Optimisation of an iterative tunnel design through the application of dynamic and parametric modelling

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2024-03-11

Department

Major/Subject

Rock Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Geoengineering (GEO)

Language

en

Pages

76

Series

Abstract

Building Information Modelling, or BIM, is a model-based construction process that is extensively utilised by many civil engineering disciplines, while its adoption in rock engineering design is less established. Widened BIM practice has led to increased supply of BIM supplementing techniques such as parametric and dynamic modelling. This study examines how parametric and dynamic BIM tools can be developed and applied in hard rock tunnel modelling, when an underground compressed air energy storage is used as a case study. The study is realised with modelling software Civil 3D and its featured interfaces Subassembly Composer and Dynamo, as well as Rhinoceros 7 and its graphical algorithm editor Grasshopper. Final modelling tools comprise of a dynamic tunnel baseline layout with parametrically adjustable access tunnel profiles and air storage cavern geometries. Also, an initial data material model with rock quality and water permeability drill core data is developed, as well as a parametric tunnel reinforcement design tool with complementary quantity calculations. All target tool types could be developed that functioned in accordance with desired tool performance. A successful modelling process could be achieved, and the tunnel design was optimised in terms of minimal use of reinforcement, excavation volumes, and consequently also cost and environmental influence. Tool evaluation showed that the developed tools in Civil 3D were found most promising for tunnel layout design, whereas initial data material visualisation and reinforcement modelling was most suitable to carry out with tools in Rhinoceros. However, results from the Dynamo trial were insufficient and may have affected the final conclusions. Tool development was considered strenuous, but the tools showed high value in design due to their convenient and quick modification features, and potential for future application and redevelopment. Parametric features were considered favourable for modelling large-scale and repetitive patterns, which are also characteristic features for tunnels. Also, involved stakeholders were presumed to comprehend design change consequences and design solutions better with parametric BIM visualisation. Parametric and dynamic modelling may be implemented in all design stages where BIM is approved for use but found most applicable in feasibility studies.

Byggnadsinformationsmodellering, eller BIM, är en modellbaserad byggnationsprocess som används inom flera civilingenjörsbranscher medan dess tillämpning i bergteknik är mindre etablerat. Utvidgad användning av BIM har lett till ökat utbud av BIM-stödande tekniker såsom parametrisk och dynamisk modellering. I denna studie undersöks hur parametriska och dynamiska BIM-verktyg kan utvecklas och tillämpas inom tunnelmodellering i hårda bergomständigheter. Ett underjordiskt tryckluftshålrum för energilagring används som fallstudie. Studien verkställs med modelleringsprogrammet Civil 3D och dess insticksmoduler Subassembly Composer och Dynamo, samt Rhinoceros 7 och dess grafiska programmeringsmodul Grasshopper. I studien utvecklas ett dynamiskt tunnelgeometriverktyg med parametriska tunnelprofiler samt parametriska geometrier för tryckluftshålrummen. Övriga modelleringsverktyg omfattar en förundersökningsmodell som visualiserar bergkvalitet och hydrologisk permeabilitet från karterade borrhål samt ett parametriskt förstärkningsverktyg med ihopkopplad kvantitetsberäkning. Alla avsedda verktyg kunde skapas och verktygsegenskaperna motsvarade det förväntade. En lyckad modelleringsprocess framställdes. Projekteringsmodellen optimerades i samband med mindre förstärknings- och bergbrytningsbehov, vilket även resulterade i nedsatta kostnader och påverkan på omgivningen. Dynamiska verktyg i Civil 3D lämpade sig bäst för formgivning av tunnelgeometrin medan förundersöknings- och förstärkningsmodellering kunde genomföras bäst med programmeringsgrafer som skapats i Rhinoceros. Resultat som erhållits från modellering med Dynamo visade sig vara bristfälliga, vilket möjligen påverkar slutsatserna. Utveckling av verktyg upplevdes som en arbetsdryg process men verktygen tillförde högt värde vid själva projekteringsskedet. Parametrisk modellering ansågs vara användbart för modellering av stora och repetitiva strukturer, som även är karakteristiska drag för tunnlar. Därtill antogs delaktiga intressenter begripaprojekteringslösningar eller -ändringar mer djupgående med parametrisk BIM. Parametrisk och dynamisk modellering kan tillämpas i alla projekteringsskeden där BIM är applicerbart men betraktas som mest användbart i genomförbarhetsstudier.

Description

Supervisor

Rinne, Mikael

Thesis advisor

Roinisto, Jarmo

Keywords

parametric modelling, dynamic modelling, compressed air energy storage, building information modelling

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403172783

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG