精細(xì)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件信息化管理的有效途徑，也是支撐項(xiàng)目精細(xì)化管理的必由之路。BIM技術(shù)的發(fā)展，有效地推動(dòng)著構(gòu)件向精細(xì)化設(shè)計(jì)邁進(jìn)，同時(shí)精細(xì)化設(shè)計(jì)也是BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息有效共享、可視化準(zhǔn)確表達(dá)的基本保障。本文通過標(biāo)準(zhǔn)化較強(qiáng)的隧道管片，探索精細(xì)化設(shè)計(jì)應(yīng)用，從建模準(zhǔn)備、模型參數(shù)設(shè)置、模型關(guān)鍵控制點(diǎn)，直到二維圖紙的出圖等，完成了BIM技術(shù)精細(xì)化正向設(shè)計(jì)探索，為后續(xù)BIM技術(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)之路提供一定的參考。

異于傳統(tǒng)的管片設(shè)計(jì)建模

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，城市地下空間的利用，在加強(qiáng)城市功能、改善城市環(huán)境、實(shí)現(xiàn)城市集約化和可持續(xù)發(fā)展中將發(fā)揮越來越重要的作用。隧道結(jié)構(gòu)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(gòu)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(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)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(gòu)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(huán)襯砌寬度）的集合，以近似擬合成實(shí)際線路。對(duì)于曲線段，為了減少管片之間的間隙，要設(shè)計(jì)有一定楔形量的預(yù)制襯砌管片。由于采用短折線來替代光滑曲線，實(shí)際線形和設(shè)計(jì)線形不能完全吻合，兩者之間存在一定的誤差。因此，應(yīng)對(duì)不同的襯砌管片按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列，以保證實(shí)際線形和設(shè)計(jì)線形之間的偏差，控制在工程允許的誤差范圍內(nèi)。

目前使用的襯砌環(huán)組合類型主要為以下三種——

1.標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)與左右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)組合。

這種組合由三種管片襯砌環(huán)組成：左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)和直線襯砌環(huán)。這種方式采用的襯砌環(huán)類型較多，鋼模數(shù)盤多，對(duì)施工管理有較高的要求。同時(shí)這種組合方式只考慮平面線形，故當(dāng)有豎曲線時(shí)，需要采用楔形貼片。

2.楔形襯砌環(huán)組合。

這種組合由兩種管片襯砌環(huán)組成：左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)。這種方式比上種方式少了直線襯砌環(huán)，其特點(diǎn)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(gòu)掘進(jìn)時(shí)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)環(huán)向千斤頂傳感器信息和線路線形設(shè)計(jì)要求，以及已拼管片位置和旋轉(zhuǎn)角信息，確定下一環(huán)襯砌繞管片中心線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，達(dá)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(huán)，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(duì)線路的擬合為空間擬合，但需要更高的管理水平和自動(dòng)化拼裝水平。

這三種襯砌環(huán)組合類型各有優(yōu)缺點(diǎn)，在工程實(shí)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(yīng)用也越來越廣泛。國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在盾構(gòu)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(gòu)隧道曲線擬合的原理和算法。基于盾構(gòu)隧道曲線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(píng)價(jià)、管片環(huán)初始拼裝誤差的影響等問題。本次研究僅側(cè)重于參數(shù)化建模及二維圖紙的關(guān)聯(lián)繪制方面進(jìn)行了相關(guān)的工作，對(duì)于隧道管片的排版及選型的工作沒有做進(jìn)一步的探討。

隧道管片設(shè)計(jì)示例

本次研究的范例為某隧道截面，主要技術(shù)指標(biāo)：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(huán)，雙面楔形，楔形量為56mm；管片分塊為1+2+7，即每環(huán)有一個(gè)封頂塊（F），2個(gè)臨接塊（L1，L2），7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊組成（B1~B7）；管片結(jié)構(gòu)外徑15.2m，內(nèi)徑13.9m，管片環(huán)寬2.0m，管片壁厚650mm；襯砌環(huán)、縱縫均采用斜螺栓連接；每道環(huán)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(huán)采用錯(cuò)縫拼接，通過管環(huán)旋轉(zhuǎn)來擬合線路。

