吴 含，赵 路，刘建秀

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

1 概 述

水电工程是涉及专业广、质量要求高、工作难度大的系统工程，通过BIM技术开展三维协同设计工作，一方面，可以使设计工作更加全面细致，减少施工阶段的工程变更；另一方面，能够为工程建设阶段和运行阶段的数字化管理奠定基础［1-3］。

随着我国水电资源开发重心逐渐向高山峡谷地区转移，深埋长隧洞输水发电工程建设呈增长趋势，水工隧洞设计会对电站造价及运行条件产生较大影响［4］，逐渐成为影响工程安全性与稳定性的关键因素之一。通过开展水工隧洞BIM设计工作可以提高设计质量与效率，有助于优化设计方案［5］。目前，水电工程BIM设计的主流平台多以国外商业化软件为主，如以Autodesk Revit软件为主的Autodesk平台、以MicroStation软件为主的Bentley平台、以3DE软件为主的Dassault平台等。这些平台主要定位于通用土木平台，适用面广、功能强大，在交通行业隧道BIM设计中具有一定优势。然而，水工隧洞与交通隧道在断面类型、洞线类型和开挖支护方式等方面存在较大差异，使用通用性平台进行水工隧洞建模时存在标准不匹配、操作流程复杂、专业需求无法满足等诸多缺点。针对该现状，国内外相关软件公司和设计院开展了一系列研究工作，如蔺志刚等［6］基于CATIA平台建立参数化模板，通过输入设计参数可快速创建水工隧洞模型，同时根据地质条件变化可快速调整模型，实现了水工隧洞三维设计，但CATIA平台存在标准化程度较低、复用性不强等问题。王海龙［7］利用Revit软件提出水工排洪洞的BIM建模流程，并利用ABAQUS软件进行有限元结构计算，实现了建模和计算的一体化，但对于异型复杂模型，在导入ABAQUS软件后存在结构尺寸偏差问题，影响结构计算分析。徐超等［8］针对水工隧洞BIM建模过程中的模型几何精度不足、主支洞交叉口复杂等问题，梳理Revit二次开发内化建模流程，实现了自动参数化水工隧洞建模，但对于水工隧洞空间弯建模问题未进行系统研究。

综上，水电工程领域目前尚无较完善的水工隧洞BIM设计系统。笔者基于Bentley ORD软件，利用其强大的洞线设计功能，结合水工隧洞特点开展参数化设计系统的研发工作，形成一套满足水工隧洞设计要求的BIM正向设计系统，以期实现水工隧洞快速BIM建模和方案调整，减少设计“错漏”问题，提高设计综合效率。

2 水工隧洞BIM正向设计流程

为建立水工隧洞BIM正向设计系统，对该系统的设计流程梳理如下：①将原始地形地质模型和其他专业枢纽建筑物模型导入系统，将其作为隧洞建模的基础资料。②在平面视图下开展隧洞平面洞线设计。③沿平面洞线对地形地质和建筑物模型进行剖切和展开，生成纵断面视图。④在纵断面视图下进行纵断面洞线设计，再与平面洞线进行拟合，形成水工隧洞的三维空间洞线。⑤洞线初步设计完成后对地形条件、地质条件、水力特性、枢纽总体布置、技术经济性等布置条件进行分析。⑥若布置条件可行，则按照地质模型划分围岩类别，再按照围岩类别进行典型断面设计；若布置条件不可行，则对平面和纵断面洞线进行不断调整与优化，直至布置条件满足要求。⑦确定各洞段断面设计参数后，创建隧洞三维模型，通过附加模型属性信息，最终导出水工隧洞BIM模型成果，该成果可用于三维出图、工程量统计和工程数字化应用。

3 系统架构

3.1 ORD软件适用性分析

ORD是Bentley产品体系中一款服务于交通行业的线性工程设计软件，适用于道路、隧道等三维设计，可引入全新的综合建模环境，集成点云、三维实景网格、地形数据、图像和地理信息等背景数据，不仅支持路线平面、纵断面参数化设计，还能够定制丰富的横断面模板库，有助于交通隧道BIM设计工作的快速完成。对于BIM正向设计系统，水工隧洞的正向设计流程与交通隧道基本相似，但由于两者功能具有本质区别，BIM设计细节会存在诸多不同，因此无法直接使用ORD软件进行水工隧洞BIM建模工作，存在的主要适用性问题如下：

（1）洞线设计。与交通隧道洞线设计相比，水工隧洞洞线设计无须考虑行车因素，可在空间斜平面上设计圆弧转弯即空间弯，进而形成空间弯洞线，空间弯洞线在平面上的投影曲线为投影椭圆弧，在纵断面展开视图中则为复杂曲线（见图1）。然而，ORD洞线设计模块按照平面洞线设计—纵断面洞线设计—空间洞线拟合流程进行，无法直接创建空间弯洞线。

