大直徑盾構隧道BIM建模方法的探究

崔 曉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

在工程設計領域，隨著計算機圖形學CG(Computer Graphics)的發展與完善，計算機輔助設計CAD(Computer Aided Design)引發了工程設計行業的第一次革命。近年來建筑信息模型BIM(Building Information Molding)的出現，將會引發建筑、工程、結構A/E/C(Architecture/Engineering/Construcion)領域的第二次革命[1]。

BIM是一種利用數字技術表達建設項目幾何、物理和功能信息，應用于工程設計建造管理中的數據化工具[2]。目前BIM技術在國內發展已十年有余，相較于國外BIM技術的發展，國內在工程建設項目的設計與施工階段已有部分功能應用，尤其是在建設項目的設計優化階段和施工組織階段已經能夠產生一定的生產價值，但對于建筑全生命周期中的建筑運營管理和維護階段而言，該技術在國內應用的方式和手段尚不成熟，還存在許多技術上的不足，仍處于研究發展階段[3]。

BIM技術在設計階段的應用仍主要集中在通過對既有設計資料進行翻模，通過三維模型檢查在傳統二維設計中難以發現的設計沖突和錯誤，以達到對設計圖紙進行查錯優化的目的。而通過BIM技術進行正向設計的生產方式尚處于探索階段。近年來，隨著BIM技術的不斷發展，BIM技術的應用領域從單一的建筑領域向交通基礎設施領域廣泛延伸[4]，在模型創建工作中，民用建筑領域的技術手段已經相對成熟，成功案例已不勝枚舉，但對于公路、鐵路、地鐵、市政管廊等大型基礎設施工程的建模應用仍有不少難點。

隧道工程作為具有復雜空間曲線的呈長大帶狀分布的地下工程，其建模過程具有獨特的難點，目前尚未有便捷、通用且成熟的建模方式。隧道工程不同于工業、民用建筑的集中區域建設的特點，導致工業、民用建筑的BIM技術路線無法適用于隧道工程。受隧道工程特點影響，隧道區間的建模方式較為困難[5]。

盾構隧道作為隧道工程的一種結構形式，建設規模和速度都達到了相當的高度。盾構管片是盾構施工中最主要的裝配構件，作為盾構隧道的一次襯砌同時也是盾構隧道的永久襯砌[6]。圍繞盾構隧道施工的各種信息流量大且多，傳統的二維表達形式在信息應用、傳遞、共享方面給工程施工人員造成了很大的困擾，不利于施工的順利進行[7]。因此應用BIM技術通過三維模型對盾構隧道的設計信息進行表達顯得尤為必要。目前，隧道BIM建模方法的研究可分為兩大類：一是直接使用BIM軟件建立隧道模型，二是BIM軟件結合編程方法建立隧道模型[8]。

盾構隧道模型創建的主要難點有二：

(1)受制于盾構管片具有獨特的幾何特征以及復雜的細部構造，管片模型的創建成為盾構隧道BIM模型創建的難點之一；

(2)受隧道線路為平滑空間曲線的影響，盾構管片的拼裝過程必然無法通過手動拾取插入點進行模型組裝的方式，因此盾構隧道管片環模型如何依照線路曲線進行整體模型組合成為建模的難點之二。

本文即圍繞解決以上兩個問題進行論述。

1 建模軟件的選擇

目前主流的BIM軟件供應商主要為歐特克公司(Autodesk)、本特利公司(Bentley)和達索公司(Dassault)公司，三家公司的軟件產品占據了大部分BIM軟件市場份額[9]。考慮到盾構隧道為模塊化組裝的空間條帶狀曲線結構的特點，并結合BIM軟件市場應用的廣泛性，決定以目前市場上主流的BIM建模軟件：Autodesk公司的Revit軟件作為本案例的基礎建模平臺。