隧道斷面示意圖

標(biāo)準(zhǔn)塊示意圖

封頂塊示意圖

設(shè)計(jì)模型主要從參數(shù)化建模角度，對(duì)建模注意事項(xiàng)進(jìn)行簡單介紹。首先，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的預(yù)設(shè)值，主要是對(duì)需要考慮調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置時(shí)不宜過多，但也必須考慮到后期的應(yīng)用便利性，不能過少。

其次，進(jìn)行整體模型的架構(gòu)。需要先將幾個(gè)關(guān)鍵要素進(jìn)行控制，如端面的幾何要素，關(guān)鍵控制面等信息。條件明確后，就可以開始進(jìn)行三維參數(shù)化構(gòu)件設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該確保參數(shù)邏輯關(guān)系清晰、結(jié)果表達(dá)唯一，避免后期參數(shù)化調(diào)整過程中產(chǎn)生不必要的問題。

三維模型

第三步進(jìn)行二維出圖。隧道管片三維模型二維圖紙轉(zhuǎn)化主要有兩部分，第一部分為環(huán)片整體布置圖，第二部分為管片單獨(dú)二維細(xì)節(jié)圖。

對(duì)于整體環(huán)片布置圖，需要表達(dá)的是整體環(huán)片的角度布置情況、預(yù)埋件位置以及接縫位置等。低于單個(gè)管片，可分別出圖。

管片整體布置圖

單個(gè)管片二維圖

其他的管片詳圖圖樣可以按這個(gè)模式進(jìn)行繪制。這些二維圖與三維圖之間存在關(guān)聯(lián)，但是對(duì)于二維圖上的標(biāo)注而言，因?yàn)榇蟛糠植皇侨S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(lián)動(dòng)更新。

由于傳統(tǒng)的二維繪圖模式往往是在默認(rèn)曲面展開投影下進(jìn)行的相應(yīng)簡化繪圖，在BIM技術(shù)二維圖紙轉(zhuǎn)化過程中，由于精細(xì)化設(shè)計(jì)導(dǎo)致傳統(tǒng)二維簡化表達(dá)模式難以適應(yīng)，所以在BIM正向二維出圖時(shí)需要對(duì)傳統(tǒng)模式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，來使用這種全新的表達(dá)模式。如在三維軸測圖中進(jìn)行相關(guān)尺寸標(biāo)注，預(yù)定義部分大樣詳圖等來解決部分難以表達(dá)的細(xì)節(jié)等內(nèi)容。

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

管片精細(xì)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

通過BIM技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)管片精細(xì)化設(shè)計(jì)，還可以結(jié)合相應(yīng)的規(guī)則與檢查功能，對(duì)管片的排版及選型，比較方便地實(shí)現(xiàn)參數(shù)化及智能化控制。

管片精細(xì)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于：隧道工程管片，特別是通用管片，比較適合于精細(xì)化設(shè)計(jì)，模板通用性強(qiáng)，便于控制與管理；通過參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以更好地提升精細(xì)化設(shè)計(jì)的適應(yīng)能力；BIM正向設(shè)計(jì)下的隧道管片，其二維表達(dá)需要調(diào)整設(shè)計(jì)表達(dá)思路，來適應(yīng)這種全新的設(shè)計(jì)模式；精細(xì)化管片的二維圖紙表達(dá)，可以借助三維軸測圖的優(yōu)勢進(jìn)行不同角度的尺寸表達(dá)，結(jié)合部分剖面尺寸，來完善二維圖紙的表達(dá)信息。

BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)需要精細(xì)化設(shè)計(jì)手段作為支撐，通過思路的轉(zhuǎn)變可以很好地適應(yīng)這種新技術(shù)的發(fā)展，不斷提升BIM正向能力與水平。

BIM技術(shù)的深入發(fā)展，離不開構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)。BIM技術(shù)與交通土建行業(yè)傳統(tǒng)二維表達(dá)的顯著差異之一就是構(gòu)件設(shè)計(jì)的精細(xì)化，與傳統(tǒng)的二維近似設(shè)計(jì)表達(dá)相比，BIM技術(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)的道路還比較曲折漫長。