應(yīng)用Bim 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高鐵隧道洞口的精準(zhǔn)建模

歐陽(yáng)艷*

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南，714099）

應(yīng)用Bim 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高鐵隧道洞口的精準(zhǔn)建模

歐陽(yáng)艷*

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南，714099）

2011年住建部發(fā)布的相關(guān)文件，極大的推動(dòng)了BIM技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用，更多的施工企業(yè)開(kāi)始將BIM技術(shù)作為投標(biāo)合同的內(nèi)容之一，以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。CATIA作為BIM的核心建模軟件之一，在飛機(jī)外形設(shè)計(jì)、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及裝配等諸多領(lǐng)域成功應(yīng)用，同時(shí)可為隧道工程精準(zhǔn)建摸提供強(qiáng)大的平臺(tái)支持，目前很少有針對(duì)高鐵隧道復(fù)雜洞門精準(zhǔn)建模的案例,本文以合福線鳳凰山隧道洞門為例，利用洞門輪廓真實(shí)坐標(biāo)值，提出了應(yīng)用CATIA V5中Generative Shape Design和Part Design模塊進(jìn)行高鐵隧道復(fù)雜洞門精準(zhǔn)建模的具體方法，將對(duì)后期隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)分析、數(shù)值模擬、參數(shù)優(yōu)化等工作有重要意義。

高速鐵路；隧道洞門；三維建摸；CATIA V5；創(chuàng)程式外形設(shè)計(jì)

引言

BIM——Building Information Modeling，即建筑信息模型。1975年創(chuàng)建，2002年開(kāi)始在工程建設(shè)領(lǐng)域出現(xiàn)并發(fā)展。BIM技術(shù)最早誕生于美國(guó)，其BIM應(yīng)用最為廣泛。在我國(guó)，長(zhǎng)期以來(lái)，高鐵隧道都采用AutoCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用平、縱斷面圖和橫斷面圖等設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工和技術(shù)交底，其缺陷是不具直觀性，僅從二維圖紙很難認(rèn)清隧道主體結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的關(guān)系，尤其不能反映圍巖的基本情況，對(duì)施工安全管理不利。采用三維建模則可以帶來(lái)便捷。由于政策支持，BIM技術(shù)已經(jīng)從設(shè)計(jì)階段向施工階段延伸[1]，越來(lái)越多的項(xiàng)目招標(biāo)合同將BIM作為亮點(diǎn)。應(yīng)用BIM技術(shù)可將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體，提高可視性，進(jìn)行各種模擬如施工模擬、節(jié)能模擬等，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行成本控制，為后期的項(xiàng)目管理工作提供支持，其應(yīng)用價(jià)值明顯[2]。作為BIM的核心建模軟件之一，Dassault公司的CATIA是全球最高端的機(jī)械設(shè)計(jì)制造軟件，應(yīng)用到工程建設(shè)行業(yè)無(wú)論是對(duì)復(fù)雜形體還是超大規(guī)模建筑其建模能力，表現(xiàn)能力和信息管理能力都比傳統(tǒng)的建筑類軟件有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。如郭禹彤[4]利用CATIA建立飛機(jī)展開(kāi)壁板數(shù)字化模型。程佰興，王作乾[5]應(yīng)用CATIA進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤的有限元分析。李維學(xué)、王仲奇[6]等應(yīng)用CATIA V5進(jìn)行產(chǎn)品自動(dòng)裝配。高鐵隧道曲線形的結(jié)構(gòu)輪廓、曲線形的構(gòu)件如鋼拱架、基于曲線輪廓放置的錨桿等都適合采用CATIA作為設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)建模。

高鐵隧道洞門在設(shè)計(jì)時(shí)以美觀實(shí)用、簡(jiǎn)潔大方、保護(hù)環(huán)境為原則，摒棄了傳統(tǒng)的端墻式、翼墻式、臺(tái)階式等的洞門形式，多采用正切、斜切、倒切、弧形擋墻的形式。由于列車在通過(guò)隧道時(shí)，產(chǎn)生活塞效應(yīng)，空氣會(huì)形成壓縮波，在隧道出口形成微氣壓波，導(dǎo)致噪音，為減小微氣壓波效應(yīng)，我國(guó)高鐵隧道常采用帽檐斜切式洞門。而隧道洞門參數(shù)將影響隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)[7]，因此對(duì)洞門進(jìn)行精準(zhǔn)建模是后續(xù)數(shù)值模擬、參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文以合福線上的鳳凰山隧道洞門為例，提出了利用CATIA平臺(tái)進(jìn)行復(fù)雜洞門精準(zhǔn)建模的具體方法。

