隧道精细化正向设计之路

精细化设计是实现构件信息化管理的有效途径，也是支撑项目精细化管理的必由之路。BIM技术的发展，有效地推动着构件向精细化设计迈进，同时精细化设计也是BIM技术实现信息有效共享、可视化准确表达的基本保障。本文通过标准化较强的隧道管片，探索精细化设计应用，从建模准备、模型参数设置、模型关键控制点，直到二维图纸的出图等，完成了BIM技术精细化正向设计探索，为后续BIM技术精细化设计之路提供一定的参考。

异于传统的管片设计建模

随着科学技术的发展和人类文明的进步，城市地下空间的利用，在加强城市功能、改善城市环境、实现城市集约化和可持续发展中将发挥越来越重要的作用。隧道结构作为地下工程、城市轨道交通工程的主要载体之一，使用越来越普遍。而采用盾构法施工地下通道，在城市地铁隧道、市政公用隧道、越江越海交通隧道、水利电力隧道和铁路公路隧道等工程领域也得到了广泛应用。

隧道线路一般由直线和曲线（缓和曲线及圆曲线）组成。盾构隧道由一系列等宽的管片排列而成，可以看成一组短折线（折线长度为一环衬砌宽度）的集合，以近似拟合成实际线路。对于曲线段，为了减少管片之间的间隙，要设计有一定楔形量的预制衬砌管片。由于采用短折线来替代光滑曲线，实际线形和设计线形不能完全吻合，两者之间存在一定的误差。因此，应对不同的衬砌管片按照一定的规律进行排列，以保证实际线形和设计线形之间的偏差，控制在工程允许的误差范围内。

目前使用的衬砌环组合类型主要为以下三种——

1.标准衬砌环与左右转弯楔形衬砌环组合。

这种组合由三种管片衬砌环组成：左转弯、右转弯楔形衬砌环和直线衬砌环。这种方式采用的衬砌环类型较多，钢模数盘多，对施工管理有较高的要求。同时这种组合方式只考虑平面线形，故当有竖曲线时，需要采用楔形贴片。

2.楔形衬砌环组合。

这种组合由两种管片衬砌环组成：左转弯、右转弯楔形衬砌环。这种方式比上种方式少了直线衬砌环，其特点基本与1相似。

3.通用型管片。

通用管片只有一种楔形管片类型，盾构掘进时根据盾构机内环向千斤顶传感器信息和线路线形设计要求，以及已拼管片位置和旋转角信息，确定下一环衬砌绕管片中心线转动的角度，达到线路拟合和纠偏的目的。与以上两种组合方式不同，由于管片均为同一种楔形环，既能满足平面曲线拟合要求，也能满足竖曲线拟合要求，其对线路的拟合为空间拟合，但需要更高的管理水平和自动化拼装水平。

这三种衬砌环组合类型各有优缺点，在工程实践中均有使用。

目前，随着通用管片的制造与使用的便捷性，应用也越来越广泛。国内外相关研究主要集中在盾构隧道通用楔形管片的排版与选型研究上，其中也涉及部分曲线段的拟合问题及盾构隧道曲线拟合的原理和算法。基于盾构隧道曲线拟合原理和算法的影响因素也较多，如最小曲线半径、拟合曲线精度的评价、管片环初始拼装误差的影响等问题。本次研究仅侧重于参数化建模及二维图纸的关联绘制方面进行了相关的工作，对于隧道管片的排版及选型的工作没有做进一步的探讨。

隧道管片设计示例

本次研究的范例为某隧道截面，主要技术指标：管片采用平板型钢筋混凝土管片衬砌；管片类型为通用楔形衬砌环，双面楔形，楔形量为56mm；管片分块为1+2+7，即每环有一个封顶块（F），2个临接块（L1，L2），7个标准块组成（B1~B7）；管片结构外径15.2m，内径13.9m，管片环宽2.0m，管片壁厚650mm；衬砌环、纵缝均采用斜螺栓连接；每道环缝采用28根M30斜螺栓连接，每道纵缝采用2根M39斜螺栓连接；衬砌环采用错缝拼接，通过管环旋转来拟合线路。

隧道断面示意图

标准块示意图

封顶块示意图

设计模型主要从参数化建模角度，对建模注意事项进行简单介绍。首先，进行相关参数的预设值，主要是对需要考虑调整的参数进行设置。参数设置时不宜过多，但也必须考虑到后期的应用便利性，不能过少。

其次，进行整体模型的架构。需要先将几个关键要素进行控制，如端面的几何要素，关键控制面等信息。条件明确后，就可以开始进行三维参数化构件设计。在设计过程中，应该确保参数逻辑关系清晰、结果表达唯一，避免后期参数化调整过程中产生不必要的问题。

三维模型

第三步进行二维出图。隧道管片三维模型二维图纸转化主要有两部分，第一部分为环片整体布置图，第二部分为管片单独二维细节图。

对于整体环片布置图，需要表达的是整体环片的角度布置情况、预埋件位置以及接缝位置等。低于单个管片，可分别出图。

管片整体布置图

单个管片二维图

其他的管片详图图样可以按这个模式进行绘制。这些二维图与三维图之间存在关联，但是对于二维图上的标注而言，因为大部分不是三维模型的特征属性，所以在二维视图更新过程中，大部分尺寸不能被联动更新。

由于传统的二维绘图模式往往是在默认曲面展开投影下进行的相应简化绘图，在BIM技术二维图纸转化过程中，由于精细化设计导致传统二维简化表达模式难以适应，所以在BIM正向二维出图时需要对传统模式进行适当调整，来使用这种全新的表达模式。如在三维轴测图中进行相关尺寸标注，预定义部分大样详图等来解决部分难以表达的细节等内容。

在V6系统中，达索系统新引入的绘图平台ASD模块，极大地提升了目前工程制图平台的功能，可以更加方便地完成三维模型的二维图纸转化工作，提升了二维图纸转化的工作效率。

管片精细化设计的优势

通过BIM技术，不仅可以实现管片精细化设计，还可以结合相应的规则与检查功能，对管片的排版及选型，比较方便地实现参数化及智能化控制。

管片精细化设计的优势在于：隧道工程管片，特别是通用管片，比较适合于精细化设计，模板通用性强，便于控制与管理；通过参数化设计，可以更好地提升精细化设计的适应能力；BIM正向设计下的隧道管片，其二维表达需要调整设计表达思路，来适应这种全新的设计模式；精细化管片的二维图纸表达，可以借助三维轴测图的优势进行不同角度的尺寸表达，结合部分剖面尺寸，来完善二维图纸的表达信息。

BIM技术正向设计需要精细化设计手段作为支撑，通过思路的转变可以很好地适应这种新技术的发展，不断提升BIM正向能力与水平。

BIM技术的深入发展，离不开构件的精细化设计。BIM技术与交通土建行业传统二维表达的显著差异之一就是构件设计的精细化，与传统的二维近似设计表达相比，BIM技术精细化设计的道路还比较曲折漫长。