CN114386143A - 隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法 - Google Patents
隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，包括：S1搭建Revit及Dynamo环境；S2编制管环衬砌自动创建程序；S3编制管环衬砌自动排版及施工模拟程序；S4编制基于正向设计理念的管片结构自动选型程序。本发明通过对不同的设计参数驱动进行建模，既保证了模型的精度，又可以快速创建盾构模型；通过已有通用程序对管环进行快速自动排版，便于不同施工方案之间的快速比选；通过已有通用程序能够较准确的预知已确定方案的盾构线路偏移量；基于已有设计线路，可以快速的进行管片选型，辅助设计进行不同设计方案的比选。
Description
技术领域
本发明涉及于盾构设计及施工技术领域，具体为隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法。
背景技术
盾构隧道是通过盾构法开挖的一种暗挖隧道，当盾构机向前推进时，逐步跟进拼装预制混凝土管片，以此形成隧道结构，盾构管片作为隧道的永久衬砌结构，承担着土层压力、地下水压以及其他荷载，一般主要分为标准块、邻接块、封顶块组成，通过环向连接螺栓组成管环，管环的设计一般分为标准环、转弯环，双面楔形环，环端面呈圆形居多，均匀分布螺栓孔，环与环之间螺栓孔对齐，并采用错缝或通缝拼装，且遵循封顶块的点位特殊限制条件，形成符合规范标准的盾构隧道。
在施工之前，需要建立三维模型模拟各种施工方案的施工进程，模拟出施工数据，比选不同的施工方案，进而确定比较适合的施工方案，但是现有的建模方式存在以下不足：由于管环衬砌结构的复杂性，采用传统建模方法，难以保证模型精度；传统建模方式耗时较长；盾构施工前，盾构衬砌结构排版采用人工手动排版的方式，耗费时间较长，不利于不同施工方案的快速比选；不能够较准确的预知已确定方案的盾构线路偏移量。为此，我们提出基于Dynamo的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及基于正向设计理念的管片选型方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，通过对不同的设计参数驱动进行建模，保证了模型的精度，实现快速高精度的建模，通过已有通用程序对管环进行快速自动排版，便于不同施工方案之间的快速比选，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，包括以下步骤：
S1搭建Revit及Dynamo环境；
S2编制管环衬砌自动创建程序；
S3编制管环衬砌自动排版及施工模拟程序；
S4编制基于正向设计理念的管片结构自动选型程序。
进一步的，管环衬砌自动创建程序，包括：
(1)未剪切的管环实体自动创建，依据的逻辑关系为：通过生成的两个圆柱体相互剪切形成管环实体，生成的管环实体关于XY平面对称；
(2)管环楔形量自动创建，依据的逻辑关系为：采用不共线的点和线形成面，随后利用所生成的面去切割管环实体，使得管环实体具有一定的楔形量；
(3)衬砌结构环缝自动创建，依据的逻辑关系为：将环缝实体与具有楔形量的管环实体行布尔差集运算来创建管环环缝；
(3)管环间螺栓孔自动创建，依据的逻辑关系为：将管环间螺栓实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环间螺栓孔；
(4)管片间螺栓孔自动创建，依据的逻辑关系为：将管片间螺栓实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管片间螺栓孔；
(5)管环纵缝自动创建，依据的逻辑关系为：将纵缝实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环纵缝；
(6)管环注浆孔自动创建，依据的逻辑关系为：将注浆孔实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环注浆孔；
(7)将环缝、纵缝、螺栓、注浆孔与管环衬砌实体进行布尔差集运算，最终形成管环衬砌实体结构。
进一步的，管环环缝、纵缝、管环间螺栓孔、管片间螺栓孔、注浆孔均是由相应实体族文件与管环衬砌实体进行布尔差集运算所形成的。
