一种基于BIM的盾构隧道正向设计方法、系统及介质与流程

一种基于bim的盾构隧道正向设计方法、系统及介质
技术领域
1.本发明涉及水利水电、城市轨道交通工程的盾构隧道设计技术，具体涉及一种基于bim的盾构隧道正向设计方法、系统及介质。


背景技术：

2.随着社会的发展，盾构隧道越来越多的用于输配水隧道和城市轨道交通中来。盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。在盾构施工过程中，所采用的盾构管环的类别决定了盾构曲线的拟合思路。为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要，应设计楔形衬砌环。
3.目前国际上通常采用的衬砌环类型有楔形衬砌环与直线衬砌环的组合、通用型管环和楔形衬砌环之间相互组合等方式。其中，通用型管环只采用一种类型的楔形衬砌环，盾构掘进时通过盾构机内环向千斤顶的传感器的信息确定下环转动的角度，以使楔形量最大处置于千斤顶行程最长处，也就是说，管片衬砌环是可以360
°
旋转的。由于它只需一种管片类型，可降低管模成本，不会因管片类型供应不上造成工程质量问题，但是通用管片拼装难度较高，需要有经验的盾构机操作人员。
4.目前已有盾构隧道创建的相关技术。例如，中国专利申请号为202110089490.7的申请案公开了一种参数化的tbm盾构隧道模型建立方法，包括如下步骤：步骤一：打开revit，新建一个公制自适应常规族，导入项目管片设计图纸，根据图纸建立一个自适应管片族，然后保存族；步骤二、新建revit项目，根据设计图纸绘制或导入项目隧道中心线，并将步骤一中自适应管片族加载到项目中；步骤三、启动dynamo，编写tbm盾构隧道模型dynamo参数化程序文件tbm tunnel并保存；步骤四、调整设计参数，运行tbm tunnel程序文件，自动快速生成tbm盾构隧道模型。该申请虽然提供了一种盾构隧道创建方法，但未提供盾构路线的明确创建步骤。且其盾构管片部分为体型自适应，这就造成每一相同型号管片体型数据均不同，给管片预制和安装带来了极大的困难。且每一管片的参数均需单独设计，这对于设计出图、管片厂预制和现场安装来说几乎不可能实现。最重要的是，其方法在一定程度上违背了现阶段盾构路线的拟合原理，现行的盾构设计原理在进度、技术、经济的可行性上完全优于此方法中所述原理，可操作性弱，无法满足实际需要，整体方案有待改进。例如，中国专利申请号为202011516511.0的申请案公开了一种利用dynamo实现盾构管环纠偏排版的方法，包括如下步骤：搭建revit环境，创建dynamo环境下设计线；编制dynamo管环创建程序；编制dynamo排版程序；编制dynamo盾构模型创建程序；排版设计；纠偏设计。该申请在一定程度上给出了基于通用管环创建和纠偏程序，但在盾构中心线的选取上本案例依托于设计曲线，属于逆向工程。其工作成果基于revit和dynamo，但对于盾构隧道这类线性工程一般体量较大，涉及大区域的坐标系统，而revit中缺乏对坐标系统的支持，且超过一定体量revit中模型精度会降低，用于设计成果上存在一定的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于bim的盾构隧道正向设计方法、系统及介质，本发明能够在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环确定第n 1环管环的固定空间姿态以及空间角度旋转姿态，从而得到高精度的盾构管环模型，可结合设计平纵曲线自动比选最佳旋转角度计算出每一环最优位置，从而设计出最优的盾构隧道管环排布，提升盾构隧道正向设计的质量和效率。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种基于bim的盾构隧道正向设计方法，包括在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环，拼装第n 1环管环时包括确定第n 1环管环的固定空间姿态以及空间角度旋转姿态，且所述第n 1环管环的固定空间姿态为以第n环盾构前向中心点
