徐 博

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著近幾年鐵路投資的不斷增加,山嶺隧道占比越來越大。隧道洞口作為隧道工程的重要組成部分,在施工及運營安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在施工期間,合理的洞口及明暗分界位置、臨時邊坡及排水設(shè)計能夠確保隧道安全進洞,并在雨季與地震等作用影響下保持穩(wěn)定。在運營期,科學有效地設(shè)置隧道洞口永久坡面防護、明洞等工程能夠防止在極端條件下洞口危巖落石、滑坡等造成的安全事故,確保運營安全。由此可見,隧道洞口設(shè)計合理與否將直接關(guān)系到后續(xù)隧道施工、運營階段的安全[1-3]。

目前傳統(tǒng)的隧道洞口設(shè)計方法是基于二維等高線圖點繪或通過實測線路橫斷面,采用“帶帽法”進行隧道洞口設(shè)計,通過不斷的迭代試畫,最終確定所有設(shè)計參數(shù),設(shè)計過程耗時費力。確定設(shè)計參數(shù)時,沿線路方向缺少連續(xù)性。在淺埋、偏壓等復雜地形、地質(zhì)情況下存在一定范圍的設(shè)計盲區(qū)。設(shè)計人員難以準確掌握隧道洞口填挖邊界,給填挖方工程數(shù)量計算、洞口排水、坡面防護等設(shè)計精度造成較大影響[4-5]。為解決上述問題,從設(shè)計角度出發(fā),研究了隧道洞口二三維同步設(shè)計方法,并基于BIM技術(shù)建立了符合鐵路隧道設(shè)計習慣的三維隧道洞口設(shè)計系統(tǒng)。

在研發(fā)隧道洞口輔助設(shè)計軟件方面,目前國內(nèi)高校及設(shè)計院均有相關(guān)研究成果。閆智[6]基于MicroStation采用MVBA技術(shù)開展了基于BIM的鐵路隧道洞門輔助設(shè)計研究,提出了參數(shù)化設(shè)計洞門結(jié)構(gòu)及附屬工程、仰坡的方法;何守旺[7]在AutoCAD Civil3D環(huán)境下通過.NET API接口實現(xiàn)了隧道洞口位置的選擇、數(shù)字地形的建立與洞門結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計功能;黃琦茗等[8]等提出了在MicroStation下參數(shù)化創(chuàng)建帽檐斜切式洞門的流程與方法,開發(fā)出能夠高效創(chuàng)建帽檐斜切式洞門模型與計算工程數(shù)量的程序;李俊松等[9]通過洞門參考圖提取關(guān)鍵幾何參數(shù),實現(xiàn)了基于實際線路的洞門模型快速實例化;伍丹琪等[10]針對斜切式洞門提出基于4條輪廓線要素的參數(shù)化設(shè)計方法,并在高鐵項目中進行了驗證。但現(xiàn)有研究多為針對特定洞門類型設(shè)計或在設(shè)計參數(shù)已確定的情況下,建立相應(yīng)的數(shù)學模型,通過參數(shù)化生成洞門結(jié)構(gòu)模型;亦或其輸出成果僅為三維模型,不能同步生成二維設(shè)計文件滿足當前法定文件交付格式的需求。從工點設(shè)計角度來看,并未充分利用線路、地形等邊界條件。在系統(tǒng)性方面也未涵蓋比較完整的設(shè)計內(nèi)容解決方案?？梢?符合隧道工點洞口工程設(shè)計流程的三維輔助設(shè)計系統(tǒng)仍有必要探討研發(fā)[11-13]。

1 隧道洞口設(shè)計重難點分析

在隧道洞口設(shè)計時,應(yīng)嚴格遵循“早進晚出”“順應(yīng)實際地形”“減少開挖,盡量保持邊仰坡穩(wěn)定”“重視洞口排水系統(tǒng)”的設(shè)計理念與原則[14]。因此,在隧道洞口工程設(shè)計過程中做好洞門結(jié)構(gòu)選型、關(guān)鍵里程確定、填挖方設(shè)計、洞口排水設(shè)計等工作就顯得尤為重要[15-17]。

