基于Revit的新奧法隧道初期支護(hù)構(gòu)件參數(shù)化建模研究

劉兆新， 田斌華， 陳元培， 徐幫樹， 石偉航

(1. 山東濱萊高速公路有限公司， 山東 淄博 255200； 2. 山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

近幾年來，建筑信息模型(BIM, building information modeling)技術(shù)迅速興起，其結(jié)合了計算機(jī)輔助設(shè)計與數(shù)字技術(shù)，使得工程設(shè)計與建設(shè)從二維的CAD圖紙升級為含有參數(shù)信息的三維模型[1]。但BIM技術(shù)在新奧法隧道中的應(yīng)用尚處于起步階段，BIM技術(shù)的研究對于展示隧道的設(shè)計、施工等信息、提高信息化建設(shè)管理水平具有重要意義，因此，現(xiàn)已成為隧道工程信息化發(fā)展的趨勢。

新奧法隧道中構(gòu)件種類多，數(shù)量龐大，若不采用參數(shù)化建模，則需要對每一隧道構(gòu)件進(jìn)行單獨建模，工作量巨大，這將在很大程度上限制BIM技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用。所謂參數(shù)化建模，就是將模型的關(guān)鍵特征及單元進(jìn)行提取，并適當(dāng)簡化，通過編寫特定的算法，使其實現(xiàn)模型的自動生成與拼裝[2]。參數(shù)化建模技術(shù)將是以后隧道模型建立發(fā)展的趨勢。基于現(xiàn)有Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，研究并提出新的公路隧道參數(shù)化建模算法，可以在前人的基礎(chǔ)上縮短開發(fā)周期、降低建模成本，以實現(xiàn)快速批量建模。而目前關(guān)于新奧法隧道的參數(shù)化建模研究還非常少。一些學(xué)者利用Revit在其他方面[3-10]做過一些研究，例如: 丁曉宇等[8]研究了二次曲面網(wǎng)殼的參數(shù)化建模，但并未在具體行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行實際應(yīng)用；饒志華[9]研究并實現(xiàn)了地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型的快速生成，但其利用了手工創(chuàng)建的族庫，并未完全實現(xiàn)參數(shù)化建模；馬佰鈺[10]對斜拉橋的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了研究，但只是實現(xiàn)了模型的參數(shù)化創(chuàng)建，對于模型的位置還需要手動操作布置。

由以上研究可以看出，關(guān)于通過Revit二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)化建模的研究已相對較為成熟，但針對隧道模型快速建立的研究較少，且目前大多數(shù)參數(shù)化建模技術(shù)僅僅圍繞模型本身進(jìn)行創(chuàng)建，對于模型的空間位置還需進(jìn)行手動布置。因此，本文通過對隧道初期支護(hù)構(gòu)件(如小導(dǎo)管、格柵鋼架等)在隧道設(shè)計與施工過程中的特點進(jìn)行研究，利用Revit二次開發(fā)，設(shè)計算法實現(xiàn)了隧道初期支護(hù)構(gòu)件的參數(shù)化創(chuàng)建與自動布置； 然后，以某隧道工程實例驗證了本文提出的構(gòu)件參數(shù)化建模方法的可行性。以期研究結(jié)果為類似工程的參數(shù)化建模研究提供一種新思路。

1 Revit二次開發(fā)流程

Revit允許通過任何與.NET兼容的語言來進(jìn)行二次開發(fā)，例如： Visual Basic.NET、C#、C++等。本文選擇C#語言基于Revit 2017使用Visual Studio 2012來進(jìn)行編譯。

在Revit二次開發(fā)過程中，獲取用戶輸入數(shù)據(jù)主要有2種方式，一種為Windows窗體即Winform，另一種則為WPF窗體。本文采用了Winform編寫窗體，本質(zhì)上，窗體程序也只是一個類，僅僅是主程序在運(yùn)行時調(diào)用它。而窗體程序中的參數(shù)向主程序傳遞的方式通常通過重載構(gòu)造函數(shù)來實現(xiàn)。此外，在Revit的事件響應(yīng)中修改文檔，必須顯式地啟動一個事務(wù)，任何修改都要在事務(wù)提交后才寫入文檔，如果在事件響應(yīng)前事務(wù)未被關(guān)閉(提交或撤銷)，則在該事務(wù)中的所有修改都將被丟棄[11]。