进一步的，管环、管片间螺栓孔实体族文件创建过程中，曲线段螺栓孔的创建采用直线拟合的方式进行，拟合直线段分段长度为10cm。
进一步的，管环衬砌自动排版及施工模拟程序，包括：
(1)自动计算管环衬砌的偏转度数，计算依据的逻辑关系为:
θ-管环衬砌的偏转角度；δ-转弯环楔形量的一半；D-管环衬砌外径；
(2)依据盾构线路长度，自动计算所需管环衬砌数量，包括标准环和转弯环，计算依据的逻辑关系为：取整(盾构线路长度/管环幅宽)+1；
(3)依据盾构线路特征，自动计算所需转弯环个数，依据的逻辑关系为：
(4)在特征曲线处自动计算每次偏转对应的长度，特征曲线包括圆曲线和缓和曲线，依据的逻辑关系为：
θ-管环衬砌的偏转角度；R-曲线段处的转弯半径；l0-缓和曲线或是圆曲线或是二者的总长度；
(5)自动计算管环布置直线段、曲线段坐标点位，直线段坐标计算依据的逻辑关系为：x＝管环幅宽*cosA，y＝管环幅宽*silA平面相对坐标默认的起始点相对坐标系原点为(0,0)，其中A-直线段斜率对应的角度；x-直线段起始端点处对应的横坐标；y-直线段起始端点处对应的纵坐标；曲线段坐标计算依据的逻辑关系为：
xn＝xn-1+1.5sin(∑θ)，yn＝yn-1+1.5cos(∑θ)，θ-管环衬砌的偏转角度；
(6)理论计算线路与设计线路拟合偏差自动求取，依据的逻辑关系为：计算各布置点位在XY平面内的相对坐标，采用Curve.CoordinateSystemAtSegmentLength节点将相对坐标对应的原点为(0,0,0)的世界坐标系转换到缓和曲线在直缓点处的坐标系上，便得到每个管环衬砌的实际坐标点，采用NurbsCurve.ByPoints节点生成理论计算曲线，随后采用Geometry.DistanceTo节点求取理论计算曲线与设计曲线的拟合偏差，相互偏差距离控制在±5cm范围内，则符合施工规范要求；
(7)直线段处对应的标准环、曲线段处对应的转弯环数据自动分流，依据的逻辑关系为：将直环与转弯环的数据通过一定的方式分别过滤出来，便于后续直线段及曲线段管环衬砌的布置；
(8)标准环、转弯环初始坐标系及在实际项目中对应的空间坐标系自动计算确定，转弯环初始坐标系确定依据的逻辑关系为：通过获取原点坐标系的原始坐标系、原点及Z轴、转弯环所处位置的偏转角度来计算生成转弯环的初始坐标系；衬砌环在实际项目中对应的空间坐标系形成依据的逻辑关系为：实际坐标系的确立过程主要是以每个衬砌环的实际坐标点为原点，以缓和曲线在ZH点处的坐标系的X轴为X轴、Y轴为Y轴，建立一系列坐标系，同时这些坐标系依次绕自身Z轴旋转，旋转角度为衬砌环对应的偏转角度或拟合角度的累加，得到每个衬砌环的实际坐标系；
(9)依据施工顺序进行盾构施工自动模拟。
进一步的，依据施工顺序进行盾构施工自动模拟，包括：
(1)通过Dynamo程序获取Excel表中点位数据并形成管环衬砌放置实际点位；
(2)在对应实际点位处放置管环衬砌布置平面，该平面的法向量与对应实际点位所在曲线位置处的切向量平行，同时在该平面上绘制任意给定半径的圆，并获得圆上对应比例处(0.2,0.5,0.8)的点坐标；
(3)对奇数环和偶数环数据进行分流；
(4)在奇数环位置和偶数环位置分别对应放置管环衬砌；
(5)调用周期性函数对管环衬砌施工进行模拟。
进一步的，依据盾构线路的长度确定盾构施工模拟循环周期；创建对应参数点位处的平面圆，同时将该圆按照一定的比例进行划分，在相应比例处按照顺时针或是逆时针方向布置平面点，随后依据该平面点位放置管环衬砌。
进一步的，设计线路与理论计算线路拟合偏差求取的方法，包括：
(1)获取理论计算点位坐标；
(2)获取设计线路点位信息；
(3)坐标系转换；
(4)求取转换过后每个衬砌环坐标系原点到设计曲线段等间距分割点的距离。
进一步的，衬砌环在实际项目中的空间坐标系的形成方法，包括：
(1)获取设计线路点位信息；
(2)获取直缓点或圆缓点处坐标系；
(3)获取直缓点或圆缓点处坐标系的X轴、Y轴；
(4)以理论计算平面点位转换过后形成的空间点位为原点、前述X轴、Y轴创建坐标系；
(5)以前述坐标系为基准坐标系，依据管环偏移角度进行旋转，形成管环衬砌放置实际坐标系。
进一步的，管环衬砌自动排版程序的实现方法，包括：
(1)自动创建空间曲线功能模块的开发；
(2)自动创建参照点工作平面功能模块的开发；
(3)自动创建获取中心点功能模块的开发；
(4)自动创建临接块点位功能模块的开发；
(5)自动创建封顶块点位功能模块的开发；