眾所周知，BIM技術的應用并非單一軟件平臺的運用，而是多軟件的協作，并且要求信息模型能夠在各軟件之間無損交換、無縫鏈接[10]。考慮到盾構隧道每環分別由一個封頂塊、兩個臨界塊和多個標準塊組成，管片上分布各類型孔洞，為了達到精細化建模目的，決定結合Autodesk公司的Inventor軟件對管片進行建模操作，Inventor是Autodesk公司旗下的一款主要應用于機械行業的三維可視化實體模擬軟件，不同于Revit基于傳統的六面建模方式，Inventor可以以任意角度方向的平面為工作面進行草圖設計和模型創建工作，它擁有更加靈活的工作面，可以在三維空間中更方便的創建任意方向的模型文件。而盾構隧道管片正是一個具有復雜構造形式的工程結構，其上分部各種方向、角度和形狀各異的凹槽、孔洞等構造。顯然，相較于Revit軟件，Inventor軟件的建模思路更加有利盾構隧道管片模型的創建，故在本次建模過程中決定應用Inventor軟件進行盾構隧道模型的管片建模工作。由于Revit在自動建立、排布盾構管片時存在較為明顯的計算誤差，使得盾構管片模型難以依照線路曲線進行準確擬合，決定應用基于Revit軟件的可視參數化插件Dynamo，通過在Revit中創建和處理復雜的邏輯關系[11]，對構件進行程序化控制進行盾構隧道的整體組裝。

整個建模過程分為以下三項工作進行：

(1)Inventor工作流

充分利用Inventor靈活的建模特性，準確地按照設計數據創建出各管片分塊的結構模型，并將構建完成地管片分塊模型在Inventor中進行整環組裝。

(2)Revit工作流

將Revit軟件平臺作為該大直徑盾構隧道模型的整體搭建平臺，依照設計線路數據繪制出引導隧道模型走向的空間曲線。

(3)Dynamo工作流

利用Dynamo強大的編程能力，將設計意圖進行程序化的表達，使管片環模型得以在Rveit軟件中進行完整隧道模型的精準組裝。

本案例建模流程如圖1所示。

2 盾構隧道模型創建

本研究的建模對象基本數據設定為外徑R=6 300mm內徑r=5 750mm的大直徑盾構隧道模型，每環管片中心厚度為2 012mm，楔形量為12mm的大直徑圓形盾構模型。如圖2所示，每環管片由1個封頂塊(F)、2個臨接塊(L1、L2)和6個標準塊(B1、B2、B3、B4、B5、B6)組成。由于盾構管片需要滿足線路曲線的轉向需求，因此在設計中所有的F、L1、L2、B1、B2、B3、B4、B5、B6塊尺寸均不相同。在創建管片模型時，應從環狀管片整體考慮切割方式，保證各類型的盾構管片能夠滿足盾構隧道結構的實際變化。

2.1 創建管片模型

建模過程嚴格按照設計參數要求，首先應用Inventor軟件對管片環進行大樣建模，并依據分塊參數對創建好的管片環進行管片切割，分割并創建出各類管片實體模塊。如圖3所示。

圖1 建模步驟流程圖

圖2 大直徑盾構隧道管片組成示意圖

圖3 各類管片實體模板

然后在各分塊模板的基礎上，利用Inventor軟件可以便利地以個方向角度平面為工作面開展建模工作的特性，根據詳細的設計參數對各個管片分塊進行手孔、密封槽等管片細部構造進行建模，創建出各管片的實體模型如圖4所示(標準塊管片僅以B1塊示于圖中)。

圖4 管片實體模型

最終將創建出的各管片模型在Inventor中以組件的方式約束成一整環，并將組裝完成的管片環模型以BIM交換的方式導出為Revit軟件的族文件。如圖5所示。

圖5 組裝管片環

2.2 整體組裝盾構隧道模型

根據實際使用需求，每一環管片在組裝過程中應具有錯縫角度，并且在管片環旋轉相應的錯縫角度之后能同時滿足前后環螺栓孔位相互吻合的要求，因此出于貼合實際應用角度考慮，并結合管片環上螺栓孔的相對角度，對管片環設定一組錯縫角度：{-158.82°，-105.9°，-74.116°，-31.764°，0°，31.764°，74.116°，116.468°，158.82°}以保證在錯縫拼裝過程中依然保證螺栓孔的位置能夠前后環相互吻合，同時滿足預設線路曲線的轉向要求。

由于Revit軟件自身對線型建筑工程建模的支持度有限，不能精準地確定空間曲線的里程位置，因此在管片環的組裝中，無法應用Revit軟件本身將各個管片環在相應的精準里程位置上實現精準定位拼裝，由此管片環的組裝在盾構隧道BIM模型的建模過程中成為一個難點。

