引言

地铁隧道多采取盾构法施工，利用盾构机掘进地下，以钢筋混凝土管片与盾构外壳为衬砌结构避免隧道坍塌，通过刀盘切削土体，具有地面扰动小、施工速度快的特点。该施工技术利用预制管片支撑主体结构，其尺寸、规格等对盾构隧道质量具有决定性影响。为提高管片精度，避免管片拼装点位、通缝不匹配问题，可采取BIM技术构建三维模型，实现参数化设计，直观展示设计意图，提高设计质量。

1地铁盾构隧道工程介绍

以南京地铁11号环线地铁为例，设有车站20座，全线长27 km，区间隧道为双洞单线，采取盾构法与矿山法结合施工。工程线路4处曲线交点，曲线半径1 500 m，切线长53.639 6、53.649 m，缓和曲线长30 m，曲线长107.253 m、107.279 m。区间结构覆土20.5 m。管片作为盾构施工主体结构，考虑传统二维设计基于图纸表达信息，存在设计信息缺乏关联问题，难以完全表达设计对象，图元修改工作量大。而BIM技术可建立三维构件，以管片模型共享、传递设计数据，采取参数化设计方式，仅需输入改动数据，即可缩短管片建模时间，有效提高工作效率。

2基于BIM的地铁盾构隧道管片参数化设计技术

2.1选择BIM平台

BIM软件类型较多，不同软件特色、优势、功能不一，存在不兼容情况，要求管片设计中选择恰当软件，达到事半功倍效果。其中，Dassault软件三维形态强大，多用于机械、航空航天等曲面模型建设行业，却缺少信息集成功能，机械工程用语不同于建筑用语^[1]。Autodesk软件族功能强大，涉及建设周期各阶段，可精准传递信息，却采取IFC标准，难以满足设计需求。考虑隧道管片设计需求，采取Autodesk软件，包含Revit软件、3Ds max、Navisworks等，以此进行绘制，实现管片参数化设计。并以Lumion软件进行渲染，可在不同平台共享资源，能够达到良好设计效果。

2.2管片参数整理

盾构隧道衬砌圆环包括转弯环、标准环，通过管片支撑隧道结构。以工程双面楔形转弯圆环管片为例，考虑其邻接块与封顶块截面宽度不同，采取局部至整体参数化设计方式，形成基本管片模型^[2]。管片建模前需整理参数，包括管片内外径、上下侧楔形量等，将其作为控制变量，便于通过管片内外径控制管片厚度与大小，以楔形量改变衬砌圆环宽度，见图1。

例如，管片厚度、楔形角等计算中，需要考虑上述参数，确定公式如下：

式中：d是观片厚度；f是管片双面楔形量；θ是管片楔形角。根据上述公式，确定管片参数见表1。

图1 衬砌圆环参数设计

A是标准块角度；B是封顶块角度；C是管片外径；D是管片内径；E是管片环宽；F是上侧楔形量；G是下侧楔形量；H是封顶块纵缝偏转角；I是邻接块角度；J是封顶块纵缝偏移量

表1 管片参数

2.3管片基本模型

2.3.1标准块制作

按照图纸绘制管片标准块轮廓，确定邻接块、封顶块角度等。由于标准块形状规则，可直接拉伸草图，通过中间拉伸调节拉伸长度，控制管片楔形量、环宽等。

2.3.2邻接块制作

邻接块作为不规则图形，应当在距离管片中心平面1/2标准块拉伸长度位置，构建2个平面草图，以管片内弧面与其边界线交点为圆心，对封顶块旋转，确定偏移角度，向两侧平移控制纵缝偏移量^[3]。

2.3.3封顶块制作

封顶块制作中，投影邻接块草图，对其斜边拉伸，构建实体模型。

2.3.4制作楔形量

管片楔形角参数制作中，以邻接块Z轴为旋转轴，以平面为旋转对象，构建楔形平面。面对楔形面轮廓草图，对整体管片、拉伸实体进行模型求差，删除相交部分，通过重复操作，以绘制楔形面^[4]。