(6)自动创建标准块点位功能模块的开发；
(7)自动创建放置封顶块功能模块的开发；
(8)自动创建放置临接块功能模块的开发；
(9)自动创建放置标准块功能模块的开发；
(10)将各功能模块按照一定的逻辑关系相互连接，以实现管环衬砌自动排版。
进一步的，基于正向设计理念的管片结构自动选型程序，包括：
(1)各参数输入端，参数输入端口具体包含内容为隧道管片外半径、管片厚度、管片宽度、错缝布置类型、环间螺栓个数、标准块角度、邻接块外弧角度、邻接块内弧角度，标准块角度包含有内外弧，邻接块外弧角度包含有内外弧，邻接块内弧角度包含有内外弧；
(2)管片布置程序，通过在Code Block中应用Python语言编写管片错缝及通缝布置程序，用数字来区分管片的错缝及通缝布置状态；
(3)依据既有设计线路进行管环布置实际点位计算，将原设计曲线向XY平面进行投影，生成平面二维曲线，按照管环幅宽对该投影所得平面曲线进行节段划分，形成管环布置平面相对点位，接着在相对点位处创建平面，并将该平面与设计曲线进行相交计算，得到管环布置实际点位；
(4)管片布置实际点位计算，在管片布置前后点位上分别创建平面，平面满足的条件是平面的法向量与曲线在对应点处的切向量相互平行；接着在创建的相应平面上绘制同心圆，最外侧圆的直径为管环设计外径，最内侧圆的直径为管环设计内径；最后依据程序初始输入参数值及通缝、错缝脚本程序及自定义开发节点segment_cut在前后平面圆环上划分管片前后平面布置点位，点位类型包括封顶块、邻接块和标准块；
(5)管片布置实际点位数据优化，采用List.Chop节点对管片布置平面点位分组进行优化处理，便于后续整体盾构模型的生成。
进一步的，管片布置实际点位计算中，每个块体均为12点自适应族，自适应点的编号有顺序要求。
与现有同类技术相比，本发明的有益效果是：本隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，具有以下好处：
1、管环自动排版程序，通过实时输入各种类型的控制参数，快速计算管环衬砌结构空间布置点位，并实时将理论计算线位与设计线位进行比对纠偏，超出规范允许范围时，可实时调整原管环排版施工方案，快速进行不同方案的比对；管环衬砌结构自动生成程序，通过实时输入各种结构控制参数来快速创建不同结构类型的高精度管环衬砌结构，便于不同设计方案的快速比对。
2、在管环衬砌结构自动生成程序及管环衬砌结构自动排版程序中，提前制作程序在运行过程中所需的各类结构构件族文件，用于程序设计理念在时间和空间上的三维精确表达。
3、通过对不同的设计参数驱动进行建模，既保证了模型的精度，又可以快速创建盾构模型；通过已有通用程序对管环进行快速自动排版，便于不同施工方案之间的快速比选；通过已有通用程序能够较准确的预知已确定方案的盾构线路偏移量；基于已有设计线路，可以快速的进行管片选型，辅助设计进行不同设计方案的比选。
附图说明
图1为本发明管环衬砌自动排版程序结构图；
图2为本发明管环衬砌施工自动模拟程序结构图；
图3为本发明管环衬砌自动创建程序结构图；
图4为本发明中管环衬砌施工模拟最终效果图；
图5为本发明中环缝、纵缝、螺栓、注浆孔实体效果图；
图6为本发明中管环衬砌实体效果图；
图7为本发明中管环衬砌结构效果图；
图8为本发明中整体盾构管片选型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本实施例提供一种技术方案：隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，包括以下步骤：
S1搭建Revit及Dynamo环境，编制管环衬砌自动创建程序；
S2基于正向设计理念的管片结构自动选型程序；
S3管环衬砌自动排版及施工模拟。
本发明包括两部分，第一部分为管环衬砌自动创建程序，具体包含：管环实体的自动创建(未放置螺栓及形成环缝和纵缝)；管环楔形量自动创建；管环环缝自动创建；管环间螺栓孔自动创建；管片间螺栓孔自动创建；管环纵缝自动创建；管环注浆孔自动创建。其中管环实体(未放置螺栓及形成环缝和纵缝)自动创建的依据是管环外径、内径，管环厚度及管环楔形量；管环楔形量自动创建的依据是由空间点和线形成的平面；管环环缝自动创建的依据是环缝族文件及环缝与管环实体之间的bool运算；管环间螺栓孔自动创建的依据是管环间螺栓孔族文件、管环间螺栓孔偏转角度及螺栓孔族文件与管环实体之间的bool运算；管片间螺栓孔自动创建的依据是管片间螺栓孔族文件、管片间螺栓孔偏转角度及螺栓孔族文件与管环实体之间的bool运算；管环纵缝自动创建的依据是管环纵缝族文件及螺栓孔族文件与管环实体之间的bool运算；注浆孔自动创建的依据是注浆孔族文件、注浆孔偏转角度及注浆孔族文件与管环实体之间的bool运算。