1.1 洞門結(jié)構(gòu)選型

設(shè)計人員在設(shè)計之初應(yīng)針對隧道洞口地形、地質(zhì)特點,因地制宜選取合適的洞門類型。通常需要通過觀察線路走向與等高線的交角或手動點繪橫縱斷面確定洞門類型[18]。當線路與等高線基本垂直時可選擇斜切式或端墻式洞門;當線路與等高線相交角度較小時則采用臺階式洞門;當洞口地勢比較平緩時,為確保施工與運營安全,還需要考慮設(shè)置明洞洞門。傳統(tǒng)采用基于典型斷面的設(shè)計方法具有明顯的局限性,當洞門“帽子”放置在橫斷面相應(yīng)位置后,設(shè)計人員只能通過平面和特定的剖面,抽象地判斷洞門結(jié)構(gòu)是否在三維環(huán)境下與當前地形相適應(yīng),很難確保當前洞門結(jié)構(gòu)是否符合綠色環(huán)保等要求。

1.2 關(guān)鍵設(shè)計里程確定

隧道洞口關(guān)鍵設(shè)計里程有隧道洞口里程及明暗分界里程,應(yīng)同時兼顧最小進洞安全覆土厚度和最小洞口開挖量的要求。關(guān)鍵里程的選取將直接關(guān)系到隧道進洞施工安全。采用手工點繪橫斷面,通過不斷試畫迭代雖然能夠確定上述關(guān)鍵里程,但當線路平、縱設(shè)計發(fā)生變化后,設(shè)計人員需要重復上述步驟再次確定相關(guān)里程。設(shè)計過程費時費力,且不能實現(xiàn)精確的關(guān)鍵里程卡控。

1.3 填挖方設(shè)計

在隧道洞口設(shè)計中,應(yīng)盡可能減少對洞口的刷方與擾動[19]。但大多數(shù)隧道洞口設(shè)計仍不可避免涉及洞口挖方。一方面是為獲得比較穩(wěn)定的臨時邊坡和永久邊坡,同時能夠確保隧道進入暗洞前留有足夠的安全覆土厚度;另一方面,在明挖段還會涉及洞口填方設(shè)計。二維設(shè)計通常選取洞口典型斷面進行邊、仰坡設(shè)計及明洞回填設(shè)計,而在繪制平面圖時就會遇到開挖邊界及回填邊界難以確定的問題,只能以點帶面的簡化繪制。這樣會對工程數(shù)量計算及邊坡?lián)踝o設(shè)計精度造成一定影響。

1.4 洞口排水設(shè)計

洞外排水主要由截水溝、平臺排水溝、回填頂面排水溝與側(cè)溝組成。截水溝是防止地表水進入隧道范圍的第一道防線,能夠有效降低施工期間坡面浸水失穩(wěn)的風險。截水溝設(shè)計跟洞口開挖邊界線有一定關(guān)聯(lián)。根據(jù)坡面地質(zhì)特性,一般距離坡口線5～10 m設(shè)置截水溝,并根據(jù)不同的自然坡降,選用不同的水溝基礎(chǔ)類型[20]。在二維設(shè)計中,開挖邊界線主要是通過線路中線至邊、仰坡坡口水平距離卡控確定的,只能大致反映開挖線的趨勢。因此,也會導致截水溝的平面設(shè)計精度不高。

由此可見,采用傳統(tǒng)方法進行隧道洞口工程設(shè)計具有明顯局限性,亟需研究新的設(shè)計方法,提高設(shè)計質(zhì)量與效率。

2 隧道洞口BIM設(shè)計方法研究

2.1 基礎(chǔ)平臺選擇

實現(xiàn)隧道洞口工程三維設(shè)計要求基礎(chǔ)建模軟件具備以下功能:①BIM建模能力;②地形模型創(chuàng)建與剪切能力;③對線路要素的支持程度;④二維出圖能力。經(jīng)過對3款主流BIM軟件進行建模測試,對比情況如表1所示。

