基于BIM盾构隧道结构分析和安全预警可视化研究.pdf
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1、第 15 卷 第 5 期2023 年 10 月Vol.15 No.5Oct.2023引言一般来说,在隧道施工中,由于各种风险因素的影响,我国隧道施工中安全事故时有发生1。早期研究采用现状调查、数值模拟和现场实测等方法,分析盾构隧道施工风险,但存在耗时长、成本高及误差大等缺陷2。随着信息技术的发展,学者对盾构施工参数自动预警进行研究,并将参数预警整合于盾构风险监控系统中,实现施工参数的自动预警3。在提高风险管控时效性、全面性及系统性的同时,实现了精细化、标准化、信息化风险管控4。隧道施工中的预警机制是危机管理的基本机制之一,可以最大程度地减少突发公共事件造成的公共财产和生命损失5。传统的安全预警
2、手段主要存在数据查询能力差、信息传递不灵活和表达效果不直观的问题6。国内大量学者采用结构分析法7、层次分析法8和超前探测法9对隧道施工进行动态风险评估。现有研究中BIM 安全预警防范主要与 GIS 技术相结合,搭建安全预警平台,主要通过识别不良地质进行风险评价10,11。然而都尚未集成“信息采集模型构建结构计算可视化预警”各个子模块,未能形成“监测预警可视化与决策”的成套体系。为了解决这些问题,本文采用一套 BIM 集成有限元分析的方法。通过盾构管片数值模拟,得到管片衬砌接缝截面内力值,带入衬砌截面计算安全系数公式,得到衬砌结构安全系数;根据安全系数值大小,向不同预警等级的衬砌赋予映射表面材质
3、,进行衬砌管片施工安全预警,得到衬砌管片五级安全预警可视化效果图,从而形成一套具有实时、快速、良好可视化效果的隧道安全预警技术,具有更好的可操作性和直观的预警能力。以武汉轨道交通 7 号线盾构段实例为研究背景,建立隧道 BIM模型并利用本文提出的方法进行有限元力学分析得到结构安全系数,通过程序赋值实现结构安全可视化预警。所提出的研究思路可以对 BIM 技术在结构计算基于 BIM 盾构隧道结构分析和安全预警可视化研究吴贤国吴贤国1 1 黄浩 黄浩1 1 冯宗宝 冯宗宝1 1 王雷 王雷1 1 陈虹宇 陈虹宇2 2 曹源 曹源1 1 肖宏笛 肖宏笛3 3 覃亚伟 覃亚伟1,31,3(1.华中科技大
4、学土木与水利工程学院,武汉 430074;2.南洋理工大学土木工程与环境学院,新加坡 639798;3.武汉华中科大检测科技有限公司,武汉 430074)【摘 要】【摘 要】传统的安全预警手段存在信息传递不灵活、表达效果不直观等问题,且现阶段在盾构隧道中基于 BIM 技术的深化应用尚未得到广泛重视。为解决这些问题,引入 BIM 技术实现快速可靠的盾构隧道结构分析及安全预警可视化方法。首先借助插口程序及代码实现 BIM 和有限元(FEM)间的模型及数据转换,从而实现基于 BIM 建模的快速有限元分析,再利用 BIM 的可视化优势将计算得到的结构安全系数直观地表现出结构的安全状态,从而实现基于 B
5、IM 及 FEM 的盾构隧道结构安全预警可视化技术。结果表明,提出的安全预警可视化表达方法对隧道工程具有良好的效果。【关键词】【关键词】BIM;盾构隧道;结构分析;安全预警;可视化【中图分类号】【中图分类号】TU17;TU311.41 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】【文章编号】1674-7461(2023)05-0016-07【DOI】【DOI】10.16670/11-5823/tu.2023.05.03【基金项目】国家自然科学基金(编号:51378235,71571078);国家自然科学基金项目(编号:51308240);国家重点研发项目(编号:2016YFC0800208);
6、教育部博士后基金(编号:2015M570645);湖北省自然科学基金重点项目(编号:zrz2014000104);武汉市建委科技项目(编号:201414,201619,201334)【第一作者】吴贤国(1964-),女,教授,主要研究方向:结构工程。【通信作者】冯宗宝(1995-),男,博士研究生,主要研究方向:土木工程施工及管理。17基于 BIM 盾构隧道结构分析和安全预警可视化研究和数据信息分析方面的功能进行拓展,提高了决策响应的效率。1 结构分析及安全预警可视化流程本文采取的主要技术路线如下:首先快速创建盾构隧道 BIM 模型,得到的 BIM 模型将被快速转换为有限元模型进行结构分析,利
