 顏色映射關系編制Excel 文件，利用DYNAMO 軟件中Data.ImportExcel 節(jié)點組成代碼塊讀取各列參數(shù)；

（2）基于計算所得的結構安全系數(shù)和實體單元ID對應關系編制Excel 文件，在DYNAMO 中讀取的各襯砌管片的安全系數(shù)，并與安全系數(shù)閾值作比較，對應不同預警等級；

（3）將不同預警等級的襯砌管片賦予映射表面材質，即設置相應顏色，完成襯砌結構五級風險預警可視化。

3 案例分析

3.1 工程概況與分析

武漢市軌道交通7 號線一期工程（越江段）的起點位置在金銀湖區(qū)，隧道直徑達15.2m，是穿越長江最寬的隧道，是中國國內直徑最大的江底隧道。其施工難度和復雜性很大，有必要對其結構健康安全進行可視化監(jiān)測和預警。因此，本文選擇該項目作為研究對象。該項目全長約31.3km，里程范圍AK0+000 ～AK31+300，包括漢口岸風井至武昌岸風井公鐵合建盾構段、兩岸公路主線及匝道明挖段（不包括三陽路車站及秦園路車站），道路主線隧道全長4 650m。表2 為該項目所處土層物理力學參數(shù)。

表2 土層物理力學參數(shù)

本文研究區(qū)間為K1+450～K2+450 勘察段內，據(jù)勘探鉆孔揭示，上部主要為由碎石、磚塊、生活垃圾等組成的黏性土，下部為可塑狀態(tài)的粉質粘土、粉砂和淤泥質粉質黏土以及中粗砂，場區(qū)下伏基巖為白堊～第三系東湖群礫巖、粉砂質泥巖及粉砂巖，巖面高程-36.62 ～-16.93m。

3.2 建立盾構隧道BIM 模型

圖5 所示為武漢軌道交通7 號線盾構段橫截面，采用外徑為15 200mm，內徑13 900mm，厚650mm，環(huán)寬2 000mm。襯砌環(huán)采用10 等分的分塊方案，設計采用C50 型號混凝土，假設僅考慮混凝土材料為彈性材料，參考《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010-2010），混凝土密度取2 430 kg/m3，彈性模量取3.45x104 MPa，泊松比取0.2。襯砌環(huán)采用拼裝式單層襯砌組裝方式錯縫拼裝，在凹凸榫槽處設置管片環(huán)縱縫。其中，縱縫使用直螺栓進行連接，環(huán)縫使用彎螺栓進行連接。

圖5 武漢軌道交通7 號線盾構段橫截面

采用CIVIL 3D 建立三維隧道橫縱坡軸線路徑，得到的路徑文件輸出為Landxml 格式，通過插件Extensions 與REVIT 進行交互。通過DYNAMO 工具箱拾取載入的隧道中心線，在拾取線上基于圖紙進行參數(shù)化創(chuàng)建隧道橫截面。結合CIVIL 3D 中獲取的隧道軸線路徑和REVIT 中創(chuàng)建的參數(shù)化截面輪廓，在DYNAMO 中對其進行參數(shù)化編程，將隧道軸線路徑進行分段處理，并在分段位置處放置相應的截面輪廓。

3.3 隧道BIM 模型向FEM 模型快速轉換

為降低有限元軟件計算負擔，本文只取所建立的盾構隧道BIM 模型中五節(jié)襯砌環(huán)進行分析。將建立的BIM 模型通過接口插件AFC 導入到ABAQUS 中，并利用編制的PYTHON程序讀取襯砌及土層的材質屬性，在ABAQUS 中按單元編號順序依次對相應的有限元實體模型進行賦值。根據(jù)工況分析及設計材料，本模型需要對四層土體和管片進行材質賦值。遍歷一至四號土層，對每一層土層賦予密度、壓縮模量、泊松比、內摩擦角和粘聚力參數(shù)，最后對單元編號為五的管片結構賦予密度、彈性模量和泊松比參數(shù)。此外，實體模型的本構關系、各部件間的接觸連接方式、荷載加載方式和邊界條件仍需要在ABAQUS 軟件中進行進一步定義。隧道BIM 模型向FEM 轉換流程如圖6 所示。