表1 隧道洞口三維建模適應(yīng)性測試統(tǒng)計Table 1 Adaptability test statistics for 3D modeling of tunnel portal

對比發(fā)現(xiàn),Autodesk平臺的Civil3D與Bentley平臺的OpenRailDesigner在對地形與線路中線的支持程度上相當,但從三維建模能力與對地形編輯靈活性上來說,OpenRailDesigner具有明顯優(yōu)勢。Revit本身是針對建筑行業(yè)的軟件,對線狀工程支持不是很好,尤其在線路空間定位和地形建模能力方面相對較弱,最終選擇OpenRailDesigner軟件作為基礎(chǔ)平臺進行研究。由于隧道洞口設(shè)計需要基于地形與線路中線開展空間定位與建模,采用手動方式設(shè)計過程繁瑣復雜,效率較低,本研究采用C++/C#混合編程方式輔助實現(xiàn)設(shè)計過程。利用C++對部分圖形處理的底層算法進行封裝與優(yōu)化,功能層開發(fā)采用開發(fā)效率較高的C#.net API接口實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)隧道洞口設(shè)計流程與業(yè)務(wù)特點,系統(tǒng)架構(gòu)主要可分為3層,分別為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和交互展現(xiàn)層,如圖1所示。數(shù)據(jù)層主要包括:地形數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)、設(shè)計模板和存儲設(shè)計信息的數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)邏輯層主要完成各設(shè)計內(nèi)容的算法實現(xiàn)與交互邏輯,是本系統(tǒng)最為核心的部分。交互展現(xiàn)層主要實現(xiàn)用戶操作過程中的信息獲取與表達,分別通過界面交互、對象交互和圖模同步來實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2.2 系統(tǒng)功能

隧道洞口工程設(shè)計流程一般分為:①地形模型建立;②創(chuàng)建線路;③洞口位置選擇;④洞門結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計;⑤邊仰坡設(shè)計;⑥回填設(shè)計(洞門接明洞時);⑦截水溝設(shè)計;⑧其他附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計;⑨出圖與算量。考慮OpenRailDesigner自身具有比較完備的地形、線路模型創(chuàng)建功能,地形模型可導入.TIF,.XYZ,.TIN等常用地形文件格式直接生成地形模型。線路中心線可以通過系統(tǒng)自帶的交點法或積木法直接進行線路設(shè)計,本文不再贅述。其余功能通過API接口采用二次開發(fā)的方式進行二三維同步設(shè)計。根據(jù)以上思路,將系統(tǒng)分為7個功能模塊,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig.2 System function module

2.2.3 數(shù)據(jù)庫選型與設(shè)計

由于在隧道洞口設(shè)計過程中,可能會出現(xiàn)同一洞口設(shè)計多個對比方案,為便于設(shè)計版本管理,需將設(shè)計數(shù)據(jù)以工程文件的方式與模型同步存儲。選取使用和維護方便的Sqlite數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫是一種進程內(nèi)的輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫本身就是一個文件,無需安裝與配置,能夠按系統(tǒng)需求進行靜態(tài)或動態(tài)連接并訪問其中的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要用于存儲隧道洞口信息及各部分的設(shè)計參數(shù),主要由表2數(shù)據(jù)組成。

表2 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)Table 2 Database table structure

2.3 主要設(shè)計功能實現(xiàn)

2.3.1 項目管理

為有效管理設(shè)計數(shù)據(jù),使系統(tǒng)具有更好的可擴展性與健壯性,對系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)級、項目級和工點級3個層次進行管理。各級數(shù)據(jù)分類如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)分級描述與適用范圍Table 3 Data classification description and scope of application