②
为中心起点，以第n环盾构前向所在平面法向量所在直线
③
为中心轴进行定位；所述第n 1环管环的角度旋转姿态的确定方法包括：基于管环纵向拼接的定位孔数量j确定第n 1环管环的可旋转位置
⑥
数量k且满足k＝j，在第n 1环管环的k种可旋转位置
⑥
中，选择其中使得第n 1环管环的中心轴线更贴近盾构的三维中心线的可旋转位置
⑥
作为最佳的可旋转位置
⑥
，并基于最佳的可旋转位置
⑥
得到第n 1环管环的角度旋转姿态。
8.可选地，所述选择其中使得第n 1环管环的中心轴线更贴近盾构的三维中心线的可旋转位置
⑥
是指选择其中使得第n 1环管环的中心轴线、盾构的三维中心线夹角最小的可旋转位置
⑥
。
9.可选地，所述在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环的调用步骤包括：
10.1)初始化第一环管环的固定空间姿态以及空间角度旋转姿态、管环宽度以及盾构隧道三维中心线长度，将第一环管环作为初始的第n环管环，跳转下一步；
11.2)进行盾构隧道路线设计以及管环设计；
12.3)在第n环管环的基础上，确定长度为管环宽度的第n 1环管环，调用在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环；
13.4)判断前n 1环管环的管环宽度累加量大于盾构隧道三维中心线长度是否成立，若成立则判定盾构隧道正向设计完成；否则将第n 1环管环作为新的第n环管环，跳转步骤3)。
14.可选地，步骤3)中在判定盾构隧道正向设计完成之后，还包括获取设计完成得到的盾构隧道排布的拟合三维中心线，判断盾构隧道的拟合三维中心线相对设计三维中心线而言是否可行，若可行，则判定设计完成得到的盾构隧道排布满足设计要求，否则判定设计完成得到的盾构隧道排布不满足设计要求，并跳转执行步骤2)以调整优化盾构隧道路线设计以及管环设计。
15.可选地，所述盾构隧道路线设计的步骤包括：
16.a1)获取盾构区间地形，根据盾构区间地形创建盾构区间地形曲面；
17.a2)根据盾构区间地形曲面进行盾构隧道的平面线设计和纵曲线设计；
18.a3)根据设计得到的盾构隧道的平面线、纵曲线创建盾构隧道的三维中心线；
19.a4)获取盾构隧道的三维中心线的起点坐标(x0,y0,z0)并导出盾构隧道的三维中心线；
20.a5)将盾构隧道的三维中心线的起点坐标(x0,y0,z0)移动至空间原点(0,0,0)位置，从而得到转换坐标后的盾构隧道的三维中心线。
21.可选地，所述管环设计的步骤包括：
22.b1)基于设定的管环半径r和管片厚度d分别创建管环的内外圆边线，根据参数内外圆边线和初拟厚度，将内外圆边线进行法向拉伸初拟厚度对应的长度形成包络曲面，结合两端封闭平面完成管环的骨架模型的创建；
23.b2)在管环的骨架模型的基础上，分别进行楔形量、定位孔、分缝的建模，并将管环的骨架模型以及楔形量、定位孔、分缝的建模得到的模型整合得到管环的模型；
24.其中，楔形量的建模步骤包括：基于设定的楔形量g和管环厚度h，确定对应的管环最厚端厚度为h最薄处厚度为h-g，使用四个节点p1(0,0,0)、p2(0,0,h)、p3(0,r d,g/2)、p4(0,r d,h-g/2)创建控制管环楔形量的圆周点；分别将四个节点p1(0,0,0)、p2(0,0,h)、p3(0,r d,g/2)、p4(0,r d,h-g/2)作为px，使用从四个节点p1～p4出发创建基于四个节点p1～p4的平行于y轴的线段(px,vector.yaxis,r d)，vector.yaxis表示线段的方向，r d表示线段的长度，最后通过线段的空间关系创建切割平面，完成楔形量的模型创建；
