崔 曉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

引言

在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)CG(Computer Graphics)的發(fā)展與完善，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(Computer Aided Design)引發(fā)了工程設(shè)計(jì)行業(yè)的第一次革命。近年來建筑信息模型BIM(Building Information Molding)的出現(xiàn)，將會(huì)引發(fā)建筑、工程、結(jié)構(gòu)A/E/C(Architecture/Engineering/Construcion)領(lǐng)域的第二次革命[1]。

BIM是一種利用數(shù)字技術(shù)表達(dá)建設(shè)項(xiàng)目幾何、物理和功能信息，應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理中的數(shù)據(jù)化工具[2]。目前BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展已十年有余，相較于國(guó)外BIM技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)在工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工階段已有部分功能應(yīng)用，尤其是在建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化階段和施工組織階段已經(jīng)能夠產(chǎn)生一定的生產(chǎn)價(jià)值，但對(duì)于建筑全生命周期中的建筑運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)階段而言，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的方式和手段尚不成熟，還存在許多技術(shù)上的不足，仍處于研究發(fā)展階段[3]。

BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用仍主要集中在通過對(duì)既有設(shè)計(jì)資料進(jìn)行翻模，通過三維模型檢查在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)沖突和錯(cuò)誤，以達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行查錯(cuò)優(yōu)化的目的。而通過BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方式尚處于探索階段。近年來，隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從單一的建筑領(lǐng)域向交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域廣泛延伸[4]，在模型創(chuàng)建工作中，民用建筑領(lǐng)域的技術(shù)手段已經(jīng)相對(duì)成熟，成功案例已不勝枚舉，但對(duì)于公路、鐵路、地鐵、市政管廊等大型基礎(chǔ)設(shè)施工程的建模應(yīng)用仍有不少難點(diǎn)。

隧道工程作為具有復(fù)雜空間曲線的呈長(zhǎng)大帶狀分布的地下工程，其建模過程具有獨(dú)特的難點(diǎn)，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(yè)、民用建筑的集中區(qū)域建設(shè)的特點(diǎn)，導(dǎo)致工業(yè)、民用建筑的BIM技術(shù)路線無法適用于隧道工程。受隧道工程特點(diǎn)影響，隧道區(qū)間的建模方式較為困難[5]。

盾構(gòu)隧道作為隧道工程的一種結(jié)構(gòu)形式，建設(shè)規(guī)模和速度都達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨?。盾?gòu)管片是盾構(gòu)施工中最主要的裝配構(gòu)件，作為盾構(gòu)隧道的一次襯砌同時(shí)也是盾構(gòu)隧道的永久襯砌[6]。圍繞盾構(gòu)隧道施工的各種信息流量大且多，傳統(tǒng)的二維表達(dá)形式在信息應(yīng)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(jìn)行[7]。因此應(yīng)用BIM技術(shù)通過三維模型對(duì)盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)信息進(jìn)行表達(dá)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(jié)合編程方法建立隧道模型[8]。

盾構(gòu)隧道模型創(chuàng)建的主要難點(diǎn)有二：

(1)受制于盾構(gòu)管片具有獨(dú)特的幾何特征以及復(fù)雜的細(xì)部構(gòu)造，管片模型的創(chuàng)建成為盾構(gòu)隧道BIM模型創(chuàng)建的難點(diǎn)之一；

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

本文即圍繞解決以上兩個(gè)問題進(jìn)行論述。

1 建模軟件的選擇

目前主流的BIM軟件供應(yīng)商主要為歐特克公司(Autodesk)、本特利公司(Bentley)和達(dá)索公司(Dassault)公司，三家公司的軟件產(chǎn)品占據(jù)了大部分BIM軟件市場(chǎng)份額[9]。考慮到盾構(gòu)隧道為模塊化組裝的空間條帶狀曲線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并結(jié)合BIM軟件市場(chǎng)應(yīng)用的廣泛性，決定以目前市場(chǎng)上主流的BIM建模軟件：Autodesk公司的Revit軟件作為本案例的基礎(chǔ)建模平臺(tái)。