本文通過外部命令來執(zhí)行程序，Revit二次開發(fā)流程如圖1所示。

2 隧道構(gòu)件模型的快速生成

2.1 錨桿的參數(shù)化創(chuàng)建與布置

新奧法隧道斷面通常由幾段圓弧組成，這在實際建模過程中比較復(fù)雜[12]。本文為此做了相應(yīng)簡化，將隧道斷面簡化為由2段圓弧組成，即下部仰拱部分單獨作為一段圓弧，其余上半部分作為一段圓弧。隧道斷面簡化示意圖如圖2所示。

圖2 隧道斷面簡化示意圖

本文插件所建立的所有模型均是基于一個較特殊的族文檔——概念體量。概念體量的設(shè)計功能非常強(qiáng)大，彌補(bǔ)了一部分常規(guī)建模方法如公制常規(guī)族API(application programming interface)在建立復(fù)雜曲面異形結(jié)構(gòu)模型時的不足，在方案推敲、曲面異形建模、高效參數(shù)化設(shè)計等方面都有非常好的運(yùn)用。概念體量創(chuàng)建幾何圖元的方式與其他族文檔完全不同，API中有一套獨立的函數(shù)來實現(xiàn)概念體量中幾何圖元的創(chuàng)建與編輯。此外，本文中的所有插件均是針對直線形與圓弧形(平曲線)隧道。因為Revit圓弧形陣列API的局限性，本文研究主要針對平曲線，帶有緩和曲線或特殊加寬段的隧道需要單獨進(jìn)行手動布置操作。

錨桿支護(hù)是隧道施工中常采用的一種支護(hù)加固方式。錨桿的種類有很多，在隧道中常用的錨桿有砂漿錨桿、中空注漿錨桿及藥卷錨桿等[13]。本文主要針對砂漿錨桿及中空注漿錨桿的創(chuàng)建進(jìn)行研究。

在實際工程中，每一榀錨桿都是沿著隧道斷面環(huán)向布置的[14]。一般可以采用2種方式實現(xiàn)錨桿的快速布置： 1)基于鏈接CAD圖生成布置所有錨桿； 2)在Revit中繪制相應(yīng)的隧道斷面圓弧，由弧線布置所有錨桿。方法1)中CAD圖的弧線可能存在多余的重疊線段，需要對線段進(jìn)行重疊處理；方法2)是首先繪制隧道或各構(gòu)件布置弧線，基于該模型線布置所有錨桿，可不基于CAD圖。因此，本文采用方法2)實現(xiàn)錨桿的快速布置，其弧線布置如圖2所示做了適當(dāng)簡化。讀取模型弧線信息的代碼如下：

UIDocument uiDoc = cmdData.Application

.ActiveUIDocument;

Reference ref1 = uiDoc.Selection.PickObject(

ObjectType.Element, "選取元素");

Element elem = revitDoc.GetElement(ref1);

Options options = new Options();

//取得幾何元素

GeometryElement gE = elem.get_Geometry(options);

//取得圓弧幾何信息

foreach (GeometryObject item in gE)

{

arc = item as Arc;

k1 = arc.Radius;//弧線的半徑

Execute6 _exeventHander2 = new Execute6(k1);

}。

錨桿生成的大致流程是： 1)繪制錨桿布置的模型弧線并選擇，輸入錨桿生成的相應(yīng)參數(shù)。若為圓弧形隧道，則還需要點擊“選擇圓曲線”按鈕，然后選擇相應(yīng)隧道曲線； 而對于直線段隧道，則無需點擊該按鈕，直接進(jìn)行選擇即可在體量族環(huán)境下生成單個錨桿模型。2)自動導(dǎo)入建筑項目中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、陣列等操作，最終生成所有的錨桿。錨桿生成流程如圖3所示。

依據(jù)上述流程，程序需要提供用戶輸入界面以方便用戶輸入錨桿類型、直徑、長度、環(huán)向間距、縱向間距以及標(biāo)段長度等參數(shù)，設(shè)定界面如圖4所示。點擊錨桿生成按鈕即提示選擇模型弧線，單擊選擇模型弧線之后，彈出該參數(shù)設(shè)定界面，在該界面輸入相應(yīng)參數(shù)，若為圓弧形隧道，則點擊選擇圓曲線，然后點擊“確定”按鈕即可生成所有錨桿。