25.其中，定位孔的建模步骤包括：基于设定的螺栓连杆圆弧半径r1、螺栓连杆中心弧长r2、螺栓连杆半径r3，在指定的平面plane1上以螺栓连杆圆弧半径r1作为半径创建圆形c1，根据螺栓连杆中心弧长r2、螺栓连杆半径r3创建连杆路径圆弧c2，根据连杆路径圆弧c2作为扫掠路径扫掠形成以圆形c1为轮廓的连杆实体；根据相似代码和手孔与连杆的数据关系进行创建螺栓手孔实体，并进行空间位置转换放置到对应的三维位置进行布尔差集运算完成定位孔的模型创建；
26.其中，分缝的建模步骤包括：基于设定的环接缝和纵缝参数化轮廓，将纵缝参数化轮廓载入后转换为程序可读取的闭合多段线，在闭合多段线上对应的位置上设置单独的坐标系统，将分缝轮廓线变换到对应的分缝位置并通过扫掠生成分缝实体，最后进行布尔差集运算，完成分缝的模型创建。
27.可选地，所述判定设计完成得到的盾构隧道排布满足设计要求之后，还包括在设计完成得到的盾构隧道排布的基础上进一步进行盾构隧道的附属模型的创建和设计，所述盾构隧道的附属模型包括盾构隧道的安装螺栓、电缆架、轨道中的至少一种，从而得到完整的盾构隧道模型。
28.可选地，所述得到完整的盾构隧道模型之后，还包括进行盾构区间整体的空间位置修正以避免大区域坐标系下的位置失真问题的步骤。
29.此外，本实施例还提供一种基于bim的盾构隧道正向设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述基于bim的盾构隧道正向设计方法的步骤。
30.此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有用于被计算机设备编程或配置以执行所述基于bim的盾构隧道正向设计方法的计算机程序。
31.和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：在盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的处理上，常设计楔形衬砌环进行空间上的拼装进行拟合，从而模拟出所需的空间曲线。目前国际上通常采用的衬砌环类型有楔形衬砌环与直线衬砌环的组合、通用型管环和楔形
衬砌环之间相互组合等方式。其中，楔形衬砌环与直线衬砌环的组合和楔形衬砌环之间相互组合这两种类型在实际盾构推进时，依据排列图及当前施工误差，确定下一环衬砌类型。由于采用的衬砌环类型不完全确定，所以给管片供应带来一定难度。而通用管环由于只有一种类型，则不会存在此问题，但通用管环拼装难度较高，需要精确优化每一环的空间位置。解决上述问题，本发明基于bim的盾构隧道正向设计方法包括在第n环管环的盾构前向平面上拼装第n 1环管环，第n 1环管环的固定空间姿态为以第n环盾构前向中心点为中心起点以第n环盾构前向所在平面法向量所在直线为中心轴进行定位，第n 1环管环的角度旋转姿态的确定包括在k种可旋转位置中选择使得第n 1环管环的中心轴线更贴近盾构的三维中心线的可旋转位置。本发明能够在第n环管环的盾构前向平面上拼装第n 1环管环确定第n 1环管环的固定空间姿态以及空间角度旋转姿态，自动生成的盾构隧道三维空间排布使得每一环空间姿态经过精确计算放置在最优位置，从而得到高精度的盾构管环模型(bim模型)，可结合设计平纵曲线自动比选最佳旋转角度计算出每一环最优位置，从而设计出最优的盾构隧道管环排布，提升盾构隧道正向设计的质量和效率。
附图说明
32.图1为本发明实施例中第n环管环盾构前向中心点及第n 1环所有定位点。
33.图2为本发明实施例中第n 1环管环最优定位位置示意图。
34.图3为本发明实施例中盾构隧道正向排布设计程序的界面示意图。
35.图4为本发明实施例中得到的盾构隧道正向排布模型的示意图。
36.图5为本发明实施例中完整的设计、优化流程示意图。