2.3.2 隧道洞口位置選擇

首先,利用導入的地形數(shù)據(jù),在OpenRailDesigner地形模塊中生成地形模型;然后,導入線路中線.dgn。根據(jù)隧道洞口地形條件試選一種洞門模板,初步輸入一個洞口里程,系統(tǒng)根據(jù)線路里程繪制線路法線方向的剖面線。通過設(shè)置步距,點擊向大或向小里程剖切,在預覽窗口中動態(tài)繪制橫剖面,并顯示當前剖面線在縱斷面中的位置。通過觀察隧道結(jié)構(gòu)與地面線的位置關(guān)系設(shè)計人員就能快速確定隧道洞口里程與明暗分界里程,如圖3所示。

2.3.3 洞口邊仰坡與回填設(shè)計

(1)邊仰坡設(shè)計

隧道洞口邊仰坡設(shè)計主要包括隧道洞口臨時邊坡及永久邊坡設(shè)計。本系統(tǒng)研發(fā)提出通過事先在洞口設(shè)計模板特定圖層中標記點A1、A2、A3、A4、B、C、D、E、F、H、O1、O2、O3作為邊坡設(shè)計的特征點,如圖4所示,各特征點的作用如表4所示。加載相應(yīng)的洞口設(shè)計模板后系統(tǒng)能夠自動識別特征點,設(shè)計人員通過輸入設(shè)計參數(shù)能夠動態(tài)驅(qū)動設(shè)計預覽圖。設(shè)計人員按照坡率:坡高:平臺寬的接坡規(guī)則輸入臨時、永久邊坡與仰坡設(shè)計坡率。確認設(shè)計參數(shù)后系統(tǒng)自動結(jié)合三維地形生成邊仰坡刷坡模型,如圖5所示。

圖4 隧道洞口設(shè)計模板特征點分布Fig.4 Distribution of characteristic points in portal design template

圖5 隧道邊、仰坡三維模型Fig.5 3D model of tunnel edge and front slope

表4 洞口設(shè)計模板特征點功能描述Table 4 Function description of feature points in portal design template

(2)明洞回填設(shè)計

如果選擇明洞洞門模板,則系統(tǒng)首先會根據(jù)回填高度h及O1、O2、O3點的自然坡度自動測算并推薦回填坡度,以便回填面與自然地形相匹配,設(shè)計人員可根據(jù)推薦值對坡比取整或微調(diào)。

(3)草圖預覽與模型生成

預覽窗口能夠根據(jù)預覽設(shè)置對三維地形進行動態(tài)剖切與剖面預覽,為確保預覽的靈活性,對剖切橫向范圍與線路中線偏移量進行參數(shù)化控制。根據(jù)邊、仰坡及回填設(shè)計參數(shù),設(shè)計草圖能夠同步在橫斷面及縱斷面預覽中動態(tài)顯示,見圖6。設(shè)計參數(shù)初步確定后,系統(tǒng)會自動在三維視口創(chuàng)建三維設(shè)計模型,用于驗證初步設(shè)計參數(shù)是否合理,如需對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整,則可在參數(shù)區(qū)動態(tài)調(diào)整以確定最終洞口邊仰坡及回填設(shè)計參數(shù)并輸出回填BIM模型,如圖7所示。

圖6 洞口設(shè)計草圖預覽Fig.6 Preview of 3D model opening design sketch for tunnel portal

圖7 回填BIM模型Fig.7 Backfilling BIM model

2.3.4 洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計

洞門結(jié)構(gòu)從洞門外觀角度大致可分為斜切式洞門與端墻式洞門。斜切式洞門(正切/倒切)與地形關(guān)聯(lián)度相對較小,標準化程度高,具有較高的復用性,可作為參數(shù)化共享單元存入構(gòu)件庫,在設(shè)計時按需調(diào)用。端墻式洞門具體可衍生出臺階式洞門、翼墻式洞門等,此類洞門一般需要根據(jù)洞口實際地形設(shè)置端墻形狀及臺階尺寸,比較靈活,可參數(shù)化程度低,因此,適合采用交互式輔助建模的方法,以便留給設(shè)計人員較大的設(shè)計自由度,系統(tǒng)提供手動繪制端墻輪廓并根據(jù)輪廓自動生成端墻頂帽沿的功能,并通過墻厚、仰角等參數(shù)自動生成洞門結(jié)構(gòu)模型并計算端墻圬工數(shù)量,如圖8所示。

