隧道精細化正向設計之路

精細化設計是實現構件信息化管理的有效途徑，也是支撐項目精細化管理的必由之路。BIM技術的發展，有效地推動著構件向精細化設計邁進，同時精細化設計也是BIM技術實現信息有效共享、可視化準確表達的基本保障。本文通過標準化較強的隧道管片，探索精細化設計應用，從建模準備、模型參數設置、模型關鍵控制點，直到二維圖紙的出圖等，完成了BIM技術精細化正向設計探索，為后續BIM技術精細化設計之路提供一定的參考。

異于傳統的管片設計建模

隨著科學技術的發展和人類文明的進步，城市地下空間的利用，在加強城市功能、改善城市環境、實現城市集約化和可持續發展中將發揮越來越重要的作用。隧道結構作為地下工程、城市軌道交通工程的主要載體之一，使用越來越普遍。而采用盾構法施工地下通道，在城市地鐵隧道、市政公用隧道、越江越海交通隧道、水利電力隧道和鐵路公路隧道等工程領域也得到了廣泛應用。

隧道線路一般由直線和曲線（緩和曲線及圓曲線）組成。盾構隧道由一系列等寬的管片排列而成，可以看成一組短折線（折線長度為一環襯砌寬度）的集合，以近似擬合成實際線路。對于曲線段，為了減少管片之間的間隙，要設計有一定楔形量的預制襯砌管片。由于采用短折線來替代光滑曲線，實際線形和設計線形不能完全吻合，兩者之間存在一定的誤差。因此，應對不同的襯砌管片按照一定的規律進行排列，以保證實際線形和設計線形之間的偏差，控制在工程允許的誤差范圍內。

目前使用的襯砌環組合類型主要為以下三種——

1.標準襯砌環與左右轉彎楔形襯砌環組合。

這種組合由三種管片襯砌環組成：左轉彎、右轉彎楔形襯砌環和直線襯砌環。這種方式采用的襯砌環類型較多，鋼模數盤多，對施工管理有較高的要求。同時這種組合方式只考慮平面線形，故當有豎曲線時，需要采用楔形貼片。

2.楔形襯砌環組合。

這種組合由兩種管片襯砌環組成：左轉彎、右轉彎楔形襯砌環。這種方式比上種方式少了直線襯砌環，其特點基本與1相似。

3.通用型管片。

通用管片只有一種楔形管片類型，盾構掘進時根據盾構機內環向千斤頂傳感器信息和線路線形設計要求，以及已拼管片位置和旋轉角信息，確定下一環襯砌繞管片中心線轉動的角度，達到線路擬合和糾偏的目的。與以上兩種組合方式不同，由于管片均為同一種楔形環，既能滿足平面曲線擬合要求，也能滿足豎曲線擬合要求，其對線路的擬合為空間擬合，但需要更高的管理水平和自動化拼裝水平。

這三種襯砌環組合類型各有優缺點，在工程實踐中均有使用。

目前，隨著通用管片的制造與使用的便捷性，應用也越來越廣泛。國內外相關研究主要集中在盾構隧道通用楔形管片的排版與選型研究上，其中也涉及部分曲線段的擬合問題及盾構隧道曲線擬合的原理和算法?；诙軜嬎淼狼€擬合原理和算法的影響因素也較多，如最小曲線半徑、擬合曲線精度的評價、管片環初始拼裝誤差的影響等問題。本次研究僅側重于參數化建模及二維圖紙的關聯繪制方面進行了相關的工作，對于隧道管片的排版及選型的工作沒有做進一步的探討。

隧道管片設計示例

本次研究的范例為某隧道截面，主要技術指標：管片采用平板型鋼筋混凝土管片襯砌；管片類型為通用楔形襯砌環，雙面楔形，楔形量為56mm；管片分塊為1+2+7，即每環有一個封頂塊（F），2個臨接塊（L1，L2），7個標準塊組成（B1~B7）；管片結構外徑15.2m，內徑13.9m，管片環寬2.0m，管片壁厚650mm；襯砌環、縱縫均采用斜螺栓連接；每道環縫采用28根M30斜螺栓連接，每道縱縫采用2根M39斜螺栓連接；襯砌環采用錯縫拼接，通過管環旋轉來擬合線路。

隧道斷面示意圖

標準塊示意圖

封頂塊示意圖

設計模型主要從參數化建模角度，對建模注意事項進行簡單介紹。首先，進行相關參數的預設值，主要是對需要考慮調整的參數進行設置。參數設置時不宜過多，但也必須考慮到后期的應用便利性，不能過少。

其次，進行整體模型的架構。需要先將幾個關鍵要素進行控制，如端面的幾何要素，關鍵控制面等信息。條件明確后，就可以開始進行三維參數化構件設計。在設計過程中，應該確保參數邏輯關系清晰、結果表達唯一，避免后期參數化調整過程中產生不必要的問題。

三維模型

第三步進行二維出圖。隧道管片三維模型二維圖紙轉化主要有兩部分，第一部分為環片整體布置圖，第二部分為管片單獨二維細節圖。

對于整體環片布置圖，需要表達的是整體環片的角度布置情況、預埋件位置以及接縫位置等。低于單個管片，可分別出圖。

管片整體布置圖

單個管片二維圖

其他的管片詳圖圖樣可以按這個模式進行繪制。這些二維圖與三維圖之間存在關聯，但是對于二維圖上的標注而言，因為大部分不是三維模型的特征屬性，所以在二維視圖更新過程中，大部分尺寸不能被聯動更新。

由于傳統的二維繪圖模式往往是在默認曲面展開投影下進行的相應簡化繪圖，在BIM技術二維圖紙轉化過程中，由于精細化設計導致傳統二維簡化表達模式難以適應，所以在BIM正向二維出圖時需要對傳統模式進行適當調整，來使用這種全新的表達模式。如在三維軸測圖中進行相關尺寸標注，預定義部分大樣詳圖等來解決部分難以表達的細節等內容。

在V6系統中，達索系統新引入的繪圖平臺ASD模塊，極大地提升了目前工程制圖平臺的功能，可以更加方便地完成三維模型的二維圖紙轉化工作，提升了二維圖紙轉化的工作效率。

管片精細化設計的優勢

通過BIM技術，不僅可以實現管片精細化設計，還可以結合相應的規則與檢查功能，對管片的排版及選型，比較方便地實現參數化及智能化控制。

管片精細化設計的優勢在于：隧道工程管片，特別是通用管片，比較適合于精細化設計，模板通用性強，便于控制與管理；通過參數化設計，可以更好地提升精細化設計的適應能力；BIM正向設計下的隧道管片，其二維表達需要調整設計表達思路，來適應這種全新的設計模式；精細化管片的二維圖紙表達，可以借助三維軸測圖的優勢進行不同角度的尺寸表達，結合部分剖面尺寸，來完善二維圖紙的表達信息。

BIM技術正向設計需要精細化設計手段作為支撐，通過思路的轉變可以很好地適應這種新技術的發展，不斷提升BIM正向能力與水平。

BIM技術的深入發展，離不開構件的精細化設計。BIM技術與交通土建行業傳統二維表達的顯著差異之一就是構件設計的精細化，與傳統的二維近似設計表達相比，BIM技術精細化設計的道路還比較曲折漫長。