所以在Revit項目文件中對盾構隧道模型進行整體拼裝時需要尋求其他軟件的幫助和支持。因此，在綜合研究分析目前現有的建模軟件后確定應用Revit軟件中的Dynamo插件，依托其強大的邏輯可視化的程序控制功能，以達到對管片環模型進行程序化驅動，實現沿著預設線路曲線進行參數化拼裝的目的。首先，在Revit項目文件中插入盾構管片環族，然后利用Dynamo插件強大的邏輯化參數建模的能力完成此盾構隧道管片環的組裝任務。

圖7 線路上各管片環插入點的拾取

2.2.1 創建模型線路并拾取管片環模型在線路上的插入點

首先在Revit中創建一條空間曲線作為本次大直徑盾構管片組裝的線路曲線，如圖6所示。然后在Dynamo中利用節點程序在Revit中選擇線路空間曲線線條，并利用腳碼程序對選定的線路曲線進行等分，等分距離應以單環管片長度參數為基準進行確定并捕捉相應等分點生成列表。以此捕捉到的點作為各盾構管片環模型插入點的選擇集合，工作邏輯表達如圖7所示。

圖6 Revit中的線路空間曲線

2.2.2 定位起終點里程樁號并生成各插入點相應的法向平面

利用“Code Block”節點輸入需要生成盾構隧道模型的起點里程樁號和終點里程樁號，利用起終點里程樁號在Dynamo中將其間的曲線線段隔離。同時結合2.2.1步驟中確定的等分長度在該曲線段上確定出適宜管片環組裝的等分點，并利用節點“Curve.Tangent At Parameter”做出線路曲線上各等分點位置的切向量。將所有切向量利用“Plane.By Origin Normal”節點以各等分點為原點做出相應點位置的法平面。該步驟的邏輯節點組如圖8所示。

2.2.3 管片環組裝過程中的旋轉控制

在盾構隧道BIM模型組裝的過程中，如何使得管片環模型能夠依照線路路徑的空間曲線特征進行嚴絲合縫的組合是模型組裝的難點，這里也成為整個大直徑盾構隧道BIM模型建模成敗的關鍵。

考慮到線路曲線空間曲率的影響，盾構隧道管片在設計時加入了楔形量參數，利用楔形量使得管片環能夠在線路曲線段上通過相鄰環之間錯位旋轉一定角度的方式對線路走向進行擬合。本案例中，根據線路設計數據，設計出楔形量為12mm的管片環，和旋轉角度為 {-158.82°，-105.9°，-74.116°，-31.764°，0°，31.764°，74.116°，116.468°，158.82°}的管片環旋轉方案，使得管片環能夠通過以上角度的相互組合達到盾構隧道BIM模型沿著線路曲線組裝的目的。實現該步驟的簡述如下：

圖8 起終點里程確定和各插入點的法向平面

圖9 盾構管片環旋轉角度選擇邏輯圖

首先將利用Inventor創建出的管片環模型導出為Revit族文件插入到Revit項目文件中。并在Dynamo中通過節點“Family Types”拾取Revit中的管片環族文件。

然后通過Dynamo中編輯腳本程序制作節點“各角度管片環列表”拾取管片環模型旋轉的所有角度方案，并將各角度方案匯編為列表，以便程序在大直徑盾構隧道BIM模型的整體組裝過程中調用。

本過程中涉及到的“各角度管片環列表”節點腳本程序編碼和各節點邏輯關系如圖9-10所示。

圖10 管片環模型排列程序編碼

通過以上操作，運行Dynamo程序即可在Revit中自動生成符合線路曲線特征的大直徑盾構隧道BIM模型如圖11所示。

圖11 大直徑盾構隧道BIM模型

3 成果及結論

針對在盾構隧道BIM建模過程中出現的兩大技術難點：

(1)由盾構隧道管片復雜構造導致管片細節建模的難點；

(2)管片環模型通過自旋轉擬合曲線線路的難點。

本案例通過對大直徑盾構隧道BIM模型的建模驗證，對以上兩大技術難點提供了成功可行的解決方案，即利用多軟件相互協同的建模方式。驗證了以Revit軟件為模型的整裝平臺，利用Inventor軟件對管片模型精細準確地建模，并結合Dynamo強大的編程能力輔助整體模型組裝為完整盾構隧道模型的可行性。通過充分發揮各軟件優勢，對項目進行優勢互補，精準地表達了設計思路和意圖，充分體現了基于BIM技術的正向設計相較于傳統二維設計的優勢：精準構建復雜模型、直觀表達設計意圖。為類似盾構隧道的精準建模工作提供了一種可參考的建模思路。