37.图6为本发明实施例中管环模型设计程序的参数输入界面示意图。
38.图7为本发明实施例中进行盾构区间整体的空间位置修正的原理示意图。
具体实施方式
39.如图1和图2所示，本实施例基于bim的盾构隧道正向设计方法包括在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环，拼装第n 1环管环时包括确定第n 1环管环的固定空间姿态以及空间角度旋转姿态，且所述第n 1环管环的固定空间姿态为以第n环盾构前向中心点
②
为中心起点，以第n环盾构前向所在平面法向量所在直线
③
为中心轴进行定位；所述第n 1环管环的角度旋转姿态的确定方法包括：基于管环纵向拼接的定位孔数量j确定第n 1环管环的可旋转位置
⑥
数量k且满足k＝j，在第n 1环管环的k种可旋转位置
⑥
中，选择其中使得第n 1环管环的中心轴线更贴近盾构的三维中心线的可旋转位置
⑥
作为最佳的可旋转位置
⑥
，并基于最佳的可旋转位置
⑥
得到第n 1环管环的角度旋转姿态。
40.图1和图2中，
①
为第n环盾构前向面(同时为第n 1环盾构后向面)；
②
为第n环盾构前向中心点(同时为第n 1环定位点)；
③
为第n环盾构前向面法向量所在直线(同时为第n 1环旋转轴)；
④
为第n 1环所有定位点所在圆的圆心；
⑤
为第n 1环中心轴线段可能的位置；
⑥
为第n 1环盾构前向中心点可能的位置及所在圆的圆周；
⑦
为盾构路线设计中心线；
⑧
为第n 1环盾构前向中心点最优位置；
⑨
为第n 1环盾构前向面(同时为第n 2环盾构后向面)。本实施例中，在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环采用窗口化控制程序为基于比选计算原理实现。第n 1环在第n环的盾构前向平面
①
上进行拼装，而此平面是一个带
有倾斜角度的空间平面，第n 1环的盾构后向的中心点需与第n环盾构前向的中心点
②
重合。故而，第n 1环的固定空间姿态为：以第n环盾构前向中心点
②
为中心起点，以第n环盾构前向所在平面法向量所在直线
③
为中心轴进行定位。第n 1环空间角度旋转姿态确定方法：每个管环纵向拼接的定位孔数量j是个定值，则第n 1环的可旋转位置
⑥
数量k也是定值，且k＝j。所以，在第n 1环旋转时，其中心轴线所在的多段线的方向
⑤
有k种可选结果，但总有一个空间位置使得第n 1环的中心轴线更贴近盾构的三维中心线(即，二者夹角最小)，此时第n 1环的空间位置即为其空间最优姿态位置，即完成了第n 1环的空间定位。同理，第n 2环按第n 1环思路继续拼装，后续管环按此思路继续拼装，直至完成盾构区间的全部排布。
41.作为一种可选的实施方式，本实施例中选择其中使得第n 1环管环的中心轴线更贴近盾构的三维中心线的可旋转位置
⑥
是指选择其中使得第n 1环管环的中心轴线、盾构的三维中心线夹角最小的可旋转位置
⑥
。
42.本实施例中，在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环的调用步骤包括：
43.1)初始化第一环管环的固定空间姿态以及空间角度旋转姿态、管环宽度以及盾构隧道三维中心线长度，将第一环管环作为初始的第n环管环，跳转下一步；
44.2)进行盾构隧道路线设计以及管环设计；
45.3)在第n环管环的基础上，确定长度为管环宽度的第n 1环管环，调用在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环；
46.4)判断前n 1环管环的管环宽度累加量大于盾构隧道三维中心线长度是否成立，若成立则判定盾构隧道正向设计完成；否则将第n 1环管环作为新的第n环管环，跳转步骤3)。