圖6 BIM 模型向FEM 轉換流程圖

3.3.1 本構關系

對于土體和襯砌，使用彈塑性本構關系，選擇Mohr-Coulomb 準則作為屈服準則?？紤]到襯砌的應力和變形是本次分析所主要考慮的問題，襯砌采取六面體八節(jié)點實體單元，而土體采用四面體四節(jié)點進行模擬。為了避免襯砌間相互侵入的現(xiàn)象在受力變形過程中出現(xiàn)，將兩兩管片間的接觸屬性定義為“法向硬接觸”，同時，為了簡化數(shù)據(jù)分析復雜性，將盾構隧道管片與地層間的接觸定義為tie 接觸，即綁定關系，使得土體和管片可以協(xié)調變形。

3.3.2 計算荷載與邊界條件

（1）模型計算荷載

為了研究管片環(huán)位移及應力分布，計算荷載考慮管片環(huán)上覆土荷載、側向土壓力、地基反力和管片襯砌上覆土荷載、側向土壓力、地基反力和管片襯砌結構自重，受力示意圖如圖7 所示。

圖7 模型計算荷載示意圖

（2）模型邊界條件

盾構隧道結構是通過縱向和環(huán)向螺栓連接多個管片所構成的多接縫結構，因此隧道接縫處通常為整體剛度的薄弱環(huán)節(jié)，為有效的模擬管片接頭處的螺栓作用，將BIM 模型中已經(jīng)定位的螺栓點通過彈簧連接進行模擬。根據(jù)工程實際情況將螺栓作用換算為剪切彈簧系數(shù)。根據(jù)盾構管片設計資料，螺栓的拉伸彈性模量可以作為M30 螺栓模擬的彈簧抗拉常數(shù)，其彈簧系數(shù)計算公式見式(3)，M30 螺栓模擬的彈簧剪切彈簧系數(shù)的計算見式(4)。

式中：ku為抗拉彈簧彈性系數(shù)；E 為螺栓的拉伸彈性模量; A 為螺栓的長度；ES為管片的彈性模量（MPa）;Sν為管片泊松比；Lj為軸方向接頭間隔（m）；SB為管片寬度（m）；Sh為管片厚度（m）。

根據(jù)式(3)和(4)可得螺栓模擬的抗拉彈簧彈性系數(shù)為1.4x108N/m，剪切彈簧系數(shù)為1.03 x108N/m。圖8 所示為建立的管片—彈簧體系。設置三方向（X、Y、Z）剪切彈簧為一組，并保證所設置的每組3 個方向的彈簧都位于局部坐標系中。在環(huán)向及縱向接觸的襯砌間每個接觸面上對應的螺栓定位點處各設置1 組剪切彈簧，則每個環(huán)向及縱向接觸面上應各設置有2 組剪切彈簧，每個襯砌環(huán)應設置有40 組剪切彈簧。同時考慮對環(huán)向襯砌間和縱向襯砌間賦值模擬的抗拉彈簧彈性系數(shù)及剪切彈簧彈性系數(shù)。

圖8 管片-彈簧體系

3.4 計算結果

通過有限元計算分析，在上覆土荷載作用下管片環(huán)的位移及應力分布分析如下：豎向位移表征隧道沉降量，Mise 應力和第一主應力表征盾構管片環(huán)的內力影響。將BIM 建模導入ABAQUS 計算結果與ABAQUS模型計算結果進行對比，如表3 所示，兩種模型的最大等效應力及最小等效應力所在位置相同，計算結果偏差約為6.9%，說明本文計算結果相比傳統(tǒng)FME 模擬結果偏差不大，驗證了計算結果的真實性和可靠性。