详细方案如下：
管环衬砌自动创建程序，包括：
(1)未剪切的管环实体自动创建，依据的逻辑关系为：通过生成的两个圆柱体相互剪切形成管环实体，生成的管环实体关于XY平面对称；
(2)管环楔形量自动创建，依据的逻辑关系为：采用不共线的点和线形成面，随后利用所生成的面去切割管环实体，使得管环实体具有一定的楔形量；
(3)衬砌结构环缝自动创建，依据的逻辑关系为：将环缝实体与具有楔形量的管环实体行布尔差集运算来创建管环环缝；
(4)管环间螺栓孔自动创建，依据的逻辑关系为：将管环间螺栓实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环间螺栓孔；
(5)管片间螺栓孔自动创建，依据的逻辑关系为：将管片间螺栓实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管片间螺栓孔；
(6)管环纵缝自动创建，依据的逻辑关系为：将纵缝实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环纵缝；
(7)管环注浆孔自动创建，依据的逻辑关系为：将注浆孔实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环注浆孔；
(8)将环缝、纵缝、螺栓、注浆孔与管环衬砌实体进行布尔差集运算，最终形成管环衬砌实体结构。
其中，管环环缝、纵缝、管环间螺栓孔、管片间螺栓孔、注浆孔均是由相应实体族文件与管环衬砌实体进行布尔差集运算所形成的；管环、管片间螺栓孔实体族文件创建过程中，曲线段螺栓孔的创建采用直线拟合的方式进行，拟合直线段分段长度为10cm。
第二部分为盾构管环的自动排版及盾构施工自动模拟，具体包含：衬砌管环的偏转度数自动计算；依据盾构线路长度，所需衬砌管环(标准环、转弯环)数量自动计算；依据盾构线路特征，所需转弯环数量自动计算；在特征曲线处(圆曲线、缓和曲线处)每次偏转对应长度的自动计算；管环布置直线段、曲线段坐标点位的自动计算；理论计算线路与设计线路拟合偏差自动求取；直线段处对应的标准环、曲线段处对应的转弯环数据自动分流；标准环、转弯环初始坐标系及在实际项目中对应的空间坐标系自动计算；标准环、转弯环在对应点位自动布置；依据施工顺序进行盾构施工自动模拟。其中衬砌管环偏转度数自动计算实现的依据是衬砌管环的楔形量及管片的外径；衬砌管环所需数量自动计算实现的依据是盾构线路长度及管环的幅宽；转弯环数量自动计算的依据是圆曲线和缓和曲线长度、转弯半径、管环偏转角度值；每次偏转对应长度的自动计算实现的依据是管环偏转角度值及放置管环算法(当切线角分别达到0.5θ、1.5θ、2.5θ……时放置转弯环)；管环布置直线段是统计表格中的坐标计算数据，曲线段坐标点位自动计算的依据是曲线段坐标算法；理论计算线路与设计线路拟合偏差自动求取的依据是管环计算放置点位与按照设计线路布置点位；直线段处对应的标准环、曲线段处对应的转弯环数据自动分流的依据是数据的bool运算；标准环、转弯环初始坐标系及在实际项目中对应的空间坐标系自动计算的依据分别是管环建模时的初始定位、空间坐标点位；标准环、转弯环在对应点位自动布置的依据是管环族文件及放置点空间点位；依据施工顺序进行盾构施工自动模拟的依据是实际的施工顺序及管环的空间放置点位。
详细方案如下：
管环衬砌自动排版及施工模拟程序，包括：
(1)自动计算管环衬砌的偏转度数，计算依据的逻辑关系为:
θ-管环衬砌的偏转角度；δ-转弯环楔形量的一半；D-管环衬砌外径；
(2)依据盾构线路长度，自动计算所需管环衬砌数量，包括标准环和转弯环，计算依据的逻辑关系为：取整(盾构线路长度/管环幅宽)+1；
(3)依据盾构线路特征，自动计算所需转弯环个数，依据的逻辑关系为：
(4)在特征曲线处自动计算每次偏转对应的长度，特征曲线包括圆曲线和缓和曲线，依据的逻辑关系为：
θ-管环衬砌的偏转角度；R-曲线段处的转弯半径；l0-缓和曲线或是圆曲线或是二者的总长度；
(5)自动计算管环布置直线段、曲线段坐标点位，直线段坐标计算依据的逻辑关系为：x＝管环幅宽*cosA，y＝管环幅宽*silA，平面相对坐标默认的起始点相对坐标系原点为(0,0)，其中A-直线段斜率对应的角度；x-直线段起始端点处对应的横坐标；y-直线段起始端点处对应的纵坐标；曲线段坐标计算依据的逻辑关系为：