圖8 端墻式洞門結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.8 Design of end wall portal structure

2.3.5 其他附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)截水溝設(shè)計

隧道洞口截水溝設(shè)計與線路設(shè)計類似,需要分別進行平面、橫斷面與縱斷面設(shè)計,基于系統(tǒng)自帶的廊道設(shè)計功能進行二次開發(fā)。首先,在洞口平面視圖中根據(jù)開挖邊界線走向繪制截水溝平面線條;再根據(jù)地形縱剖面設(shè)計水溝縱坡。結(jié)合地形及地質(zhì)情況選擇合適的水溝截面類型,為避免設(shè)計人員面向復雜的廊道橫斷面約束設(shè)計器,系統(tǒng)對常用的Ⅰ式～Ⅵ式水溝截面進行了參數(shù)化封裝,如圖9所示。為輔助設(shè)計人員快速選取合適的水溝截面類型,系統(tǒng)構(gòu)建了坡度評價機制,即通過對水溝橫向地面坡度進行(0～30°,30°～45°,>45°)比重分析,給出“較緩、較陡、很陡”3個等級評價,并推薦與之匹配的水溝斷面類型。選取不同的水溝橫斷面類型后能夠激活相應(yīng)的橫斷面參數(shù),設(shè)計人員根據(jù)水文資料填入具體水溝尺寸。由于水溝基礎(chǔ)開挖會引起局部地形填挖處理,設(shè)計人員在界面中設(shè)定填挖方坡率規(guī)則,系統(tǒng)便能夠自動實現(xiàn)水溝兩側(cè)填挖方模型創(chuàng)建。

圖9 隧道洞口截水溝設(shè)計Fig.9 Design of intercepting ditch at tunnel portal

(2)洞口超前管棚設(shè)計

隧道洞口超前管棚設(shè)計包括導向墻及管棚參數(shù)設(shè)計。主要控制參數(shù)有導向墻的厚度、長度,管棚的布設(shè)范圍、外插角、管徑、間距等。本系統(tǒng)通過交互界面填寫設(shè)計參數(shù),在二維預覽窗口中進行動態(tài)預覽,確定參數(shù)后系統(tǒng)生成三維模型,并根據(jù)線路數(shù)據(jù)計算定位坐標與方位角,將模型放置到正確的空間位置,如圖10所示。

圖10 洞口超前管棚設(shè)計Fig.10 Design of advance pipe shed at tunnel portal

2.3.6 工程數(shù)量計算

受隧道洞口地表自然起伏、刷坡面形狀不規(guī)則等因素影響,準確計算隧道洞口工程數(shù)量成為二維設(shè)計長久以來的難點。本次針對不同工程類型算量特點采取以列方式計算。

(1)洞口填挖方工程數(shù)量:通過構(gòu)建刷坡面、回填面、原始地形進行布爾運算,將形成的包圍構(gòu)造轉(zhuǎn)化為mesh對象,得到洞口開挖體與回填體,通過特性查詢獲得精確的填挖方體積。

(2)實體構(gòu)件工程數(shù)量:對于通過交互式輸入設(shè)計參數(shù)創(chuàng)建的實體結(jié)構(gòu)對象,結(jié)合設(shè)計參數(shù)直接統(tǒng)計其長度、個數(shù)等工程數(shù)量。

(3)坡面防護工程數(shù)量:二維設(shè)計時,坡面防護工程數(shù)量計算的難點在于坡面總面積難以準確計算,在三維環(huán)境下,通過拾取坡面子對象,由系統(tǒng)對坡面面積進行累加獲得邊坡總面積。而單位面積工程數(shù)量能夠通過設(shè)計參數(shù)精確計算得出。二者相乘后便能精確計算出洞口整體坡面防護工程數(shù)量。