47.本实施例方法采用基于bim软件(本实施例中具体为revit软件)的窗口化控制程序(命名为盾构隧道正向排布设计程序)实现，窗口化控制程序创建主要基于dynamo下的design script脚本语言和python进行编写，输入参数为盾构三维中心线、管环宽度、楔形量、管环直径、管环族等。其中，在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环时，定义单个管环空间姿态定位的函数定义为：
48.guanhuan1(本环定位点,本环法向量,管环宽度,管环楔形量,盾构管环直径,本环起始面,本环半短轴方向,本环旋转基准点,螺栓个数,是否允许通缝,盾构路线,管片族,管环宽度累加量)；
49.基于函数guanhuan1，结合第n环定位后的空间姿态，在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环，计算输出第n 1环定位数据。
50.盾构设计中心线为三维曲线，而盾构管环所拼装的盾构路线可以看成由管环中心线所组合的三维多段线，所以本实施例中通过函数guanhuan1计算将每一处三维多段线的节点更接近中心线，即可完成盾构区间的最优三维排布。根据盾构规划线路以交互设计动态更新的方式完成盾构的设计平曲线、纵曲线和中心线，并提取中心线数据转换空间坐标，待导入盾构排布程序中使用。载入创建的通用管环和导出的盾构设计中心线，在窗口化界面中设置数据并运行所创建的管环自动排布程序，即可完成此盾构区间的管环三维排布并创建其bim模型。本实施例中，在第n环管环的盾构前向平面
①
上拼装第n 1环管环的调用函数定义为：
51.mainshiyong(本环定位点,本环法向量,管环宽度,管环楔形量,盾构管环直径,本环起始面,本环半短轴方向,本环旋转基准点,螺栓个数,是否允许通缝,盾构路线,管片族,管片宽度累加量)；
52.函数mainshiyong是盾构隧道正向排布设计程序的主函数。函数mainshiyong针对每个第n 1环管环，调用函数guanhuan1用于进行每一环的数据输入输出计算，得到的结果包括本环定位点、本环法向量、本环起始面、本环旋转基准点以及本环半短轴方向，将结果存放在列表result_list中，以每一环的管环宽度为基准，以管环宽度累加量为依据和盾构隧道三维中心线长度进行判断，当累加长度超过中心线长度时跳出循环，完成盾构区间正向排布设计。最终将列表result_list作为最终得到的结果作为最终结果输出。获取列表result_list中返回的数据后，单独提取出本环定位点、本环法向量和本环旋转基准点，根据三者空间关系确定出通用管环空间定位姿态并作为通用管环空间定位依据，从而完成盾构隧道正向排布模型的建立。图3为本发明实施例中盾构隧道正向排布设计程序的界面示意图，在revit界面调用盾构隧道正向排布设计程序，在设计窗口中选择修正的三维中心线，输入管环宽度、楔形量、管环直径等参数，选择对应的通用管环族，点击运行即可在3分钟左右完成一个常规盾构区间的正向排布设计，图4为本实施例中得到的盾构隧道正向排布模型的示意图。
53.如图5所示，本实施例步骤3)中在判定盾构隧道正向设计完成之后，还包括获取设计完成得到的盾构隧道排布的拟合三维中心线，判断盾构隧道的拟合三维中心线相对设计三维中心线而言是否可行，若可行，则判定设计完成得到的盾构隧道排布满足设计要求，否则判定设计完成得到的盾构隧道排布不满足设计要求，并跳转执行步骤2)以调整优化盾构隧道路线设计以及管环设计。
54.作为一种可选的实施方式，本实施例中盾构隧道路线设计采用civil 3d实现。如图5中左侧部分流程所示，盾构隧道路线设计的步骤包括：
55.a1)获取盾构区间地形，根据盾构区间地形创建盾构区间地形曲面；根据盾构区间获取电子地形图，使用civil 3d曲面功能结合电子地形图中的等高线、地形点等地形信息，创建盾构区间原始地形曲面，为盾构区间平曲线和纵曲线设计提供设计基础。