xn＝xn-1+1.5sin(∑θ)，yn＝yn-1+1.5cos(∑θ)，θ-管环衬砌的偏转角度(切线角)；
(6)理论计算线路与设计线路拟合偏差自动求取，依据的逻辑关系为：计算各布置点位在XY平面内的相对坐标，采用Curve.CoordinateSystemAtSegmentLength节点将相对坐标对应的原点为(0,0,0)的世界坐标系转换到缓和曲线在直缓点处的坐标系上，便得到每个管环衬砌的实际坐标点，采用NurbsCurve.ByPoints节点生成理论计算曲线，随后采用Geometry.DistanceTo节点求取理论计算曲线与设计曲线的拟合偏差，相互偏差距离控制在±5cm范围内，则符合施工规范要求；
(7)直线段处对应的标准环、曲线段处对应的转弯环数据自动分流，依据的逻辑关系为：将直环与转弯环的数据通过一定的方式分别过滤出来，便于后续直线段及曲线段管环衬砌的布置；
(8)标准环、转弯环初始坐标系及在实际项目中对应的空间坐标系自动计算确定，转弯环初始坐标系确定依据的逻辑关系为：通过获取原点坐标系的原始坐标系、原点及Z轴、转弯环所处位置的偏转角度来计算生成转弯环的初始坐标系；衬砌环在实际项目中对应的空间坐标系形成依据的逻辑关系为：实际坐标系的确立过程主要是以每个衬砌环的实际坐标点为原点，以缓和曲线在ZH点处的坐标系的X轴为X轴、Y轴为Y轴，建立一系列坐标系，同时这些坐标系依次绕自身Z轴旋转，旋转角度为衬砌环对应的偏转角度或拟合角度的累加，得到每个衬砌环的实际坐标系；
(9)依据施工顺序进行盾构施工自动模拟。
其中，依据施工顺序进行盾构施工自动模拟，包括：
(1)通过Dynamo程序获取Excel表中点位数据并形成管环衬砌放置实际点位；
(2)在对应实际点位处放置管环衬砌布置平面，该平面的法向量与对应实际点位所在曲线位置处的切向量平行，同时在该平面上绘制任意给定半径的圆，并获得圆上对应比例处(0.2,0.5,0.8)的点坐标；
(3)对奇数环和偶数环数据进行分流；
(4)在奇数环位置和偶数环位置分别对应放置管环衬砌；
(4)调用周期性函数对管环衬砌施工进行模拟。
依据盾构线路的长度确定盾构施工模拟循环周期；创建对应参数点位处的平面圆，同时将该圆按照一定的比例进行划分，在相应比例处按照顺时针或是逆时针方向布置平面点，随后依据该平面点位放置管环衬砌。
其中，设计线路与理论计算线路拟合偏差求取的方法，包括：
(1)获取理论计算点位坐标；
(2)获取设计线路点位信息；
(3)坐标系转换；
(4)求取转换过后每个衬砌环坐标系原点到设计曲线段等间距分割点的距离。
衬砌环在实际项目中的空间坐标系的形成方法，包括：
(1)获取设计线路点位信息；
(2)获取直缓点或圆缓点处坐标系；
(3)获取直缓点或圆缓点处坐标系的X轴、Y轴；
(4)以理论计算平面点位转换过后形成的空间点位为原点、前述X轴、Y轴创建坐标系；
(5)以前述坐标系为基准坐标系，依据管环偏移角度进行旋转，形成管环衬砌放置实际坐标系。
另一个实施例中，管环衬砌自动排版程序的实现方法，包括：
(1)自动创建空间曲线功能模块的开发；
(2)自动创建参照点工作平面功能模块的开发；
(3)自动创建获取中心点功能模块的开发；
(4)自动创建临接块点位功能模块的开发；
(5)自动创建封顶块点位功能模块的开发；
(6)自动创建标准块点位功能模块的开发；
(7)自动创建放置封顶块功能模块的开发；
(8)自动创建放置临接块功能模块的开发；
(9)自动创建放置标准块功能模块的开发；
(10)将各功能模块按照一定的逻辑关系相互连接，以实现管环衬砌自动排版。
基于正向设计理念的管片结构自动选型程序，包括：
(1)各参数输入端，参数输入端口具体包含内容为隧道管片外半径、管片厚度、管片宽度、错缝布置类型、环间螺栓个数、标准块角度、邻接块外弧角度、邻接块内弧角度，标准块角度包含有内外弧，邻接块外弧角度包含有内外弧，邻接块内弧角度包含有内外弧；
(2)管片布置程序，通过在Code Block中应用Python语言编写管片错缝及通缝布置程序，用数字来区分管片的错缝及通缝布置状态；
(3)依据既有设计线路进行管环布置实际点位计算，将原设计曲线向XY平面进行投影，生成平面二维曲线，按照管环幅宽对该投影所得平面曲线进行节段划分，形成管环布置平面相对点位，接着在相对点位处创建平面，并将该平面与设计曲线进行相交计算，得到管环布置实际点位；
