基于BIM的隧道结构盾构段参数化设计方法

技术领域

本发明涉及工程设计行业的BIM技术领域，具体为基于BIM的隧道结构盾构段参数化设计方法。

背景技术

BIM是建筑信息模型技术，是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，是用来形容以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计。

参数化技术是计算机辅助设计领域（ComputerAidedDesign，CAD）技术不断发展过程中产生的革命性技术，在制造业对自动化和智能化程度提出更高要求的情况下，就需要更加贴合的技术支撑，由此，参数化技术应运而生。和传统CAD设计相比，参数化设计不是针对某一几何形体进行设计，而是设计了一类拥有共同特征参数的几何形体，通过对特征参数修改，可以得到相似但不相同的几何形体。用参数和程序控制三维模型，使模糊调整比手工建模更精确、更合理，提高模型生成和修改速度，快速实现建筑、结构模型的有效互动，大大提高设计效率。

近几年，BIM技术应用于民用建筑、工业的领域的设计较成熟，也带来了非常大的技术革新，而针对隧道工程没有成熟的体系。隧道工程常见的有公路山岭隧道和城市地下隧道，不同的工法如盾构、明挖、沉管等对BIM模型的要求有很大的不同，尤其是城市地下隧道断面形式变化多样，对隧道BIM设计要求高。隧道工程的BIM设计依赖于路线，而隧道本身多为空间曲线，现有单一的技术工具和方法均无法满足实现隧道路线、断面等参数化联动设计。

经检索，关于隧道盾构的BIM设计的相关专利已有公开。如，中国专利申请号为CN202110089490.7的申请案公开了一种参数化的TBM盾构隧道模型建立方法，主要解决的是盾构隧道的管片建模方法，对于隧道内部结构及设计出图等无法满足，人工手动建模，效率低下，且由于隧道本身多为空间曲线，人工建模准确率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供基于BIM的隧道结构盾构段参数化设计方法，以解决上述背景技术中提出的对于隧道内部结构及设计出图等无法满足，人工手动建模，效率低下，且由于隧道本身多为空间曲线，人工建模准确率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于BIM的隧道结构盾构段参数化设计方法，包括以下步骤：