图1 隧洞空间弯洞线示意

（2）横断面设计。通常情况下交通隧道横断面始终与水平面保持垂直，而水工隧洞横断面通常与洞线保持垂直。采用圆形横断面沿直线创建隧洞模型，横断面分别与水平面和洞线垂直时的隧洞模型对比见图2，可以看出，当横断面与水平面垂直（与轴线呈一定夹角）时，隧洞模型中过水断面被压缩；当横断面与洞线垂直时，隧洞模型符合隧洞设计要求。因此，直接采用ORD横断面设计模块进行水工隧洞设计时，模型成果将与实际情况不符。

图2 横断面与水平面／洞线垂直的隧洞模型对比

（3）模型生成。由于交通隧道洞线设计属于长距离线性工程，单条洞线设计长度范围为数十千米到数百千米，模型数据量大，对软硬件性能要求较高，因此在ORD软件中使用网格表达隧道实体模型。而水工隧洞单条洞线长度通常在1 km以内，其模型体量比交通隧道小，对软硬件性能要求不高，因此使用Parasolid内核进行模型表达。网格实体模型与Parasolid实体模型对比见图3，Parasolid实体模型能够准确定位实体边界并提供丰富的实体操作功能［9-10］，可以保证建模精度和后期模型应用；而网格实体模型虽然可以提高软硬件性能，但是几何精度有所降低［11］且无法保留基本线形元素特征（圆弧、直线等），不利于后期对模型进行剖切、布尔运算等操作。

图3 网格实体模型与Parasolid实体模型对比

（4）桩号计算。ORD软件中的桩号按照洞线水平投影长度计算，能够满足交通隧道设计要求。而水工隧洞特别是输水发电隧洞中存在竖井和斜井，桩号一般按照洞线真实长度进行计算，ORD软件无法支持这种计算模式。

3.2 模型设计功能框架

根据上述ORD软件特性并结合水工隧洞BIM设计要求，采用C＋＋／CLI混合编程方式对水工隧洞BIM模型设计功能进行专业定制化开发，开发框架如图4所示。

图4 水工隧洞BIM模型设计功能开发框架

（1）洞线设计模块。ORD软件提供了一套强大的洞线设计系统，能够满足水工隧洞对于直线、圆弧、抛物线等多种线形的设计要求［12］，因此平面、纵断面洞线设计模块主要利用ORD软件的原生功能，在此基础上增加空间弯设计功能以满足实际要求，同时增加桩号计算模块以支持按照洞线水平投影长度和洞线真实长度的2种计算模式。

（2）横断面设计模块。对该模块进行独立开发，根据围岩类别进行典型断面衬砌、灌浆和开挖支护等设计，后续根据围岩类别划分的隧洞桩号段配置断面参数。

（3）模型创建模块。空间洞线拟合功能仍采用ORD软件的原生功能，使用Parasolid内核重新开发隧洞参数化建模功能。

4 关键技术

4.1 空间弯洞线设计流程

空间弯洞线本质上是由2条相交空间直线倒圆角产生的，空间弯洞线与2条直线相切且位于2条直线组成的斜平面上，若要确定空间弯洞线的曲线方程，则需确定直线方程以及空间弯半径。

虽然空间弯洞线在平面上投影为规则椭圆弧，但按照水工隧洞BIM正向设计流程，在进行平面洞线设计时尚未进行纵断面洞线设计，缺少直线在空间中的高程参数，仅可得出空间弯两端直线的平面投影方程，无法得出直线的空间方程，从而无法确定空间弯洞线的曲线方程和投影椭圆弧方程，因此在平面洞线设计时无法进行投影椭圆弧的设计。而纵断面洞线以平面洞线为基础，沿平面洞线进行剖切展开，当投影椭圆弧的曲线方程无法确定时，纵断面洞线展开也无法实现。

为解决上述问题，需要结合ORD洞线设计模块的特性，按照水工隧洞BIM正向设计流程进行空间弯洞线设计，设计流程如图5所示。首先，在进行平面洞线设计时，先以折角方式处理可能会设置空间弯的部位，见图5（a）；之后，沿折角对平面洞线进行剖切展开形成纵断面视图，在该视图中进行纵断面洞线设计，在平面洞线折角处，同样以折角连接，见图5（b）；此时，可以确定折角两边的直线方程，输入空间弯半径后即可计算确定空间弯洞线在平面的投影椭圆弧曲线方程和在纵断面上的展开曲线方程，根据以上确定的方程进行纵断面洞线重绘，见图5（c）；最后，基于平面、纵断面曲线拟合形成空间弯洞线，见图5（d）。