7、用计算得到的结构内力进一步计算得到盾构隧道衬砌的结构安全系数,进行衬砌管片施工安全预警,最后基于 BIM 可视化技术展示盾构隧道安全等级。1.1 创建盾构隧道 BIM 模型图 1 所示为盾构隧道 BIM 模型的一般创建流程,通常采取三个步骤进行:创建隧道平纵横轴线路径、设置此路径上的横截面形式加载地质模型。图 1 盾构隧道 BIM 模型创建流程需要注意的是,由于现有的地质勘探技术获取地质信息的能力有限,多数基于 BIM 创建的地质模型只有外观表达,地层数据的处理和划分仍为致有限元计算不收敛12。因此,目前采用有限元软为件建立地质模型更为合理。盾构隧道 BIM 建模主要所需数据就包含两个方面,一
8、是隧道横断面型式,二是隧道轴线路径,其中最重要的建模数据是隧道横断面型式。鉴于其相对简单的几何约束规则,借助软件通过参考线、参考平面和特征点等各种约束实现参数化建模。为便于后续有限元计算,其中管片接头是隧道 BIM 建模的关键部分。图 2 所示为装配式衬砌 BIM 渲染模型示意图,其中管片接头部分包含管片间的环向和纵向接头,通常采用螺栓连接,连接部位预设手孔。相比起有限元建模软件,BIM 在参数化制定轮廓线从而快速创建管片衬砌环、隧道接头等实体部件方面具有绝对的优势13。1.2 BIM 模型向有限元模型快速转换图3所示为有限元模型分析流程包含的三个阶段,即建模(前处理)、计算与数据可视化(后处
9、理)。通过提取 BIM 模型中的几何特性,材料物理参数创建隧道有限元模型将大大提升建模效率。同时,隧道有限元模型还需要其他数据信息,包含材料本构关系定义、部件边界上的网格种子划分、部件间的连接接触类型、边界约束条件及荷载分布等信息。而这些信息不能在 BIM 软件中得到体现,仍需要在有限元软件中进行进一步定义。因此,本文以隧道 BIM 模型为媒介,通过数据接口和软件插件手段实现 BIM 模型转化为结构有限元分析模型。此模型具有精度高、建模效率高等特点,并可根据不同材料特性,不同连接接触类型,不同荷载工况进行有限元分析。管片纵向接头环向接头图 2 盾构隧道管片模型图 3 盾构隧道有限元分析流程1.
10、3 盾构隧道衬砌安全系数计算根据公路隧道设计规范(JTG D70-2014)规定的衬砌计算,当构件截面由混凝土抗压强度控制时,截面初始偏心距,极限承载力计算公式如式(1):ukaNR hb=(1)式中:为构件纵向弯曲系数,衬砌取 1;aR 为混凝土极限抗压强度;b 为截面宽度;h 为截面厚度;为衬砌结构受轴力的偏心影响系数。其中衬砌结构受轴力的偏心影响系数的取值依据式(2)确定:(2)2 隧道结构计算及安全预警可视化方本文采用 REVIT 作为 BIM 建模平台,首先将CATIA 作为中转文件,ABAQUS 作为后端有限元分析工具,利用接口插件 ABAQUS for CATIA(AFC)实现1
11、8BIM-FEM 间模型转换;其次,针对各个实体单元材质参数赋值的问题,通过 PYTHON 编程提取设计人员在REVIT 中定义的材料参数,再导入 ABAQUS 进行参数信息与实体模型的匹配;最后,利用结构分析得到的内力计算结构安全系数,得到的安全系数通过赋予相应的映射表面材质实现盾构隧道安全预警可视化表达。2.1 模型转换在 CATIA 中安装 AFC 插件连接 ABAQUS 软件,此插件将在 CATIA 分析与模拟模块中安装“结构非线性分析”工作台,在 REVIT 前端完成隧道 BIM 建模后,利用该工作台对模型进行网格划分操作,得到的几何模型和网格单元数据通过INP文件在ABAQUS中读
12、取,从而建立对应有限元模型。通过 CAD 和 CAE 的协同工作,快速可靠地发挥两款软件各自的优势。2.2 参数数据提取从 BIM 模型中通过模型转换获取几何模型和网格单元数据以外,实体模型中对应的材质属性,包括弹性模量、泊松比、密度等参数信息仍需要赋予对应的有限元模型中。本文借鉴其他学者在 REVIT 模型向ANSYS 模型转换的经验14,采用 ABAQUS 所支持的PYTHON编程语言,提取BIM模型中必要的材质属性。通过 GetMaterialIds 函数从实例对象(Element)的结构材质(StructureAsset)类属性中提取材料的材质属性,获得该元素所有材质集合(Elemen
13、tId)。将获取的材质集合转化为 Material 对象,去除 FEM 分析不需要的冗余信息后即可得到对应的材质属性名称及数值。2.3 参数信息与实例模型匹配获得模型参数信息后,必须根据模型构建,将参数信息与实体单元匹配起来,才能使完整的结构有限元模型被建立。图 4 展示了采取的参数信息与实例模型匹配方式,主要步骤包括:(1)对于转换的盾构隧道几何模型,对每个构件都给定一个唯一的编号,同时,将相对应的联系添加在 BIM 模型构件和 ABAQUS 模型几何实体构件之间;(2)按照 BIM 模型构件不同的参数信息,将相应的材质标号赋予给构件;(3)根据 BIM 模型构件和 ABAQUS 模型之间的
