隧道工程信息模型參數化建模方法研究

董任翔

（黑龍江科技大學,黑龍江 哈爾濱 150022）

建筑信息模型BIM是在傳統三維幾何模型基礎上構建面向工程項目全壽命周期的信息模型,并支持建設項目所有參與方對工程信息共享和項目全壽命管理[1,2],BIM概念最早由Chuck Eastman 在1975 年首先提出,現已成為建筑工程領域新興的數字化項目管理方法。BIM因其三維可視化、信息化、模擬性、優化性等特點在隧道工程也具有重要應用價值,將BIM技術引入到隧道工程,設計階段可實現三維模型展示、工程量統計、碰撞檢查等；施工階段可實現可視化技術交底、施工方案優化等；運營階段可實現隧道養護數字化管理、應急快速處置等。目前,與建筑工程領域BIM廣泛應用相比,隧道工程信息模型技術還處在起步階段[3],存在較大差距和不足,如標準體系不健全、主流核心建模軟件缺少隧道建模功能及構件族庫等。BIM 技術應用過程中需要結構建模、結構分析、碰撞檢測等不同軟件相互協調,其中心位置是核心建模軟件及參數化建模方法[1,2]。本文重點就隧道工程信息模型參數化建模方法進行研究。

1 隧道工程信息模型建模平臺

目前,公路、鐵路系統對于隧道工程信息化管理系統建模標準和建模平臺無統一規定,上述主流BIM參數化建模軟件均有成功應用案例。黃福杰等[4]針對如意坊沉管隧道采用Bentley 作為核心建模平臺,利用OpenRoads Designer 進行地形、地質和路線設計,利用OpenBridge Modeler 進行沉管隧道結構建模,OpenBridge Modeler 可以直接利用OpenRoads Designer 的地形、線路等基礎數據進行橋梁和隧道結構建模。萬世付等[5]針對白城隧道采用Bentley 平臺的Power Civil 建立地形模型,采用Micro Station 建立明洞、出口洞門、洞門配筋、管片鋼筋網等構筑物模型,同時,利用Micro Station 自帶的碰撞沖突檢查功能進行碰撞檢查,利用Navigator 模型審查和進度模擬功能進行工程進度模擬。秦海洋等[6]針對金雞山隧道采用Catia 軟件作為主要建模平臺,提取目標區域的坐標和高程數據導入Catia 的DSE 模塊,生成數據點包絡面建立地形模型；將二維路線導入Catia 的GSD模塊生成隧道三維路線,以路線為基準,創建錨桿、仰拱、鋼拱架等隧道構件模型。李君君等[7]針對石鼓山鐵路隧道采用Catia 進行隧道三維建模,建模時首先建立參數化草圖,利用拉伸、偏移、陣列等三維建模功能建立三維實體模型,然后對實體模型附加屬性、描述、參數設置、外部鏈接、數據庫存儲等信息。

就當前隧道工程信息模型應用案例的初步統計結果來看,應用最多的是Autodesk Revit 建模平臺[1-3]。Bentley 費用較高導致大規模推廣困難和數據交換有障礙。Archi cad 與Bentley 軟件相似,具有較高行業專業性,普及較難。Revit 支持建立參數化對象,并可以在長度、角度等方面施加約束；同時Revit 具有強大的對象庫,便于項目各參與方多用戶操作；Revit 通過Revit API 或者IFC、DWF 等格式實現應用程序之間數據交換,Revit 還可以鏈接 Auto CAD、Civil 3D軟件進行場地分析,鏈接Navisworks 用于碰撞檢查和4D模擬。Revit 3D 幾乎面向所有行業,普通隧道工程技術人員較容易掌握,普及程度相對較高,在隧道工程信息模型參數化建模方面具有較高的普適性[8]。

2 隧道工程信息模型建模方法

當前基于Revit 隧道工程信息模型的構建方法主要有：采用Civil 3D+Revit+Dynamo 等多軟件協同參數化建模、Revit 二次開發以及開發專用輔助隧道參數化軟件、基于隧道構件模型族庫創建和組裝等。