56.a2)根据盾构区间地形曲面进行盾构隧道的平面线设计和纵曲线设计；
57.根据civil 3d创建设计中的路线创建功能调出路线创建工具，根据盾构区间的要求，使用路线创建工具面板绘制直线、圆曲线、缓和曲线。结合专业的出图标准定制相关平面线设计的出图样式，从而达到平面出图要求。根据civil 3d创建设计中的纵断面创建功能调出纵断面创建工具，根据盾构区间的要求和地面线纵断面数据，使用纵断面创建工具绘制纵断面。根据出图标准定制纵断面图样式集，结合对应要求绘制纵断面图，得到纵曲线设计。
58.a3)根据设计得到的盾构隧道的平面线、纵曲线创建盾构隧道的三维中心线；
59.盾构隧道平纵曲线设计完成之后，定制包含盾构隧道中心点的横断面装配。使用创建设计中的道路功能，结合设计平曲线、纵曲线、横断面装配生成盾构隧道的概念设计模型和盾构隧道三维中心线。
60.a4)获取盾构隧道的三维中心线的起点坐标(x0,y0,z0)并导出盾构隧道的三维中心线；
61.a5)将盾构隧道的三维中心线的起点坐标(x0,y0,z0)移动至空间原点(0,0,0)位置，从而得到转换坐标后的盾构隧道的三维中心线。根据civil 3d数据提取功能，提取盾构隧道三维中心线。中心线提取后，获取中心线起点坐标(x0,y0,z0)，使用移动功能将中心线起点移动至空间原点(0,0,0)位置，并导出位置转换后且数量加密的三维中心线坐标点待用。
62.作为一种可选的实施方式，本实施例中管环设计基于dynamo下的design script脚本语言和python编写创建通用管环自动生成程序。通用管环在空间上可以看成是一个上下底面存在倾斜的圆柱体，通过其空间拟合而模拟出贴近设计三位曲线的盾构曲线，根据其特点将管片的半径、宽度、厚度、楔形量、手孔、吊装孔、纵缝、横缝等数据根据控制范围进行可视化编程，形成窗口化控制程序，从而实现类似管片的快速建模，只需在窗口界面修改设计数据即可完成管环基础模型的创建。管环基础模型创建完成后，导入revit添加空间自适应点即完成通用管环模型族的创建。通用管环自动生成程序的程序代码模块主要包含：管环体创建模块、楔形量创建模块、螺栓孔创建模块、分缝创建模块等。通过各个模块之间的相互配合，读取所输入的设计数据，自动完成通用管环的设计和模型创建。如图5中右侧部分流程所示，管环设计的步骤包括：
63.b1)基于设定的管环半径r和管片厚度d分别创建管环的内外圆边线，根据参数内外圆边线和初拟厚度，将内外圆边线进行法向拉伸初拟厚度对应的长度形成包络曲面，结合两端封闭平面完成管环的骨架模型的创建；本实施例中，管环创建模块用于完成管环的骨架模型的创建，管环创建模块核心代码和思路如下：输入信息为管环半径r和管片厚度d，使用：
64.circle.bycenterpointradius(point.bycoordinates(0,0,0),d)，
65.circle.bycenterpointradius(point.bycoordinates(0,0,0),r d)，
66.分别创建管环的内外圆边线，使用designscript.curve.extrude(内外圆边线,初拟厚度)将内外圆边线进行法向拉伸“初拟厚度对应的长度”形成包络曲面，最后结合两端封闭平面完成管环骨架模型的创建，后续楔形量、螺栓孔、分缝及模型整合转换均在此基础上进行拓展。
67.b2)在管环的骨架模型的基础上，分别进行楔形量、定位孔、分缝的建模，并将管环的骨架模型以及楔形量、定位孔、分缝的建模得到的模型整合得到管环的模型；