1 工程概況

合福線上的鳳凰山雙線隧道全長(zhǎng)495m，速度目標(biāo)值350Km/h，隧道所在區(qū)域?qū)儆趧兾g低山區(qū)，地勢(shì)起伏較大，自然邊坡15o－25o。表層為粉質(zhì)黏土，硬塑狀，下伏基巖云母石英片巖，地表水為孔隙潛水，地下水為基巖裂隙水。洞門和洞身圍巖均為Ⅴ級(jí)。出口及入口均采用帽檐斜切式洞門，斜切面坡度1：1.25，仰坡1：1.5。

圖1 洞門正面圖

圖2 洞門剖視圖

2 建?；A(chǔ)

（1）充分識(shí)讀合福線雙線隧道洞門工程圖紙，搜集高鐵隧道帽檐斜切式洞門施工的現(xiàn)場(chǎng)圖片，理清洞門的空間結(jié)構(gòu)，并在熟悉帽檐斜切式洞門施工工藝的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CATIA V5對(duì)隧道洞門進(jìn)行精準(zhǔn)建模。

（2）建立坐標(biāo)系：在 CATIA V5軟件中新建一個(gè)名為suidaodongmen.CATPart的文件。首先建立坐標(biāo)軸系。如圖1、圖2所示。Y軸指向線路延伸方向；X軸垂直于線路延伸方向；Z軸垂直于XY平面，為豎直方。同時(shí)設(shè)置原點(diǎn)位置 。

（3）建模單位設(shè)置：考慮與導(dǎo)入excel表格中的坐標(biāo)值單位一致，減少由于換算導(dǎo)致的錯(cuò)誤，設(shè)置建模的單位為mm。

（4）洞門結(jié)構(gòu)沿隧道中軸面（洞門輪廓圖中所示Y-Z面）對(duì)稱，可利用洞門結(jié)構(gòu)半側(cè)坐標(biāo)值進(jìn)行建模。

3 建模方法

3.1 建模思路

CATIA軟件建模的過(guò)程是由點(diǎn)生成線，由線到面，由面創(chuàng)建三維實(shí)體?；谧鴺?biāo)點(diǎn)控制線型，過(guò)程中根據(jù)空間距離值精確創(chuàng)建參考平面，從而保證由線生成的曲面或者由參考平面得到的曲面足夠精確，最終準(zhǔn)確建模。

分析該隧道洞門正面圖和1-1剖視圖，該洞門形狀輪廓由A、B、C、D四條曲線確定，每條曲線均有半側(cè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)值，利用對(duì)稱可得曲線全部的控制點(diǎn)，在軟件中首先生成所有控制點(diǎn)，然后繪制四條輪廓線，由線創(chuàng)建曲面最終形成實(shí)體洞門。

3.2 建模具體過(guò)程

（1）輪廓線A的繪制，將A輪廓半側(cè)17個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值準(zhǔn)確輸入名為GSD_PointSplineLoftFro的excel表格中，從左至右依次為每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的 X、Y、Z坐標(biāo)值，如圖3所示。用 excel表格中查看宏并執(zhí)行的命令將坐標(biāo)導(dǎo)入到CATIA軟件中，由此可自動(dòng)生成空間中17個(gè)控制點(diǎn)，

如圖4所示。選擇所有控制點(diǎn)運(yùn)用與YZ平面對(duì)稱命令，得到另外17個(gè)控制點(diǎn)。

圖3 洞門控制點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 CATIA生成控制點(diǎn)

（2）進(jìn)入Generative Shape Design模塊，運(yùn)用樣條曲線命令，依次選擇33個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，形成洞門輪廓A曲線。其余三條曲線同法可繪制得到。