(4)管片布置实际点位计算，在管片布置前后点位上分别创建平面，平面满足的条件是平面的法向量与曲线在对应点处的切向量相互平行；接着在创建的相应平面上绘制同心圆，最外侧圆的直径为管环设计外径，最内侧圆的直径为管环设计内径；最后依据程序初始输入参数值及通缝、错缝脚本程序及自定义开发节点segment_cut在前后平面圆环上划分管片前后平面布置点位，点位类型包括封顶块、邻接块和标准块；
(5)管片布置实际点位数据优化，采用List.Chop节点对管片布置平面点位分组进行优化处理，便于后续整体盾构模型的生成。
其中，管片布置实际点位计算中，每个块体均为12点自适应族，自适应点的编号有顺序要求。
本发明包括：(1)衬砌管环自动创建程序，该程序包含的内容为：管环实体(未剪切)创建程序，管环楔形量创建程序，衬砌结构环缝、衬砌结构纵缝、环间螺栓孔、管片间螺栓孔、注浆孔创建程序；其中用于与管环实体(未剪切)进行bool剪切运算的实体族文件(环缝实体、纵缝实体、环向螺栓孔实体、管片间螺栓孔实体、注浆孔实体)均是以公制常规模型族样板为基础制作对应族文件；另外管环衬砌结构在创建过程中所依据的数据信息在程序中均设置有相应的输入端口。
(2)衬砌管环纠偏及排版程序，该程序包含的内容为：基于理论的管环最优排版程序、管环衬砌结构的偏转角度计算、管环衬砌数量计算、转弯环数量计算、转弯环对应偏转长度计算、管环衬砌结构布置直线段、曲线段坐标点位计算、理论计算线路与设计线路拟合偏差计算；拟基于在长度为65m的缓和曲线上进行管环衬砌结构的排版，该缓和曲线的转弯半径为400m，管环选型为幅宽为1.5m，楔形量为0.038m，采用单面楔形的方式，管环外径为3m，计算所得转弯环偏转角度为0.3629度，所需衬砌环总数为44个，所需转弯环个数为13个；转弯环布置采用的算法为当切线角分别达到0.5、1.5、2.5……12.5倍的转弯环偏转角度时，放置一个转弯环，随后依据转弯环的放置位置计算对应的曲线长度及相应里程，可以实现管环衬砌中心线与线路中心线的最佳拟合；同时计算各布置点位的相对坐标，并将相对坐标原点为(0,0,0)的世界坐标系转换到缓和曲线在直缓点处的坐标系上，得到每个管环衬砌的实际坐标点，通过NurbsCurve.ByPoints节点将各点顺次连接，形成理论计算曲线，随后与设计曲线进行拟合偏差求取，求得的拟合偏差最大值为10.1mm，符合规范要求；同时当求得的拟合偏差过大时，可分析拟合偏差数据，找出偏差大的部分，在相应位置处增加或者是减少转弯环数量。
(3)整体盾构模型创建程序，该程序主要包含的内容为：直环(标准环)、转弯环数据分流程序、管环衬砌结构初始坐标系及放置点位处实际坐标系计算、自动放置标准环、转弯环程序；管环衬砌结构初始坐标系的计算确立主要是为了统一管环衬砌结构的初始盾构姿态，同时也是转移至实际坐标系的基准通常需要采取旋转坐标系等操作，本实施案例中无需采取坐标系旋转等操作，主要原因在于制作管环实体族文件过程中，已考虑管环衬砌相应的平面定位；空间坐标系的计算确立主要是为了保证管环衬砌结构能够精准的布置在相应实际点位上；实际坐标系的确立过程为以每个衬砌环的实际坐标点为原点，以缓和曲线在ZH点处的坐标系的X轴为X轴、Y轴为Y轴，建立一系列坐标系，这些坐标系依次绕自身Z轴旋转，旋转角度为衬砌环对应的偏转角度(或是拟合角度)的累加，得到每个衬砌环的实际坐标系。
回归整体盾构模型创建程序，通过引入Dynamo管环衬砌结构自动创建及管环衬砌纠偏及排版模拟程序计算结果，通过对直环(标准环)及转弯环的数据分流，运行创建程序，可以获得最优排版模型，得到的模型可以直接用于工程量计算。
需要注意的是：xn＝xn-1+1.5sin(∑θ)，yn＝yn-1+1.5cos(∑θ)，θ-管环衬砌的偏转角度；上述相对坐标计算适用于任何曲线，包括直线、圆曲线、缓和曲线及其中的任意组合，上述公式可进一步理解为1.5m幅宽的管环在放置转弯环处依次累加偏转一定的角度，其他未放置转弯环处相对坐标依据线性变化规律，同时上述公式适用于任何幅宽管环衬砌相对坐标推算，公式中以1.5m为例进行说明。另外，需强调该结论是在第一个衬砌环相对坐标系原点为(0,0)且其X轴与水平面平行时成立。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1搭建Revit及Dynamo环境；
S2编制管环衬砌自动创建程序；
S3编制管环衬砌自动排版及施工模拟程序；
