盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)參數(shù)化設計研究
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劉濤
(上海黃浦江越江設施投資建設發(fā)展有限公司，上海200335)
摘要：盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)形式復雜，采用傳統(tǒng)的方法進行模板圖設計費時費力。利用Visual Lisp語言對AutoCAD進行二次開發(fā)，編制盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化設計程序。該程序極大提高盾構(gòu)隧道管片的設計效率和質(zhì)量。以上海市虹梅南路越江隧道管片結(jié)構(gòu)設計為例，介紹一個成功應用的案例。
關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；管片；參數(shù)化
中圖分類號：U455.43 文章編號：1004-4655( 2016) 03-0117-03
盾構(gòu)施工法以其機械化程度高，施工速度快，對環(huán)境影響小，技術(shù)成熟等優(yōu)勢成為軟土地區(qū)隧道建設最重要的施工方法。盾構(gòu)隧道采用預制管片拼裝而成，盾構(gòu)管片空間形式復雜，需要通過多個角度的投影和剖面圖進行表達，空間想象較為困難，采用傳統(tǒng)的設計方法費時費力；同時，決定管片形式的獨立參數(shù)極多，少量參數(shù)的變化可能引起管片結(jié)構(gòu)圖紙的巨變，從而導致圖紙的重新設計。
為了解決上述問題，本文采用Visual Lisp語言對AutoCAD進行二次開發(fā)，編制盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化設計程序。程序允許用戶輸入決定管片形式的60多個獨立參數(shù)，自動生成管片的3D模型，再利用AutoCAD自帶的投影和剖切功能，自動生成2D圖紙并進行尺寸標注。該程序成功應用在上海市虹梅南路隧道管片結(jié)構(gòu)的設計中，大大提高管片設計的效率和質(zhì)量，也為其他地下工程結(jié)構(gòu)參數(shù)化設計提供新的思路和參考。
1工程概況
虹梅南路-金海路通道越江段工程位于上海市閔行區(qū)和奉賢區(qū)的交界處，北起虹梅路、永德路交叉口，先后穿越多條城市干道及黃浦江，終點至西閘路以南約500 m，全長約5 260 m。其中盾構(gòu)段采用東西線2條平行隧道，長度均為3 390 m。盾構(gòu)段隧道外徑14.5 m，管片厚度0.6 m，環(huán)寬2.0 m。管片混凝土強度等級為C60，抗?jié)B標準P12。盾構(gòu)段最大覆土為43 m，設計最大水壓達到5.8 kg/cm2，穿越的主要地層有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂層等。
2管片3D模型設計
盾構(gòu)隧道管片形式復雜，2D圖紙反映3D模型的投影和剖面。相比2D圖紙，3D模型反而更容易想象和理解。因此，首先創(chuàng)建管片結(jié)構(gòu)的3D模型。以標準塊為例（見圖1），在AutoCAD中創(chuàng)建管片3D模型的步驟如下。
1)創(chuàng)建整體管片輪廓。創(chuàng)建管片的矩形截面以及沿著內(nèi)弧面一個完整的圓環(huán)。在AutoCAD中通過旋轉(zhuǎn)拉伸生成整體圓環(huán)。
2)對整環(huán)管片進行分塊。以x軸、y軸形成的平面切割整體圓環(huán)。將半個圓環(huán)繞z軸旋轉(zhuǎn)標準塊管片的分塊角度，再以x軸、y軸形成的平面切割圓環(huán)即可得到相應管片的分塊實體。
3)對分塊管片挖孔。管片上游手孔、螺栓孔、剪力銷孔、注漿孔等需要準確表達。同時沿管片四周還設有防水條槽、當砂條槽等。對這些槽孔先獨建模，通過旋轉(zhuǎn)和平移等手段，形成真實的3D管片模型。
3管片2D圖紙設計
盾構(gòu)隧道管片鋼模的放樣和定位仍需2D設計圖紙的表達。以往的管片圖紙設計需要設計人員擁有極強的空間想象能力。即便如此，由于管片結(jié)構(gòu)多呈非直線狀，圖紙中許多地方無法準確繪制，只能示意性表達。
3.1自動生成平面圖紙