S1、将隧道盾构段的平面路线和纵断面路线进行二维设计，并对盾构段的路线数据进行分析和输出；

S2、建立盾构段管片标准块、邻接块、封顶块的三维构件模型；

S3、对盾构段结构中心、路面中心、左右线位置进行采样，建立内部盾构标准横断面；

S4、通过三维平台对盾构段管片进行排版得到隧道盾构管片三维模型；

S5、三维平台通过盾构段管片三维空间数据对步骤S3中的盾构标准横断面进行融合三维模型处理；

S6、通过步骤S5中的融合三维模型对隧道盾构段内部结构模型进行建立；

S7、利用步骤S6中得到的隧道盾构段内部结构模型和管片三维模型进行整合处理并对构件尺寸和所在位置进行统计。

作为本发明的一种优选方案：所述步骤S1中隧道盾构段的平面路线的线条起点通过一个固定的桩号值描述，所述隧道盾构段的纵断面线条起点通过一个固定的高程值描述。

作为本发明的一种优选方案：所述步骤S1中的盾构段的路线输出包括盾构段三维空间坐标数据输出和盾构段管片排版数据输出。

作为本发明的一种优选方案：所述盾构段管片三维空间坐标数据输出为获取平面路线线条关键节点，通过获取节点距离起点的位置得出节点的桩号值数据。

作为本发明的一种优选方案：所述盾构段管片排版数据输出，具体包括以下步骤：

S101、根据标准管片的宽度，对平面路线进行定距等分，获得每个等分节段的中心点桩号值和高程；

S102、获取每个等分节段的中心点桩号值的XY坐标，高程为Z坐标；

S103、获得每环管片中心点的空间位置，根据每个等分节段起点和终点方向匹配最相近的盾构错缝旋转角度，得到每一环管片在实际布置中需要旋转的角度数据。

作为本发明的一种优选方案：所述步骤S4中的对盾构段管片进行排版，具体包括以下步骤：

S401、根据盾构管片中心点的坐标数据对管片进行放置；

S402、根据盾构错缝旋转角度对隧道盾构管片进行旋转，得到全部隧道盾构管片三维模型。

作为本发明的一种优选方案：所述步骤S5中的盾构段管片三维空间数据为空间点坐标数据。

作为本发明的一种优选方案：所述步骤S7中的对构件尺寸和所在位置进行统计，具体包括以下步骤：

S701、将整合获得的隧道盾构段结构三维模型进行任意位置的横向剖切，获得横断面图；

S702、路线纵向剖切，获得侧面图；

S703、获取每个构件的位置、尺寸信息进行统计；

S704、进行设计出量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对已有的二维和三维设计平台进行开发，实现快速参数化设计工作，解决隧道盾构的建模多为人工手动建模，效率低下，且由于隧道本身多为空间曲线，人工建模准确率较低的问题；

通过二维和三维的结合，解决包括隧道盾构路线、盾构管片、盾构内结构从建模到设计出图出量过程，实现隧道盾构参数化设计；

提供了方法三维模型成果的过程联动，在发生设计变更调整时，可快速通过更改基础参数进行设计成果的更新，提供了设计效率，同时保证了设计成果的准确一致性。

附图说明

图1为本发明标准块模型示意图；

图2为本发明邻接块模型示意图；

图3为本发明封顶块模型示意图；

图4为本发明盾构标准横断面轮廓示意图；

图5为本发明每环管片布置模型示意图；

图6为本发明全部盾构管片三维模型示意图；

图7为本发明隧道盾构内部结构模型示意图；

图8为本发明隧道盾构外部模型示意图；

图9为本发明横向剖切位置确认图；

图10为本发明横向剖切模型示意图；

图11为本发明隧道盾构内部模型示意图；

图12为本发明衬砌圆环构造图；

图13为本发明衬砌圆环构造侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-13，本发明提供一种技术方案：一种基于BIM的隧道结构盾构段参数化设计方法，包括以下步骤：

S1、将隧道盾构段的平面路线和纵断面路线进行二维设计，并对盾构段的路线数据进行分析和输出，在二维设计平台中进行隧道盾构段的平面路线和纵断面设计；

S2、建立盾构段管片标准块、邻接块、封顶块的三维构件模型，盾构管片的基点放在圆点上；

S3、对对盾构段结构中心、路面中心、左右线位置进行采样，建立内部盾构标准横断面，将原点设定在路线位置；

S4、通过三维平台对盾构段管片进行排版得到隧道盾构管片三维模型；

S5、三维平台通过盾构段管片三维空间数据对步骤S3中的盾构标准横断面进行融合三维模型处理，标准横断面按照空间依次放置，通过融合关系生成三维几何体；

S6、通过步骤S5中的融合三维模型对隧道盾构段内部结构模型进行建立；

S7、利用步骤S6中得到的隧道盾构段内部结构模型和管片三维模型进行整合处理并对构件尺寸和所在位置进行统计。

其中，步骤S1中隧道盾构段的平面路线的线条起点通过一个固定的桩号值描述，所述隧道盾构段的纵断面线条起点通过一个固定的高程值描述。

其中，步骤S1中的盾构段的路线输出包括盾构段三维空间坐标数据输出和盾构段管片排版数据输出，对三维空间数据进行输入，同时对盾构段管片进行排版，提高了模型设计的准确性和效率。

其中，盾构段管片三维空间坐标数据输出为获取平面路线线条关键节点，通过获取节点距离起点的位置得出节点的桩号值数据，对节点桩号值数据的获取从而对盾构段进行更好的模型建造处理，提高了工作效率。