S4编制基于正向设计理念的管片结构自动选型程序。
2.根据权利要求1所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，管环衬砌自动创建程序，包括：
(1)未剪切的管环实体自动创建，依据的逻辑关系为：通过生成的两个圆柱体相互剪切形成管环实体，生成的管环实体关于XY平面对称；
(2)管环楔形量自动创建，依据的逻辑关系为：采用不共线的点和线形成面，随后利用所生成的面去切割管环实体，使得管环实体具有一定的楔形量；
(3)衬砌结构环缝自动创建，依据的逻辑关系为：将环缝实体与具有楔形量的管环实体行布尔差集运算来创建管环环缝；
(4)管环间螺栓孔自动创建，依据的逻辑关系为：将管环间螺栓实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环间螺栓孔；
(5)管片间螺栓孔自动创建，依据的逻辑关系为：将管片间螺栓实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管片间螺栓孔；
(6)管环纵缝自动创建，依据的逻辑关系为：将纵缝实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环纵缝；
(7)管环注浆孔自动创建，依据的逻辑关系为：将注浆孔实体与具有楔形量的管环实体进行布尔差集运算来创建管环注浆孔；
(8)将环缝、纵缝、螺栓、注浆孔与管环衬砌实体进行布尔差集运算，最终形成管环衬砌实体结构。
3.根据权利要求2所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，管环环缝、纵缝、管环间螺栓孔、管片间螺栓孔、注浆孔均是由相应实体族文件与管环衬砌实体进行布尔差集运算所形成的；管环、管片间螺栓孔实体族文件创建过程中，曲线段螺栓孔的创建采用直线拟合的方式进行，拟合直线段分段长度为10cm。
4.根据权利要求1所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，管环衬砌自动排版及施工模拟程序，包括：
(1)自动计算管环衬砌的偏转度数，计算依据的逻辑关系为:
-管环衬砌的偏转角度；δ-转弯环楔形量的一半；D-管环衬砌外径；
(2)依据盾构线路长度，自动计算所需管环衬砌数量，包括标准环和转弯环，计算依据的逻辑关系为：取整(盾构线路长度/管环幅宽)+1；
(3)依据盾构线路特征，自动计算所需转弯环个数，依据的逻辑关系为：
(4)在特征曲线处自动计算每次偏转对应的长度，特征曲线包括圆曲线和缓和曲线，依据的逻辑关系为：
θ-管环衬砌的偏转角度；R-曲线段处的转弯半径；l0-缓和曲线或是圆曲线或是二者的总长度；
(5)自动计算管环布置直线段、曲线段坐标点位，直线段坐标计算依据的逻辑关系为：x＝管环幅宽*cosA，y＝管环幅宽*sinA，平面相对坐标默认的起始点相对坐标系原点为(0,0)，其中A-直线段斜率对应的角度；x-直线段起始端点处对应的横坐标；y-直线段起始端点处对应的纵坐标；曲线段坐标计算依据的逻辑关系为：
xn＝xn-1+1.5sin(∑θ)，yn＝yn-1+1.5cos(∑θ)，θ-管环衬砌的偏转角度；
(6)理论计算线路与设计线路拟合偏差自动求取，依据的逻辑关系为：计算各布置点位在XY平面内的相对坐标，采用Curve.CoordinateSystemAtSegmentLength节点将相对坐标对应的原点为(0,0,0)的世界坐标系转换到缓和曲线在直缓点处的坐标系上，便得到每个管环衬砌的实际坐标点，采用NurbsCurve.ByPoints节点生成理论计算曲线，随后采用Geometry.DistanceTo节点求取理论计算曲线与设计曲线的拟合偏差，相互偏差距离控制在±5cm范围内，则符合施工规范要求；
(7)直线段处对应的标准环、曲线段处对应的转弯环数据自动分流，依据的逻辑关系为：将直环与转弯环的数据通过一定的方式分别过滤出来，便于后续直线段及曲线段管环衬砌的布置；
(8)标准环、转弯环初始坐标系及在实际项目中对应的空间坐标系自动计算确定，转弯环初始坐标系确定依据的逻辑关系为：通过获取原点坐标系的原始坐标系、原点及Z轴、转弯环所处位置的偏转角度来计算生成转弯环的初始坐标系；衬砌环在实际项目中对应的空间坐标系形成依据的逻辑关系为：实际坐标系的确立过程主要是以每个衬砌环的实际坐标点为原点，以缓和曲线在ZH点处的坐标系的X轴为X轴、Y轴为Y轴，建立一系列坐标系，同时这些坐标系依次绕自身Z轴旋转，旋转角度为衬砌环对应的偏转角度或拟合角度的累加，得到每个衬砌环的实际坐标系；