2.1 多軟件協同隧道工程信息模型參數化建模

目前,隧洞工程領域信息模型參數化建模采用最多的是Civil 3D+Revit+Dynamo+Excel+Access 等多軟件協同參數化建模。Civil3D 可實現隧道三維軸線坐標提取,可輔助Revit進行三維定位和曲面建模。Dynamo 是Autodesk 推出的可視化編程軟件,設計師可以利用Dynamo 快速實現三維設計的工作流程、驅動模型參數和數據庫。Dynamo 與Revit 結合,不僅能夠拓展Revit 軟件的功能,還可以在創建三維模型、挑戰參數化異形結構設計、BIM 模型信息管理以及數據分析與處理上更加智能。實際工程中,當有些問題單純靠Dynamo 自帶的基本節點無法解決,可以使用Python Script節點編寫代碼,并通過 IronPython 調用.NET 庫和Revit API 內的方法和屬性來開發新的功能節點。基于Dynamo 可視化編程平臺開發的參數化工具可實現快速自動參數化建模,極大地提高建模的效率和準確性,解決Revit 手工繪圖的難點。這些軟件協同建模因其相對高效的特點而成為目前隧道工程BIM參數化建模的主要建模方法,有大量成功應用案例。

多軟件協同建模時,需要將二維CAD 底圖導入civil3D,拾取CAD 底圖創建隧道中心線在水平平面上的投影（平面線）,在平面線基礎上繪制縱斷面圖,并設置縱斷面圖的樣式、圖層、標簽集等信息,為中心線創建標簽,在主樁號上貼道路標簽,常用的標簽樣式有AeccTickLine、AeccTickCircle等。在Civil3D 中提取隧道三維軸線導出到Excel 表格,然后在Excel 中對數據編碼、補充,形成包含序號、樁號、三維點坐標、圍巖級別、襯砌類型等隧道平縱斷面和地質及設計信息的完整Excel 數據庫。根據該Excel 數據庫,以Revit+Dynamo 交互式方法驅動參數化節點創建隧道二次襯砌、初期支護等模型,最后在Revit 中通過創建內建族的方法生成隧道內部開挖部分的土體和支護結構。

隧道二次襯砌等參數化建模則首先要建立坐標系,導入Autocad 底圖或直接繪制隧道襯砌內輪廓,然后進行隧道三維軸線加載、襯砌內表面的放樣及襯砌加厚。具體操作過程為：對Dynamo 中隧道三維軸線加載,將三維軸線文件載入Revit,再由select model element 和element.geomotry 節點選取三維軸線,對隧道斷面內輪廓線通過掃略命令沿隧道空間軸線方向放樣,生成隧道襯砌內表面,最后,運用Surface.thicken 命令加厚隧道襯砌內表面,實現二次襯砌模型創建。隧道的初期支護包括鋼拱架、鋼筋網、錨桿安裝及混凝土噴射,其中錨桿、鋼筋網等沿著隧道拱頂、拱腰弧面布置,且數量較多,手動布設難度大,普通的建模軟件難以滿足使用要求。選用Revit 和Dynamo 相結合的參數化方法構建隧道初期支護BIM 模型過程如圖1 所示。

圖1 二次襯砌模型建模過程

可見,即使采用多軟件協同建模,隧道工程信息模型建模過程也流程多且繁瑣,建模過程存在大量非參數化的建模方法,導致模型修改困難、復用性差等問題,且需要在多個軟件之間交換數據,自動化程度低,對于普通隧道工程技術人員而言,熟悉和掌握難度大,不利于大范圍普及。

2.2 Revit 二次開發

針對Revit 在隧道工程建模過程存在重復工作多、效率低等問題,一些BIM單位用戶組織軟件工程師對Revit API進行二次開發,Revit API 是Revit 提供給用戶的應用程序接口,用戶可以通過與.NET 兼容的編程語言（VB、C++、C#）結合Revit API 提供的函數方法對Revit 進行二次開發。Revit API 包含大量類庫,設計人員可以在API 基礎上對軟件功能進行擴展和優化,開發針對特定構件庫的快速建模插件,從而提高BIM建模準確率和建模效率。可見,這種針對隧道工程自身特點開發的專用軟件在創建隧道信息化模型時非常方便和高效,具有隧道工程相關知識即可迅速創建隧道信息模型,該方法降低了隧道信息模型創建門檻,只要有隧道工程知識,就可以很快建立模型,便于BIM的大范圍普及。但這種基于專用軟件的方法對于BIM用戶是非開放的,需要專業人員進行開發和維護,開發成本大,后續維護工作量大,軟件修改和維護代價昂貴。

2.3 基于隧道工程構件族庫

現有的BIM 技術應用于隧道工程存在隧道結構基本模型庫缺失、參數化不足導致模型重復利用率低、數據標準缺失因而無法共享數據等問題,李曉軍等將隧道結構構件劃分為單元,并按照是否具備可復用性分為標準段與特殊段,分別就標準段與特殊段進行參數化,例如直線隧道單元襯砌模型采用放樣方法建立,參數化信息包括材料、二襯厚度、單元長度等參數；曲線襯砌單元模型采用旋轉方式建立,實現材料、曲線半徑、襯砌厚度、單元長度、角度等參數的參數化；錨桿由錨頭、桿體、鋼墊板、螺母組成。主洞與人行橫通道、車行橫通道等交叉段參數化模型如圖2 所示。