2.3.7 二維出圖

隧道洞口出圖一般包括:洞口平面圖、橫斷面圖及縱斷面圖。對于平面出圖,由于在交互設(shè)計過程中已在三維環(huán)境下創(chuàng)建了三維模型,洞口平面圖只需將地形三角網(wǎng)轉(zhuǎn)化為等高線顯示模式后直接采用平面投影的方式實現(xiàn)。洞口橫斷面圖與縱斷面圖通過參數(shù)驅(qū)動與動態(tài)繪制的方式實現(xiàn)二維出圖。設(shè)計模板主要用于通過驅(qū)動特征點實現(xiàn)圖形變化。而其余設(shè)計參數(shù)如坡率、錨桿長度與間距、回填參數(shù)等則由系統(tǒng)調(diào)用繪圖函數(shù)動態(tài)繪制。圖紙信息設(shè)置與二維出圖效果如圖11所示。

圖 11 隧道洞口二維出圖效果(單位:cm)Fig.11 2D mapping effect of tunnel portal (unit: cm)

3 主要創(chuàng)新點

3.1 可動態(tài)擴展的設(shè)計模板

為適應(yīng)不同類型洞口設(shè)計,提出可參數(shù)驅(qū)動的模板“特征點”,能夠被系統(tǒng)自動識別并判斷開挖與回填基準。設(shè)計人員能夠?qū)ⅰ疤卣鼽c”規(guī)則應(yīng)用到自定義隧道洞口設(shè)計模板,有效提升了本系統(tǒng)的可擴展性與通用性。

3.2 二三維互動式設(shè)計

針對隧道洞口設(shè)計與現(xiàn)場地形特征強耦合的工程特點,提出采用二、三維同步設(shè)計的方式進行隧道關(guān)鍵里程選擇、洞口開挖與回填設(shè)計。充分利用二、三維表達方式的優(yōu)勢,利用二維視口精確卡控設(shè)計幾何參數(shù);通過三維視口對設(shè)計成果進行全方位動態(tài)監(jiān)視與調(diào)整,實現(xiàn)了隧道洞口的精細化設(shè)計。

3.3 智能化截水溝設(shè)計

充分利用OpenRailDesigner對地形的自適應(yīng)特性,通過二次開發(fā)封裝了常見水溝類型,并對地形坡度分析,實現(xiàn)了自動推薦水溝類型,快速創(chuàng)建適應(yīng)地形的水溝模型功能,有效降低了設(shè)計難度,提高了設(shè)計效率。

3.4 基于中心數(shù)據(jù)庫的二三維同步設(shè)計

系統(tǒng)實現(xiàn)了基于同一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計參數(shù),分別驅(qū)動繪圖函數(shù)生成二維圖紙與三維BIM模型,使設(shè)計人員對同一設(shè)計內(nèi)容只設(shè)計一次,極大地減輕了設(shè)計人員工作強度。

4 結(jié)語

從實際設(shè)計業(yè)務(wù)需求出發(fā),結(jié)合鐵路隧道洞口工程設(shè)計重難點,基于OpenRailDesigner 軟件,研發(fā)了鐵路隧道洞口二、三維同步設(shè)計系統(tǒng),實現(xiàn)了隧道洞口位置選擇、邊仰坡與回填設(shè)計、洞門主體結(jié)構(gòu)及附屬工程設(shè)計、主要工程數(shù)量計算與二維出圖功能。通過在西安至安康、西安至十堰高速鐵路中的實際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)滿足一般鐵路隧道洞口端墻及斜切式洞門設(shè)計需求,能夠較好契合鐵路業(yè)主提出的二維圖紙附加三維BIM模型的交付要求,顯著提升了隧道洞口設(shè)計效率與質(zhì)量。

目前,該系統(tǒng)能夠適用于一般常規(guī)地形下隧道洞口設(shè)計,對于特殊地形情況下,如半明半暗進洞、小間距雙洞單線隧道等設(shè)計工況,由于其地形條件變化靈活,設(shè)計規(guī)則可標準化程度低,仍具有一定的局限性。在洞口工程數(shù)量完備性上還需要根據(jù)不同工點洞口防護類型持續(xù)優(yōu)化與完善。