(9)依据施工顺序进行盾构施工自动模拟。
5.根据权利要求4所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，依据施工顺序进行盾构施工自动模拟，包括：
(1)通过Dynamo程序获取Excel表中点位数据并形成管环衬砌放置实际点位；
(2)在对应实际点位处放置管环衬砌布置平面，该平面的法向量与对应实际点位所在曲线位置处的切向量平行，同时在该平面上绘制任意给定半径的圆，并获得圆上对应比例处(0.2,0.5,0.8)的点坐标；
(3)对奇数环和偶数环数据进行分流；
(4)在奇数环位置和偶数环位置分别对应放置管环衬砌；
(5)调用周期性函数对管环衬砌施工进行模拟。
6.根据权利要求5所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，依据盾构线路的长度确定盾构施工模拟循环周期；创建对应参数点位处的平面圆，同时将该圆按照一定的比例进行划分，在相应比例处按照顺时针或是逆时针方向布置平面点，随后依据该平面点位放置管环衬砌。
7.根据权利要求4所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，设计线路与理论计算线路拟合偏差求取的方法，包括：
(1)获取理论计算点位坐标；
(2)获取设计线路点位信息；
(3)坐标系转换；
(4)求取转换过后每个衬砌环坐标系原点到设计曲线段等间距分割点的距离。
8.根据权利要求4所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，衬砌环在实际项目中的空间坐标系的形成方法，包括：
(1)获取设计线路点位信息；
(2)获取直缓点或圆缓点处坐标系；
(3)获取直缓点或圆缓点处坐标系的X轴、Y轴；
(4)以理论计算平面点位转换过后形成的空间点位为原点、前述X轴、Y轴创建坐标系；+
(5)以前述坐标系为基准坐标系，依据管环偏移角度进行旋转，形成管环衬砌放置实际坐标系。
9.根据权利要求1所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，管环衬砌自动排版程序的实现方法，包括：
(1)自动创建空间曲线功能模块的开发；
(2)自动创建参照点工作平面功能模块的开发；
(3)自动创建获取中心点功能模块的开发；
(4)自动创建临接块点位功能模块的开发；
(5)自动创建封顶块点位功能模块的开发；
(6)自动创建标准块点位功能模块的开发；
(7)自动创建放置封顶块功能模块的开发；
(8)自动创建放置临接块功能模块的开发；
(9)自动创建放置标准块功能模块的开发；
(10)将各功能模块按照一定的逻辑关系相互连接，以实现管环衬砌自动排版。
10.根据权利要求1所述的隧道盾构管环衬砌结构的建模、排版及管片选型方法，其特征在于，基于正向设计理念的管片结构自动选型程序，包括：
(1)各参数输入端，参数输入端口具体包含内容为隧道管片外半径、管片厚度、管片宽度、错缝布置类型、环间螺栓个数、标准块角度、邻接块外弧角度、邻接块内弧角度；
(2)管片布置程序，通过在Code Block中应用Python语言编写管片错缝及通缝布置程序，用数字来区分管片的错缝及通缝布置状态；
(3)依据既有设计线路进行管环布置实际点位计算，将原设计曲线向XY平面进行投影，生成平面二维曲线，按照管环幅宽对该投影所得平面曲线进行节段划分，形成管环布置平面相对点位，接着在相对点位处创建平面，并将该平面与设计曲线进行相交计算，得到管环布置实际点位；
(4)管片布置实际点位计算，在管片布置前后点位上分别创建平面，平面满足的条件是平面的法向量与曲线在对应点处的切向量相互平行；接着在创建的相应平面上绘制同心圆，最外侧圆的直径为管环设计外径，最内侧圆的直径为管环设计内径；最后依据程序初始输入参数值及通缝、错缝脚本程序及自定义开发节点segment_cut在前后平面圆环上划分管片前后平面布置点位，点位类型包括封顶块、邻接块和标准块；
(5)管片布置实际点位数据优化，采用List.Chop节点对管片布置平面点位分组进行优化处理，便于后续整体盾构模型的生成。
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