14、联系,按照材质编号顺序,将具有相同材质属性(即材质编号标号相同)的构件在 ABAQUS 模型中确定出来,并将相应的弹性模量、泊松比、密度等参数信息设定给这些构件,从而完成参数信息的匹配。2.4 安全等级在 BIM 中可视化表达有限元模拟容易得到截面内力值,同时截面内力值可以直观的反应出构件的受力情况,容易判别构件的安全状态。因此,根据有限元结构计算所得到的截面内力值计算各管片结构安全系数,通过设置不同结构健康等级的安全系数阈值,赋予对应管片表面材质参数,材质参数为管片可视化颜色,不同的材质参数对应不同结构健康预警等级。通过以上映射关系可得到预警可视化界面的 BIM 隧道模型。通过计算各节段管片
15、的结构安全系数,评估结构健康与否可根据结构安全系数阈值进行评判,结合 BIM 技术实现有限元计算与安全系数阈值关联关系在 BIM 模型上的直接映射。通过控制不同安全系数阈值在管片模型上的可视化颜色表示,实时跟踪隧道结构健康状态,直观反映结构实时健康预警状态。图 4 参数信息与实例模型匹配方式参考城市轨道交通地下工程建设风险管理规范地铁及地下工程建设风险管理指南城市轨道交通工程监测技术规范等文件,确定安全系数阈值,在永久荷载和基本可变荷载组合下,由混凝土的抗压强度控制时,衬砌截面临界安全系数不应小于 2.4;由混凝土的抗拉强度控制时,衬砌截面临界安全系数不应小于 3.615。表 1 所示为本文按
16、照相应安全系数阈值设置的五级可视化预警等级,其中每级对应的警示程度依次用暗蓝色、绿色、黄色、浅红色和红色体现,直观地表现出结构的安全状态。表 1 基于 BIM 三维可视化的五级预警预警等级预警阈值预警可视化RGB 值可视化展示级计算值 3 倍阈值暗蓝(0,0,255)级2.0 倍阈值 计算值 3 倍阈值绿色(0,255,0)级1.5 倍阈值 计算值 2 倍阈值黄色(255,255,0)级1.0 倍阈值 计算值 1.5 倍阈值浅红色(255,106,106)级0 计算值 1.0 倍阈值红色(255,0,0)本文利用 DYNAMO 软件编程实现衬砌结构安全可视化,具体步骤如下:(1)基于结构安全预
17、警等级与表面材质 RGB 颜色映射关系编制 Excel 文件,利用 DYNAMO 软件中Data.ImportExcel 节点组成代码块读取各列参数;(2)基于计算所得的结构安全系数和实体单元 ID19基于 BIM 盾构隧道结构分析和安全预警可视化研究对应关系编制 Excel 文件,在 DYNAMO 中读取的各衬砌管片的安全系数,并与安全系数阈值作比较,对应不同预警等级;(3)将不同预警等级的衬砌管片赋予映射表面材质,即设置相应颜色,完成衬砌结构五级风险预警可视化。3 案例分析3.1 工程概况与分析武汉市轨道交通 7 号线一期工程(越江段)的起点位置在金银湖区,隧道直径达 15.2m,是穿越长
18、江最宽的隧道,是中国国内直径最大的江底隧道。其施工难度和复杂性很大,有必要对其结构健康安全进行可视化监测和预警。因此,本文选择该项目作为研究对象。该项目全长约 31.3km,里程范围AK0+000 AK31+300,包括汉口岸风井至武昌岸风井公铁合建盾构段、两岸公路主线及匝道明挖段(不包括三阳路车站及秦园路车站),道路主线隧道全长 4 650m。表 2 为该项目所处土层物理力学参数。表 2 土层物理力学参数地层代号土质密度(Kg/m3)压缩模量(MPa)泊松比内摩擦角(o)粘聚力(kPa)3-1a粉质黏土1 9045.450.422.9640.663-2粉质黏土1 7903.8650.488.
19、329.04-1粉砂1 95114.570.4040.9047.834-2粉细砂1 89512.930.3641.812.3本文研究区间为 K1+450K2+450 勘察段内,据勘探钻孔揭示,上部主要为由碎石、砖块、生活垃圾等组成的黏性土,下部为可塑状态的粉质粘土、粉砂和淤泥质粉质黏土以及中粗砂,场区下伏基岩为白垩第三系东湖群砾岩、粉砂质泥岩及粉砂岩,岩面高程-36.62 -16.93m。3.2 建立盾构隧道 BIM 模型图 5 所示为武汉轨道交通 7 号线盾构段横截面,采用外径为 15 200mm,内径 13 900mm,厚 650mm,环宽 2 000mm。衬砌环采用 10 等分的分块方案
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