圖2 交叉段參數化模型單元

這種將隧道結構劃分為基本單元的參數化建模方法對于提高模型復用性比較有利,但是和revit 基于族圖元參數化建模方法還有一定距離。下面重點了解Revit 基于族圖元參數化建模思路及原理。

3 Revit 基于族圖元參數化建模方法的特點

Revit 建模過程所使用的所有圖元都是族圖元,而族圖元是經過合理的參數化設計創建的,所有的圖元都是通過族（family）來創建的,族是幾何體的基本模板,每個族能夠在內部定義多種類型,每種類型可以具有不同形狀、尺寸、材質等參數值,在項目中能夠根據需要調整參數并將其實例化,創建BIM 模型的過程就是族在不斷實例化族類型的過程,族是Revit 建筑建模的基礎,創建族和完善族庫是Revit 創建BIM項目的前提。

Revit 中包含三種族類型：系統族、標準族、內建族,在項目中創建的大多數圖元都是系統族或可載入族。系統族可以創建基本建筑圖元,如墻、屋頂、天花板、樓板、以及其他在施工場地裝配的圖元。能夠影響項目環境且包含標高、軸網、圖紙和視口類型的系統設置也是系統族。由于系統族是預定義的,因此它是3 種族中自定義內容最少的,但卻包含更多的智能行為。在項目中創建的墻會自動調整大小,來容納放置在其中的窗和門。在放置窗和門之前,無需為它們在墻上剪切洞口。

Revit 為用戶提供了多種標準構件族,用戶可以利用族編輯器對其修改,也可以利用Revit 提供的族樣板創建新族。可載入族可以創建通常購買、提供和安裝在建筑上的如窗、門、櫥柜、設備、家具等。可載入族可以組合在一起來創建嵌套共享族。軟件提供了許多樣板（包括門、結構構件、窗、家具和照明設備的樣板）,樣板包含了許多開始創建族時所需的信息以及Revit Architecture 在項目中放置族時所需的信息。當開始創建族時,在族編輯器中打開要使用的樣板,選擇樣板很重要,選擇的樣板不僅決定了要創建目標圖元的類型,也決定了目標族圖元和其他族圖元接觸時的行為方式,通過這種層層繼承方式最大程度減少新創建族的自定義工作量和重復性工作,例如新族創建時的繼承關系和參數定義如圖3 所示。

圖3 新族繼承關系

在Revit 中,族是實現實例化單元的重要元素,Revit“族”的特性非常適合復用性較高的隧道構件單元管理,目前隧道工程不能利用Revit 系統族進行建模,一般采用公制常規模型族或體量族建模,族圖元缺乏智能行為,由此造成隧道工程建模效率低和后期在視圖管理、工程量統計和二維出圖等方面的困難。

IFC(Industry Foundation Class)是用于定義建筑信息可擴展的統一數據格式,當前IFC 標準中不包含隧道領域的相關描述類,雖然理論上構建可載入族能實現不同項目相互調用,但實際不同隧道工程項目的差異性導致族構件難以直接引用,需要進行局部修改,而參數化標準的不一致導致一處變更處處變更,有關聯的構件模型均需要改動,由此使得隧道工程BIM建模工作量巨大,且重復性工作居多,造成模型的創建、修改和再利用效率低下。

4 結論

本文就目前隧道工程信息模型參數化建模方法進行了分析和比較,結論如下：

4.1 Revit 3D 幾乎面向所有行業,普通隧道工程技術人員上手快,容易掌握,在國內隧道工程行業普及程度高,在隧道工程信息模型參數化建模方面具有較高的普適性。

4.2 目前在隧道工程專業化參數化建模軟件和平臺缺失條件下,隧道工程信息模型參數化建模多采用基于Autocad平臺多軟件協同建模方法或二次開發,操作流程復雜,普通隧道工程技術人員熟悉和掌握存在一定困難,不利于大范圍普及。

4.3 Revit“族”的特性非常適合復用性較高的隧道構件單元管理,目前隧道工程不能利用Revit 系統族進行建模,一般采用公制常規模型族或體量族建模,族圖元缺乏智能行為。

4.4 IFC 標準中不包含隧道領域的相關描述類,應借鑒Revit 族基本架構形式對隧道工程族庫基本架構、參數方法等統一標準,個人或普通企業BIM用戶只需在基本族基礎上通過繼承方式進行擴展,從而提高隧道工程行業信息化水平建設效率和普及程度。