圖5 洞門輪廓樣條曲線

圖6 洞門四條輪廓樣條曲線

（3）創(chuàng)建帽檐曲面：運(yùn)用橋接曲面命令，選擇第一條曲線為曲線B，第二條曲線為曲線D，如圖5 、圖6所示。設(shè)置完成確定，得到第一個(gè)曲面。后橋接曲線D、C和橋接曲線A、B，形成帽檐外表面三個(gè)曲面，如圖7所示。

圖7 帽檐曲面

圖8 創(chuàng)建參考平面

（4）創(chuàng)建洞身襯砌輪廓曲面：首先創(chuàng)建一個(gè)參考平面 1，使其為 ZX平面的偏移平面，設(shè)置偏移值為 18000mm。如圖8所示。運(yùn)用拉伸命令將樣條曲線C沿Y軸拉伸至參考平面1。采用同種方法將曲線 A進(jìn)行拉伸，得到后續(xù)部分襯砌內(nèi)外輪廓，如圖9所示。

圖9 襯砌內(nèi)外輪廓面

圖10 隧道洞門實(shí)體

（5）創(chuàng)建洞門實(shí)體：運(yùn)用橋接命令將底部和后部形成曲面。將所有曲面進(jìn)行接合。運(yùn)用封閉曲面命令形成實(shí)體。如圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

Catiav5三維建模的基本思路是由點(diǎn)到線，由線到面，由面生成體。本文通過(guò)導(dǎo)入鳳凰山隧道洞門輪廓線坐標(biāo)值，利用catia v5 中Generative Shape Design 模塊生成樣條曲線，由曲線橋接生成面，利用Part Design模塊，將所有曲面封閉形成實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜洞門基于坐標(biāo)值的精準(zhǔn)建模。

[1]賀靈童. BIM在全球的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 工程質(zhì)量,2013,(3)： 12-19.

[2]程建華,王輝. 項(xiàng)目管理中 BIM 技術(shù)的應(yīng)用和推廣[J]. 施工技術(shù),2012： (8)：18-21.

[3]何關(guān)培. BIM和BIM相關(guān)軟件[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2010,(12)：110-117.

[4]郭禹彤. 基于 CATIA 的飛機(jī)展開(kāi)壁板數(shù)字化模型建立研究[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化. 2016,(15)： 114-115.

[5]程佰興,王作乾. 基于 CATIA的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(6)： 22-24.

[6]李維學(xué),王仲奇,康永剛,等. 基于CATIA V5二次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品自動(dòng)裝配[J]. 制造材料,2010,(1)： 40-43.

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Apply Bim Technology to Construct Three-dimensional Model Accurately of the Tunnel Entrance

OUYANG Yan*
(Shaanxi Railway Engineering Vocational and Technical College,Shanxi Weinan,714099,China)

In 2011,the related documents issued by the department of housing construction have greatly promoted the application of BIM technology in China. More construction enterprises have begun to use BIM technology as one of the contents of the tender contract in order to improve the competitiveness of enterprises. As one of the core modeling software of BIM,CATIA has been successfully applied in many aspects,such as design of aircraft shape,design of cutter in shield tunneling machine,design and assembly of Mechanical product and so on,and it can provide powerful platform support for constructing three-dimensional model accurately in tunnel engineering .At present,there are rare cases of precise modeling of complex tunnel doors in high-speed railway. This paper is taking Feng Huang Shan tunnel door of Hefei -Fuzhou railway as an example,using the true coordinates of the profile on tunnel door. it proposes the concrete method of constructing three-dimensional model accurately of the complicated high - speed railway tunnel entrance by using generative shape design and part design of catia v5,it has important significance in the analysis of Tunnel aerodynamic effects,numerical simulation and parameter optimization on late stage.

high - speed railway，tunnel door，Three-dimensional modeling ，CATIA V5，Generative Shape Design

U455

A

1672-9129(2017)06-0072-03

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.025

歐陽(yáng)艷. 應(yīng)用Bim技術(shù)實(shí)現(xiàn)高鐵隧道洞口的精準(zhǔn)建模[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 72-74.

Cite：OUYANG Yan. Apply Bim Technology to Construct Three-dimensional Model Accurately of the Tunnel Entrance[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 72-74.

2017-02-05；

2017-03-08。

歐陽(yáng)艷（1982-04），女，陜西渭南，講師，碩士研究生，研究方向：土木工程。

Email：kdzp001@163.com