图5 空间弯洞线设计

4.2 空间弯洞线设计算法

对空间弯位置的平面洞线和纵断面洞线以折角方式处理后，可确定sp、pt直线方程以及交点p空间坐标（xp，yp，zp）。空间弯洞线斜平面示意见图6（以点q为圆心）。

图6 空间弯洞线斜平面示意

（1）计算空间弯洞线端点m、n的坐标。根据sp、pt直线方程可计算2条直线的单位向量和两向量夹角α：

式中：s p和pt分别为直线sp和直线pt的单位向量，s p=（xs，ys，zs）、pt=（xt，yt，zt）。

线段mp和np的长度计算公式为

式中：Lmp和Lnp分别为线段mp和np的长度；R为空间弯半径。

利用向量法可计算点m空间坐标（xm，ym，zm）：

同理，可计算点n空间坐标（xn，yn，zn）。

根据点p空间坐标（xp，yp，zp）和单位向量s p=（xs，ys，zs），可计算单位向量pm：

（2）计算空间弯洞线在平面投影的椭圆弧曲线。首先计算单位向量s p和pt的法向量H：

根据法向量H计算线段mq的单位向量r：

由此，可以计算圆心q的空间坐标（xq，yq，zq）：

根据点m、点n和点q的坐标可以得出平面投影椭圆弧上点m′坐标（xm，ym，0）、点n′坐标（xn，yn，0）和点q′坐标（xq，yq，0）。

根据点m′和点n′可计算得出投影椭圆弧方程：

式中：a、b分别为投影椭圆弧方程的长半轴和短半轴。

（3）计算空间弯洞线在纵断面展开曲线。空间弯洞线在纵断面展开曲线为复杂曲线，难以用曲线方程进行表达，因此采用B样条曲线对纵断面展开曲线进行拟合（见图7），将空间弯洞线进行N等分，等分点坐标ci=（xi，yi，zi）（i=1，2，…，N-1），计算出线段mq与ci q的夹角β：

图7 空间弯洞线等分点示意

式中：N为等分数；i为等分点序号。

根据单位向量s p和点m坐标可计算等分点ci所在半径延长线ci c与直线sp交点c的坐标（xc，yc，zc）：

5 系统实现

5.1 地形导入

利用地质测绘专业软件对地形测绘数据和地质钻孔数据进行分析处理，生成地形测绘模型和地质风化层、断层模型，模型导入效果如图8所示。系统可支持tin、las、dat、dtm、dim、dem等多种数据格式，地形文件可支持三角网、点云、等高线等多种显示模式。

图8 地形地质模型导入效果

5.2 洞线设计

洞线设计包括平面洞线设计和纵断面洞线设计，平面洞线在平面视图下进行（见图9（a）），综合考虑地形、枢纽布置等因素，对于空间弯部位以折角替代。纵断面洞线在纵断面洞线展开视图下进行（见图9（b）），在完成纵断面洞线设计后，输入空间弯半径更新相应的平面、纵断面空间弯洞线。

图9 水工隧洞洞线设计示意

平面洞线和纵断面洞线设计完成后可自动拟合生成空间洞线（见图10），系统支持参数化洞线设计，即可以通过调整洞线参数修改平面洞线、纵断面洞线，同时支持平面洞线、纵断面洞线和空间洞线同步更新。

图10 水工隧洞空间洞线拟合

5.3 横断面设计

横断面设计模块按照围岩类别进行典型断面设计，设计模块界面见图11。根据围岩类别设置不同的断面编码，可在界面右侧查询横断面设计相关参数。

图11 横断面设计模块界面

横断面设计功能可支持矩形、圆形、马蹄形和城门洞形4种断面形式，设计内容涵盖断面几何尺寸、结构衬砌、固结灌浆、结构缝和开挖支护等，参数设置界面见图12。

图12 横断面参数设置界面

5.4 参数化建模

利用隧洞洞线和横断面参数自动创建水工隧洞三维模型，将相应设计属性附加在模型中，最终生成水工隧洞BIM设计模型，模型成果见图13。

图13 水工隧洞BIM模型成果

6 结 论

（1）通过对BIM技术在水工隧洞设计中的应用现状进行分析，结合传统水工隧洞设计思路建立水工隧洞BIM正向设计流程，基于Bentley ORD软件研发水工隧洞BIM正向设计系统，实现了水工隧洞洞线设计、横断面设计以及参数化建模。

（2）为解决水工隧洞空间弯设计与平面、纵断面洞线设计流程之间的矛盾，通过算法实现空间弯洞线设计，满足隧洞正向设计流程且符合设计习惯。洞线的修改与更新均由软件后台自动实现，操作简单，不影响设计效率。

（3）采用Parasolid内核进行隧洞参数化建模，相比ORD网格模型具有更高的几何精度和可操作性，方便后续模型应用。