表3 計算結果對比

管片環(huán)的環(huán)向的Von Mises 等效應力云圖如圖9(a)～(b)所示。從圖中可以看出，管片環(huán)向應力范圍為3.25MPa～5.45MPa。模型在拱頂處存在壓應力最小值為3.25MPa。管片環(huán)拱腰及拱腹部出現(xiàn)壓應力最大值為5.45MPa。管片環(huán)在彈簧模擬螺栓作用處的第一主拉應力云圖。管片環(huán)在螺栓處存在應力集中現(xiàn)象，應力幅值從-0.96Mpa～+1.25MPa，沿管片環(huán)向存在最大拉應力0.96MPa，沿管片縱向存在最大壓應力1.25MPa。

圖9 管片環(huán)的Mise 應力圖和第一主拉應力圖

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》的規(guī)定，C50 混凝土的抗壓強度和抗拉強度設計值分別為23.1 MPa 和1.80 Mpa，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，有限元計算結果均滿足管片環(huán)的抗壓強度控制和抗拉強度控制，說明盾構管片結構安全性較好。

3.5 基于BIM 的襯砌結構安全預警

3.5.1 襯砌結構安全系數(shù)計算

為計算襯砌結構安全系數(shù)，需要有限元內力計算結果，用ABAQUS 軟件輸出實體單元的截面軸力和彎矩。ABAQUS 軟件與其他有限元分析軟件不同，無法直接繪制構件彎矩圖、軸力圖，截面內力輸出是通過定義輸出截面得到內力數(shù)值來確定的，因此，選擇合適的截面顯得格外重要。由于管片接縫處受力較為復雜，且易于發(fā)生錯臺、滲漏水等病害，本文選取管片接縫截面進行安全系數(shù)計算。取一環(huán)襯砌半截面進行計算，通過path 命令選擇管片各接縫處切片位置，利用view cut 功能截取截面，在free body cut 選項中選取軸力和彎矩，并規(guī)定為矢量和形式，在report 命令中讀取并寫入截面彎矩和軸力數(shù)據(jù)，如圖10 所示。

圖10 襯砌接縫處截面內力圖

從圖中可知，在基本荷載作用下，襯砌各截面均為受壓極限強度控制。將襯砌接縫截面內力值帶入式計算得到襯砌結構安全系數(shù)。其中封頂塊（F）和臨接塊（L）的結構安全系數(shù)分別為4.15 和4.55，基本塊（B1、B2、B3、B4）的結構安全系數(shù)分別為5.12、5.64、10.12、10.24。

3.5.2 結構安全預警可視化展示

利用Excel 軟件編制基于結構安全預警等級與表1中對應的RGB 顏色映射關系表格文件。在DYNAMO中通過實體單元ID 對應關系讀取Excel 文件，獲得的各襯砌管片的安全系數(shù)，并與安全系數(shù)閾值作比較，對應不同預警等級，圖11 展示了向不同預警等級的襯砌賦予映射表面材質，形成五級結構安全可視化展示。

圖11 襯砌管片五級安全預警可視化

4 結論

通過本文研究，在BIM 集成有限元分析盾構隧道結構安全預警可視化領域可以得出三個結論：

（1）本文使用的接口程序及代碼快速有效實現(xiàn)BIM 模型向FEM 分析模型的轉化，并且這種定制性的轉化方式有利于在不同材料特性、不同連接接觸類型、不同荷載工況下進行有限元分析，快捷方便地實現(xiàn)BIM 與有限元間的模型交互分析；

（2）本文建立基于BIM 技術的結構安全預警機制，將結構安全系數(shù)引入BIM 模型中，實現(xiàn)安全預警可視化，可以很好地應用到結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中；

（3）本文針對武漢軌道交通7 號線進行工程實例應用。通過工程實例分析表明，提出的模型轉化方法和結構安全預警可視化方法具有良好的應用效果，可操作性好。根據(jù)預警風險級別高的管片，在預制廠里面進行質量檢查和在拼裝過程與拼裝后校核進行處理，可為類似工程提供參考。