圖3 錨桿生成流程

圖4 錨桿參數(shù)設(shè)定界面

此外，在將單根錨桿導(dǎo)入項目中后，如何使錨桿沿著所任意繪制的弧線進(jìn)行圓弧形陣列是其中的一個關(guān)鍵問題。針對此問題，本文采取的整體思路為： 1)將錨桿移動到前文所讀取到的弧線圓心位置。2)將錨桿向某一方向(如向上)移動弧線半徑的距離，并在此建立1條與錨桿軸線重疊的線段，判斷該線段是否與弧線相交。3)①若相交，則基于圓心沿某一側(cè)(如逆時針)旋轉(zhuǎn)，每次比上一次多旋轉(zhuǎn)0.001 rad(此處兼顧考慮了模型精度及插件效率)，直到旋轉(zhuǎn)至與弧線不再相交的位置，然后往回旋轉(zhuǎn)0.001 rad，此位置即可看作弧線的一側(cè)端點，然后將錨桿旋轉(zhuǎn)至該位置； 將錨桿沿另一側(cè)(如順時針)進(jìn)行圓弧形陣列，即可得到一榀錨桿。②若不相交，則同樣基于圓心沿某一側(cè)(如逆時針)旋轉(zhuǎn)，每次比上一次多旋轉(zhuǎn)0.001 rad，直到旋轉(zhuǎn)至與弧線相交的位置，此位置即可看作弧線的一側(cè)端點，然后將錨桿旋轉(zhuǎn)至該位置； 將錨桿繼續(xù)沿該側(cè)(如逆時針)進(jìn)行圓弧形陣列，即可得到一榀錨桿。一榀錨桿生成的具體過程如圖5所示。

(a) 線段與弧線不相交

(b) 線段與弧線相交

因篇幅有限，本文只列出線段與弧線相交時一榀錨桿布設(shè)生成的關(guān)鍵代碼，具體如下：

private void GetIntersection(Line line2, Arc arc2, FamilyInstance NewIn, Document doc, ModelCurve ml, Line axis1, double m2, Int32 qqq)

{

IntersectionResultArray results;

SetComparisonResult result = line2.Intersect(arc2,

out results);

if (SetComparisonResult.Disjoint != result)//相交

{

double o = 0;

SetComparisonResult result2 = 0;

do

{

ElementTransformUtils.RotateElement(doc, ml.Id, axis1, -o);

o = o + 0.001;

ElementTransformUtils.RotateElement(doc, ml.Id, axis1, o);

Curve c1 = ml.GeometryCurve;

XYZ end3 = c1.GetEndPoint(0);

XYZ end4 = c1.GetEndPoint(1);

Line line3 = Line.CreateBound(end3, end4);

IntersectionResultArray results1;

SetComparisonResult result1 =

line3.Intersect(arc2, out results1);

result2 = result1;

}while(SetComparisonResult.Disjoint!= result2);

//旋轉(zhuǎn)錨桿至弧線端點位置

ElementTransformUtils.RotateElement(doc, NewIn.Id, axis1, o - 0.001);

//圓弧形陣列

RadialArray.Create(doc, doc.ActiveView, NewIn.Id, qqq, axis1,-(m2 / (qqq - 1)), ArrayAnchorMember.Second);

//刪除輔助模型線

ICollection deletedElements1 = doc.Delete(ml.Id);

}

}。

在實際工程中，相鄰2榀錨桿通常會呈梅花形布置。因此，在程序中需要復(fù)制這一榀錨桿并旋轉(zhuǎn)相應(yīng)弧度，使2榀錨桿呈現(xiàn)交錯布置，并分別進(jìn)行后續(xù)陣列操作。

直線形隧道的生成相對較為簡單，直接利用前面生成并復(fù)制的2榀錨桿分別進(jìn)行線形陣列即可； 而圓弧形隧道的生成則是通過讀取平曲線相關(guān)信息并分別對每一榀錨桿進(jìn)行相應(yīng)的圓弧形陣列，其具體代碼思路與前文單榀錨桿的布設(shè)類似。錨桿生成效果如圖6所示。

圖6 錨桿生成效果

2.2 小導(dǎo)管的參數(shù)化創(chuàng)建與布置

小導(dǎo)管與錨桿的設(shè)計參數(shù)創(chuàng)建與布置主要有3個方面不同： 1)小導(dǎo)管一般不會垂直打入隧道圍巖內(nèi)部，通常具有一定的外插角[15]； 2)相鄰2榀小導(dǎo)管之間具有一定的搭接長度； 3)在同一標(biāo)段內(nèi)，可能會布置雙排小導(dǎo)管，2排小導(dǎo)管的長度、搭接長度和外插角等設(shè)計參數(shù)可能均不相同。小導(dǎo)管參數(shù)設(shè)定界面如圖7所示。其程序操作步驟與錨桿基本一致。

圖7 小導(dǎo)管參數(shù)設(shè)定界面

小導(dǎo)管生成的基本思路與錨桿(尤其是中空注漿錨桿)類似，生成流程如圖8所示。此外，小導(dǎo)管搭接長度的設(shè)定相對較簡單，利用線形陣列或圓弧形陣列即可實現(xiàn)。因此，此處主要針對另外2個方面進(jìn)行說明。首先，外插角的設(shè)置是在體量族環(huán)境下進(jìn)行的，主要應(yīng)用了API中的ElementTransformUtils.RotateElement函數(shù)，該函數(shù)可以通過給定的軸線和角度對一個元素進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