68.其中，楔形量的建模步骤包括：基于设定的楔形量g和管环厚度h，确定对应的管环最厚端厚度为h最薄处厚度为h-g，使用四个节点p1(0,0,0)、p2(0,0,h)、p3(0,r d,g/2)、p4(0,r d,h-g/2)创建控制管环楔形量的圆周点；分别将四个节点p1(0,0,0)、p2(0,0,h)、p3(0,r d,g/2)、p4(0,r d,h-g/2)作为px，使用从四个节点p1～p4出发创建基于四个节点p1～p4的平行于y轴的线段(px,vector.yaxis,r d)，vector.yaxis表示线段的方向，r d表示线段的长度，最后通过线段的空间关系创建切割平面，完成楔形量的模型创建；本实施例中，楔形量创建模块用于完成楔形量的建模，楔形量创建模块核心代码及创建思路如下：输入信息为楔形量g和管环厚度h，对应的管环最厚端厚度为h最薄处厚度为h-g。使用节点p1＝point.bycoordinates(0,0,0)、p2＝point.bycoordinates(0,0,h)、p3＝point.bycoordinates(0,r d,g/2)、p4＝point.bycoordinates(0,r d,h-g/2)创建控制管环楔形量的圆周点。在使用line.bystartpointdirectionlength(px,vector.yaxis,r d)
(px依次替换p1、p2、p3、p4)创建基于p1-4平行与y轴的线段。最后通过线段的空间关系创建切割平面，完成楔形量的创建赋予。
69.其中，定位孔的建模步骤包括：基于设定的螺栓连杆圆弧半径r1、螺栓连杆中心弧长r2、螺栓连杆半径r3，在指定的平面plane1上以螺栓连杆圆弧半径r1作为半径创建圆形c1，根据螺栓连杆中心弧长r2、螺栓连杆半径r3创建连杆路径圆弧c2，根据连杆路径圆弧c2作为扫掠路径扫掠形成以圆形c1为轮廓的连杆实体；根据相似代码和手孔与连杆的数据关系进行创建螺栓手孔实体，并进行空间位置转换放置到对应的三维位置进行布尔差集运算完成定位孔的模型创建；本实施例中，定位孔创建模块用于完成定位孔(螺栓孔)的建模，定位孔创建模块的核心代码及创建思路如下：输入信息为螺栓连杆圆弧半径r1、螺栓连杆中心弧长r2、螺栓连杆半径r3。使用circle.byplaneradius(plane1,r1)在平面上创建螺栓孔半径圆所在圆形c1，结合r3和r2创建连杆路径圆弧c2，在使用autodesk.solid.bysweep(c1,c2)根据路径c2扫掠形成以c1为轮廓的连杆实体。螺栓手孔实体根据相似代码和手孔与连杆的数据关系进行创建。最后通过geometry.translate和geometry.rotate节点进行空间位置转换，放置到对应的三维位置进行布尔差集运算，即完成螺栓孔创建。
70.其中，分缝的建模步骤包括：基于设定的环接缝和纵缝参数化轮廓，将纵缝参数化轮廓载入后转换为程序可读取的闭合多段线，在闭合多段线上对应的位置上设置单独的坐标系统，将分缝轮廓线变换到对应的分缝位置并通过扫掠生成分缝实体，最后进行布尔差集运算，完成分缝的模型创建。本实施例中，分缝创建模块用于完成分缝的建模，分缝创建模块的核心代码及创建思路如下：输入信息为环接缝和纵缝参数化轮廓。将纵缝参数化轮廓载入后通过element.geometry节点和polycurve.curves节点转换为程序可读取的闭合多段线。使用tangentandcoordinatesystem节点在对应的位置上设置单独的坐标系统，使用geometry.transform节点将分缝轮廓线变换到对应的分缝位置，使用solid.bysweep节点扫掠生成分缝实体，最后进行布尔差集运算，即完成管环分缝创建。
71.此外，管环的骨架模型的基础上，可能还包含其他相关模块，其他相关模块及模块扩充原理类似，不再赘述。经过上述流程，已完成通用管环模型创建程序，将各模块分组标识以便后续维护、使用以及扩充。在revit界面点击调用，即可打开通用管环设计的参数设置窗口，将所需参数输入后点击运行即可在1分钟之内完成管环模型的设计创建，输入界面见图6所示，其中左侧为渲染区域，右侧为参数输入区域。
72.本实施例中，通过步骤3)可在盾构设计完成后可根据导出的数据查看正向设计排布拟合的中心线和设计三位维心线的关系，再结合规范的其他要求进行线路的平曲线和纵曲线优化，借助civil 3d的动态更新可实施完成线路调整，也可根据设计情况继续对管环参数进行优化，优化后继续载入运行，即可快速完成设计优化工作。
73.在通用管环优化完成后，根据其尺寸关系可继续进行螺栓安装、电缆架、轨道等深化设计。作为一种可选的实施方式，本实施例中判定设计完成得到的盾构隧道排布满足设计要求之后，还包括在设计完成得到的盾构隧道排布的基础上进一步进行盾构隧道的附属模型的创建和设计，盾构隧道的附属模型包括盾构隧道的安装螺栓、电缆架、轨道中的至少一种，从而得到完整的盾构隧道模型。本实施例的盾构隧道正向排布设计程序中已留有附属模型的载入接口可随时调用，相关附属模型的创建和设计就不再赘述。
74.本实施例中，得到完整的盾构隧道模型之后，还包括进行盾构区间整体的空间位
置修正以避免大区域坐标系下的位置失真问题的步骤。本实施例中进行盾构区间整体的空间位置修正是指：如图7所示，在模型创建完成后，调出revit的项目基点与测量点，测量点位置保持不变，即测量点的坐标为(0,0,0)；解锁项目基点，再移动至盾构隧道三维中心线起点处进行锁定。确认项目基点锁定后，将civil 3d中获取的三维中心线起点坐标(x0,y0,z0)输入至项目基点中，完成了盾构区间整体的空间位置修正，避免了大区域坐标系下的位置失真问题。
75.综上所述，本实施例方法本着面向对象、交互设计、窗口化、模块化、可视化的原则进行展开，为了解决在采用通用管环时管环排布和拼装难度高的问题，提供了一套完整的基于bim的盾构隧道正向设计方法。本实施例方法包括采用civil 3d进行盾构路线交互设计及路线空间位置处理、采用窗口化控制程序进行通用管环设计、采用窗口化控制程序进行盾构隧道正向排布设计。为了解决当前盾构方案的比选时在衬砌环和通用环之间的决策问题，本实施例为通用管环盾构提供了一种正向设计的方法，从而避开采用衬砌环类型时的不确定性，给管片供应和拼装质量带来的问题。基于此方法，我们提出了以civil 3d为基础的盾构路线创建流程、可窗口化控制的管环生成程序及盾构正向设计排布程序。和现有技术相比，本实施例方法虽然也有类似的管环创建和排版程序，但其创建原理不同，并有管环连接螺栓功能，且本实施例方法以可视化窗口进行操作，只需修改参数即可完成设计，相对门槛更低。本实施例方法中提供了有关大区域坐标的处理方法，解决了大区域盾构自动排布的精度失真问题。本实施例方法基于设计方向进行展开，提供了一整套思路正向设计方法，从路线设计到管环参数设计最后完成盾构区间管环的正向设计排布，且可通过正向设计排布成果优化相关设计参数来持续优化。与现有技术相比，本实施例方法的优点主要包括：(1)为通用管环盾构提供了一种正向设计排布的方法，从而避开采用衬砌环类型时的不确定性，给管片供应和拼装质量带来的问题。(2)结合现行盾构原理，可操作性强。(3)提供了一种窗口化的设计方法，加快了盾构区间设计方案的设计比选效率。(4)解决了现有方案在大区间盾构设计的精度失真问题。(5)正向设计成果可根据盾构区间持续优化。(6)提出了一整套的通用管环正向设计排布方法。
76.此外，本实施例还提供一种基于bim的盾构隧道正向设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述基于bim的盾构隧道正向设计方法的步骤。
77.此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有用于被计算机设备编程或配置以执行前述基于bim的盾构隧道正向设计方法的计算机程序。
78.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
79.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。