由于已經(jīng)得到3D管片模型，利用AutoCAD自帶的3D投影功能自動生成平面圖紙。其步驟如下。
1)進入圖紙（布局）空間，生成一個視口，在視區(qū)中調(diào)整視口大小至合適。
2)激活視口，調(diào)用solprof命令，拾取3D模型作為目標選擇，對以后的提示均用回車響應，即可得到3D模型在當前XY平面上的投影圖。與3D模型重疊在一起，但所處圖層不同，投影的可見輪廓在PV圖層，不可見輪廓在PH圖層，并分別以塊的形式存在。
3)關(guān)閉3D模型所在的圖層，將PV、PH圖層上的塊用explode命令炸開。修改相應的線形、顏色、圖層等，使其符合制圖要求。
4)重新打開3D模型所在的圖層，根據(jù)下一張圖紙投影角度的需求將3D模型旋轉(zhuǎn)至相應位置。重復上述過程，生成新的2D投影圖紙。
3.2自動生成相應位置的剖面2D圖紙
同理基于管片3D模型，利用AutoCAD自帶的剖切功能自動生成相應位置的2D剖面。2D剖面圖位于XY平面上，因此3D模型的剖切面選擇為XY平面，具體步驟如下。
1)調(diào)整3D模型角度，使得模型在XY平面上的剖面正好是需要的剖面。
2)調(diào)用section命令，拾取3D模型作為目標選擇，指定剖切截面為XY，即可得到3D模型在當前XY平面上的剖面圖。
3)上述得到的剖面圖為一面域，采用explode命令炸開。修改相應的線形、顏色、圖層等，使其符合制圖要求。
4)根據(jù)下一張剖面圖紙角度的需求，將3D模型旋轉(zhuǎn)至相應位置。重復上述過程，生成新的2D剖面圖。
4參數(shù)化程序編制
決定盾構(gòu)隧道管片形狀的參數(shù)眾多，某些參數(shù)的改變將極大改變結(jié)構(gòu)的形式，導致新的設計�，F(xiàn)把這些參數(shù)視為待定變量，通過編寫程序以最通用的方式實現(xiàn)管片圖紙的設計。
Lisp(List Processing Language)語言是人工智能領(lǐng)域中廣泛采用的一種程序設計語言，是一種計算機表處理語言。Visual Lisp語言嵌套于AutoCAD內(nèi)部，是Lisp語言與AutoCAD有機結(jié)合的產(chǎn)物。Visual Lisp是為二次開發(fā)AutoCAD而專門設計的編程語言。Visual Lisp可以調(diào)用AutoCAD所有的命令，同時也擁有極為豐富的函數(shù)，使得AutoCAD不再是交互式的CAD軟件，實現(xiàn)最通用的參數(shù)化設計。
根據(jù)通過管片3D模型自動生成2D圖紙的思路，將決定管片形狀的60多個參數(shù)視為待定未知變量，采用Visual Lisp編制相應的程序。盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化設計程序界面如圖2所示。同時采用DCL語言編寫程序界面，使得程序使用更友好。在相應界面中輸入合理的管片尺寸參數(shù)，即可快速生成相應管片的2D和3D圖紙。
5工程應用
虹梅南路越江隧道盾構(gòu)段外徑14.5 m，管片厚度0.6 m，環(huán)寬2.0 m。管片分塊數(shù)為10塊，由7塊標準塊(S1～S7)、2塊鄰接塊(S8、S9)和1塊封頂(S10)塊組成，采用錯縫拼裝的形式。其中7塊標準塊形式相同，分塊面為徑向；封頂塊的兩側(cè)分塊面設有楔形量；鄰接塊與封頂塊相連端采用相同的楔形量。工程管片結(jié)構(gòu)設計采用參數(shù)化設計程序。選擇需要設計的管片類型，并輸入相關(guān)設計參數(shù)，在短短幾秒內(nèi)即可得到相應的3D模型和2D圖紙。其中主要的2D投影和剖面見圖3~圖5。
6結(jié)語
本文突破常規(guī)的管片2D制圖方法，提出先建立3D模型再自動生成2D圖紙的全新思路，并采用Visual Lisp對AutoCAD進行二次開發(fā)，編制管片參數(shù)化設計程序。使用該程序可以在幾秒鐘內(nèi)生成管片的3D和2D圖紙，即使輸入?yún)?shù)發(fā)生變化，也能在第一時間內(nèi)生成全新的圖紙，極大提高管片結(jié)構(gòu)設計效率和質(zhì)量。該程序成功應用于虹梅南路盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)圖紙的設計中，同時也為其他地下工程結(jié)構(gòu)圖紙的參數(shù)化設計提供極強的參考價值。
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