圖8 小導(dǎo)管生成流程

在小導(dǎo)管布置方面，本文利用Winform中的下拉菜單供用戶進(jìn)行選擇。當(dāng)用戶選擇“單排小導(dǎo)管”時，右側(cè)“第2排小導(dǎo)管”的有關(guān)參數(shù)設(shè)定將變?yōu)椴豢捎茫划?dāng)用戶選擇“雙排小導(dǎo)管”時，右側(cè)的參數(shù)設(shè)定將變?yōu)榭捎茫鐖D7所示，此時即可自動生成、布置雙排小導(dǎo)管類型。雙排小導(dǎo)管生成的立面效果和整體效果分別如圖9和圖10所示。

(a) 立面效果

(b) 設(shè)計立面效果

Fig. 9 Facade effect and design effect of double-row small conduit generation

圖10 雙排小導(dǎo)管生成的整體效果

2.3 格柵鋼架的參數(shù)化創(chuàng)建與布置

在隧道初期支護(hù)中除了經(jīng)常用到的型鋼鋼架之外，格柵鋼架也是隧道施工中常用的鋼支撐。格柵鋼架主要由若干鋼筋焊接而成。格柵鋼架主要分為2種類型，一種為V字型格柵鋼架，另一種為8字型格柵鋼架。本文主要針對8字型格柵鋼架的參數(shù)化創(chuàng)建與布置進(jìn)行相應(yīng)的研究。格柵鋼架通常由幾段鋼架拼接而成。為簡便起見，本文將鋼架看作一個整體，不考慮鋼架連接處的連接鋼板等細(xì)部構(gòu)件。

格柵鋼架參數(shù)設(shè)定時需要考慮的參數(shù)較多。為了方便用戶清楚地了解到各參數(shù)代表的含義，特在參數(shù)設(shè)定界面附加了格柵鋼架的截面參數(shù)圖。此外，格柵鋼架主要由主筋、8字筋以及箍筋構(gòu)成，所以也圍繞這幾種鋼筋的參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)定，具體的參數(shù)設(shè)定界面如圖11所示。格柵鋼架生成流程如圖12所示。

主筋及箍筋模型的創(chuàng)建相對較為簡單，與上文介紹的方法基本類似。8字筋模型的創(chuàng)建相對較為復(fù)雜，且規(guī)律性較差，對此本文做了相應(yīng)簡化，使其更容易用數(shù)學(xué)函數(shù)所表達(dá)。本文采用的基本數(shù)學(xué)模型為伯努利雙紐線，并在三維空間進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，改進(jìn)后建立的8字筋模型基本符合實際工程，能夠滿足建模后精度的需要。伯努利雙紐線改進(jìn)圖如圖13所示。

圖11 格柵鋼架參數(shù)設(shè)定界面

圖12 格柵鋼架生成流程

(a) xoy平面

(b) xoz平面

以單個8字筋(上半部分)為例，從圖13中可以看出，在xoy平面上其曲線依然為伯努利雙紐線，而在xoz平面上其曲線為z=±kx(z>0)。而在Revit二次開發(fā)中并沒有根據(jù)已知函數(shù)表達(dá)式直接生成曲線的API，所以需要通過微分來間接生成所需要的曲線。最終得出曲線上任意一點的坐標(biāo)為：

(1)

由式(1)可以確定曲線上點的坐標(biāo)，然后利用API中的NewCurveByPoints函數(shù)可以根據(jù)點集合生成所需要的8字筋曲線，進(jìn)而通過NewSweptBlendForm函數(shù)生成單個8字筋模型，再利用MirrorElement函數(shù)進(jìn)行鏡像即可生成單個水平網(wǎng)構(gòu)架立筋或豎向網(wǎng)構(gòu)架立筋； 然后，將其導(dǎo)入項目環(huán)境中，通過讀取模型線弧長及所輸入的8字筋長度與間距，計算各構(gòu)架立筋所需陣列的數(shù)目，最后進(jìn)行后續(xù)陣列操作即可。格柵鋼架生成效果如圖14所示。

圖14 格柵鋼架生成效果

3 模型信息附加

BIM的基礎(chǔ)是模型，而它的靈魂則是信息，模型只是信息的載體。通過所研發(fā)的插件，可以快速創(chuàng)建隧道中的初期支護(hù)構(gòu)件，針對這些構(gòu)件同樣可以利用Revit進(jìn)行模型信息附加，并且Revit的數(shù)據(jù)信息可以被很多其他軟件包括GIS平臺所解析利用。