以此完成管片基本模型，将关键数据参数化，见图2。人员双击编辑规则参数，即可获得当前参数值，且增设表单以制作用户简易界面，便于修改参数。

图2 基本管片模型

2.4细化标准块

管片基本模型绘制后，需要对其精细化处理，按照工程要求，优化管片环缝与纵缝接缝、凹凸棒选型、设置预埋滑槽、增添对接面标志等。

2.4.1管片接缝

在管片衬砌圆环间、块间接缝需增设止水带，处理接缝形状，考虑纵缝或环缝接缝形状基本相同，可采取同一套参数，加快建模速度，见图3。

图3 接缝界面示意

环缝分为背面（背千斤顶）与迎面（迎千斤顶），需要设计2个方面纵缝视图，在用户参数中，将数据以“不同面+间距”方式命名，控制截面形状。其中，横向以管片侧边偏移确定参数；横向沿外弧偏移量确定参数。对于多余偏移构造删除，以免影响模型效果，获得接缝止水带，生成管片接缝图^[5]。此过程中，需做好重要节点处理，将各族逐一生成实体，提取节点参数，将其组合后，按照顺序剪切，形成环缝、纵缝轮廓，任意参数出现变化，接缝形状也随之改变，获得相应管环模型。

2.4.2管片凹凸榫

在管片凹凸榫设计中，对于圆形、长条形两种形态分别绘制。该环节参数包括凹凸榫位置、内弧面与中线距离、长度、厚度、倒角尺寸等。长条形凹凸榫设计中，环缝迎面考虑其处于管片内部，以求差扫掠；环缝背面处于管片外部，以求和掠形成整体，无需创建新实体。而圆形凹凸榫则与长条形相反，环缝迎面求和扫掠，环缝背面求差扫掠。之后，根据弯螺栓和凹凸榫偏转角度，进行唤醒阵列。此外，由于环缝凹凸榫圆形、长条形无法同时出现，设计中采取多种模型建设方法，将其分别与管片组装后，分析其性能情况，检查是否符合工程要求，以确定最佳凹凸榫构件参数。

2.4.3管片编码

管片以编码为标志，便于施工拼装时按照编码拼接，避免错放错拿，影响后期工序。而管片编码以中心线与管片标号距离及编码尺寸控制其大小、位置，见图4。还要设计管片对接标志，显示正确管片拼接面，类似管片编码进行设置。

图4 管片编码设计

2.4.4预埋滑槽

预埋滑槽有半径、中心线与滑槽距离、管片纵缝与滑槽侧边距离这3个可变参数。该工程以圆形滑槽为主，按照定位参数，以求差扫掠确定预埋滑槽位置，准确判定工程情况，明确预埋滑槽状态。

2.5制作弯螺栓

在制作弯螺栓中，直接在基本模型上绘制将会降低精度，需单独制作手孔零件，借助Autodesk软件功能，转变手孔位曲面体，融入至管片模型内。环向、纵向弯螺栓采取相同制作方法，仅环向弯螺栓拉伸手孔参数变化不同。绘制过程中，以弯螺栓锚固深度、管片内径确定其位置，以扫掠创建模型，进而绘制手孔，获得最终成果。考虑减少弯螺栓重复调用与旋转，降低运行内存，以对称方式进行实体创建。

2.6制作吊装注浆管

在管片吊装注浆管制作中，涉及曲面作图，增加建模难度，需另建模型，以衍生功能分割。具体操作如下：（1）参数整理。明确注浆管半径、长度、深度、拉伸长度等作为重要参数进行收集整理。（2）绘制建模。以管片外径、预留注浆孔厚度控制拉伸注浆管长度，绘制草图拉伸，形成实体图。由于注浆孔参数不同，结合项目确定注浆孔分布添加文本参数，即增设2个注浆孔，由注浆孔角度确定。（3）注浆管安装。以衍生方式在管片模型上添加注浆管，衍生为实体模型后分割。

3基于BIM的地铁盾构隧道管片参数化设计效果

3.1模型精度

BIM管片模型精细度为LOD300，与施工图设计模型相等，可用于建筑工程。以标准环管片体积为例，施工图邻接块体积1.44 m³，封顶块0.34 m³，标准块1.61 m³，以此创建三维模型，体积明细见表2。

表2 管片体积明细数据

根据表2可知，BIM模型管片体积与设计数据无较大差异，误差为0.94%～1.19%，处于理想范围，有效减少数据偏差，满足工程要求。并且，BIM管片模型还能计算工程量，对其实时更改，设计更为便利。

3.2指导施工

盾构隧道管片拼装中，以往依赖于人员经验排版，纠正管片偏差，对人员要求高，容易产生设计轴线与成环轴线偏差问题。而BIM构建管片模型，将抽象方案变成可视化模型，能够为管片施工提供指导，提高工程质量。

结束语

综上所述，地铁盾构隧道管片是隧道内部屏障，由于结构复杂，采取二维图纸设计存在重复率高、工作量大的问题，可使用BIM技术，实现管片参数化设计。因此，地铁工程应结合实际，选择恰当BIM软件，根据管片资料内容，从管片基本模型、细化标准块、制作弯螺栓、制作吊装注浆管这几方面出发，从而提高管片设计精度，满足工程要求。