其中，盾构段管片排版数据输出，具体包括以下步骤：

S101、根据标准管片的宽度，对平面路线进行定距等分，获得每个等分节段的中心点桩号值和高程；

S102、获取每个等分节段的中心点桩号值的XY坐标，高程为Z坐标；

S103、获得每环管片中心点的空间位置，根据每个等分节段起点和终点方向匹配最相近的盾构错缝旋转角度，得到每一环管片在实际布置中需要旋转的角度数据，通过旋转管片的角度对管片三维模型进行获取，提高了模型建造效率。

其中，步骤S4中的对盾构段管片进行排版，具体包括以下步骤：

S401、根据盾构管片中心点的坐标数据对管片进行放置，便于对盾构管片的位置进行稳定处理，提高了工作效率；

S402、根据盾构错缝旋转角度对隧道盾构管片进行旋转，得到全部隧道盾构管片三维模型。

其中，步骤S5中的盾构段管片三维空间数据为空间点坐标数据,通过对已有的二维和三维设计平台进行开发，实现快速参数化设计工作。

其中，步骤S7中的对构件尺寸和所在位置进行统计，具体包括以下步骤：

S701、将整合获得的隧道盾构段结构三维模型进行任意位置的横向剖切，获得横断面图，通过二维和三维的结合，实现隧道盾构参数化设计；

S702、路线纵向剖切，获得侧面图；

S703、获取每个构件的位置、尺寸信息进行统计，对信息进行记录提高了设计的准确性；

S704、进行设计出量，一旦发生设计变更，只需调整三维基础参数进行重生成，即可获得最新的准确模型。

具体的，在使用时，在二维设计平台中进行隧道盾构段的平面路线和纵断面设计，将盾构段的路线数据进行分析并进行数据输出，隧道盾构段的平面路线的线条起点通过一个固定的桩号值描述，隧道盾构段的纵断面线条起点通过一个固定的高程值描述，盾构段三维空间坐标数据输出为获取平面路线线条关键节点，通过获取节点距离起点的位置得出节点的桩号值数据，盾构段管片排版数据输出根据标准管片的宽度，对平面路线进行定距等分，获得每个等分节段的中心点桩号值和高程，获取每个等分节段的中心点桩号值的XY坐标，高程为Z坐标，获得每环管片中心点的空间位置，根据每个等分节段起点和终点方向匹配最相近的盾构错缝旋转角度，得到每一环管片在实际布置中需要旋转的角度数据，通过旋转管片的角度对管片三维模型进行获取，建立标准盾构段管片标准块、邻接块、封顶块的三维构件模型，管片的基点放在圆点上，建立隧道盾构内部结构参数化横断面，将原点设定在路线位置，取决于隧道盾构平面路线采样的是盾构结构中心、路面中心、左右线位置，通过三维平台对盾构段管片进行排版得到隧道盾构管片三维模型，三维平台通过盾构段管片三维空间数据对盾构标准横断面进行融合三维模型处理，盾构段管片三维空间数据为空间点坐标数据，标准横断面按照空间依次放置，通过融合关系生成三维几何体，标准横断面按照空间依次放置，通过融合关系生成三维几何体，融合三维模型对隧道盾构段内部结构模型进行建立，隧道盾构段内部结构模型和管片三维模型进行整合处理并对构件尺寸和所在位置进行统计，对三维模型进行任意位置的横向剖切，获得该位置的横断面图，路线纵向剖切，获得侧面图，进行标注出图，完成设计出图，二维和三维的结合，解决包括隧道盾构路线、盾构管片、盾构内结构从建模到设计出图出量过程,获取每个构件的位置、尺寸信息进行统计，一旦发生设计变更，只需调整三维基础参数进行重生成，即可获得最新的准确模型，进行设计出量，所有剖切的图纸和统计的量基于模型进行，图纸和量随着模型实时更新，保证设计成果的准确。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。