在Revit中存在2種參數(shù)屬性： 類型參數(shù)與實例參數(shù)。為了實現(xiàn)工程設(shè)計、施工及運(yùn)營的信息化管理，僅僅依靠Revit構(gòu)件本身的類型屬性參數(shù)列表很難滿足實際管理需求，這時需要手動添加實例參數(shù)，錄入相應(yīng)數(shù)據(jù)。實例參數(shù)可以被GIS平臺如SuperMap所解析，方便用戶后期利用這些數(shù)據(jù)。因此，可以利用“管理”菜單下的“項目參數(shù)”，添加相應(yīng)的實例參數(shù)(如圖15所示)，然后在模型的實例屬性欄中編輯相應(yīng)的屬性信息。

以錨桿為例，根據(jù)需求添加默認(rèn)沒有的實例參數(shù)，例如里程樁號、施工人員、施工時間、工程量等。錨桿實例參數(shù)信息添加界面如圖16所示。

圖15 實例參數(shù)添加界面

圖16 錨桿實例參數(shù)信息添加界面

4 工程實例

某隧道為雙向6車道分離式隧道，設(shè)計時速為100 km，隧道左線軸線里程為 ZK11+886～ZK12+098，長212 m，全隧位于直線上；隧道右線軸線里程為K11+930～K12+123，長193 m，屬于短隧道。

隧道洞身采用復(fù)合式襯砌，曲墻帶仰拱的形式，按新奧法原理設(shè)計，初期支護(hù)采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，必要時輔以鋼架加強(qiáng)，采用濕噴工藝； 二次襯砌采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。洞身襯砌支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 洞身襯砌支護(hù)參數(shù)

依據(jù)表1并根據(jù)相應(yīng)的圖紙獲得各構(gòu)件的相應(yīng)參數(shù)，利用Revit插件即可參數(shù)化生成小導(dǎo)管、錨桿以及鋼拱架等構(gòu)件，手動輔助建立仰拱填充等模型，附加相應(yīng)的實例屬性信息，并賦予材質(zhì)與貼圖，隧道BIM最終效果如圖17所示。

(a) 局部效果

(b) 整體效果

5 結(jié)論與建議

1)通過對隧道初期支護(hù)構(gòu)件(如錨桿、小導(dǎo)管、格柵鋼架)的特點進(jìn)行分析，歸納出各構(gòu)件建模所需要的參數(shù)，結(jié)合Revit API編制相應(yīng)程序，實現(xiàn)各構(gòu)件的參數(shù)化建模和自動布置。

2)利用Revit可以對參數(shù)化創(chuàng)建的模型進(jìn)行信息附加，添加設(shè)計與施工過程中的相應(yīng)信息，完成各構(gòu)件BIM的創(chuàng)建。

3)與傳統(tǒng)的建模方式相比，本文所開發(fā)的插件不僅能夠?qū)λ淼罉?gòu)件的模型完成快速批量創(chuàng)建，還能對模型的位置實現(xiàn)自動設(shè)置，能明顯提高建模效率，避免相關(guān)人員做大量重復(fù)性工作，保證相關(guān)人員把更多精力放在BIM系統(tǒng)的功能及性能優(yōu)化方面，具有一定的使用價值。

本文所創(chuàng)建的插件是基于簡化的隧道斷面輪廓進(jìn)行的，僅適用于對模型精度要求不高的情況。按照《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，該插件可以滿足LOD200～300等級的精度要求。下一步研究中可繼續(xù)設(shè)計算法對多段隧道輪廓線進(jìn)行處理，以實現(xiàn)更高精度的隧道模型參數(shù)化創(chuàng)建。由于目前Revit沒有提供對緩和曲線進(jìn)行編輯的API，插件目前還不能實現(xiàn)緩和曲線段隧道的參數(shù)化建模，因此，可繼續(xù)對此進(jìn)行進(jìn)一步的研究與完善。另外，本文主要對錨桿、小導(dǎo)管以及格柵鋼架進(jìn)行了研究，今后可繼續(xù)研究型鋼鋼架、襯砌等構(gòu)件的參數(shù)化創(chuàng)建，并可進(jìn)行適當(dāng)整合。此外，BIM的核心理念是模型與信息，本文主要介紹了模型的創(chuàng)建，對于模型信息的附加也主要利用Revit通過手動進(jìn)行。因此，后期也可對模型信息的自動附加以及模型命名規(guī)則等方面開展相應(yīng)研究。