眾所周知，BIM技術(shù)的應(yīng)用并非單一軟件平臺(tái)的運(yùn)用，而是多軟件的協(xié)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]?？紤]到盾構(gòu)隧道每環(huán)分別由一個(gè)封頂塊、兩個(gè)臨界塊和多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊組成，管片上分布各類型孔洞，為了達(dá)到精細(xì)化建模目的，決定結(jié)合Autodesk公司的Inventor軟件對(duì)管片進(jìn)行建模操作，Inventor是Autodesk公司旗下的一款主要應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的三維可視化實(shí)體模擬軟件，不同于Revit基于傳統(tǒng)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(jìn)行草圖設(shè)計(jì)和模型創(chuàng)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(chuàng)建任意方向的模型文件。而盾構(gòu)隧道管片正是一個(gè)具有復(fù)雜構(gòu)造形式的工程結(jié)構(gòu)，其上分部各種方向、角度和形狀各異的凹槽、孔洞等構(gòu)造。顯然，相較于Revit軟件，Inventor軟件的建模思路更加有利盾構(gòu)隧道管片模型的創(chuàng)建，故在本次建模過程中決定應(yīng)用Inventor軟件進(jìn)行盾構(gòu)隧道模型的管片建模工作。由于Revit在自動(dòng)建立、排布盾構(gòu)管片時(shí)存在較為明顯的計(jì)算誤差，使得盾構(gòu)管片模型難以依照線路曲線進(jìn)行準(zhǔn)確擬合，決定應(yīng)用基于Revit軟件的可視參數(shù)化插件Dynamo，通過在Revit中創(chuàng)建和處理復(fù)雜的邏輯關(guān)系[11]，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行程序化控制進(jìn)行盾構(gòu)隧道的整體組裝。

整個(gè)建模過程分為以下三項(xiàng)工作進(jìn)行：

(1)Inventor工作流

充分利用Inventor靈活的建模特性，準(zhǔn)確地按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)創(chuàng)建出各管片分塊的結(jié)構(gòu)模型，并將構(gòu)建完成地管片分塊模型在Inventor中進(jìn)行整環(huán)組裝。

(2)Revit工作流

將Revit軟件平臺(tái)作為該大直徑盾構(gòu)隧道模型的整體搭建平臺(tái)，依照設(shè)計(jì)線路數(shù)據(jù)繪制出引導(dǎo)隧道模型走向的空間曲線。

(3)Dynamo工作流

利用Dynamo強(qiáng)大的編程能力，將設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行程序化的表達(dá)，使管片環(huán)模型得以在Rveit軟件中進(jìn)行完整隧道模型的精準(zhǔn)組裝。

本案例建模流程如圖1所示。

2 盾構(gòu)隧道模型創(chuàng)建

本研究的建模對(duì)象基本數(shù)據(jù)設(shè)定為外徑R=6 300mm內(nèi)徑r=5 750mm的大直徑盾構(gòu)隧道模型，每環(huán)管片中心厚度為2 012mm，楔形量為12mm的大直徑圓形盾構(gòu)模型。如圖2所示，每環(huán)管片由1個(gè)封頂塊(F)、2個(gè)臨接塊(L1、L2)和6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3、B4、B5、B6)組成。由于盾構(gòu)管片需要滿足線路曲線的轉(zhuǎn)向需求，因此在設(shè)計(jì)中所有的F、L1、L2、B1、B2、B3、B4、B5、B6塊尺寸均不相同。在創(chuàng)建管片模型時(shí)，應(yīng)從環(huán)狀管片整體考慮切割方式，保證各類型的盾構(gòu)管片能夠滿足盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化。

2.1 創(chuàng)建管片模型

建模過程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求，首先應(yīng)用Inventor軟件對(duì)管片環(huán)進(jìn)行大樣建模，并依據(jù)分塊參數(shù)對(duì)創(chuàng)建好的管片環(huán)進(jìn)行管片切割，分割并創(chuàng)建出各類管片實(shí)體模塊。如圖3所示。

圖1 建模步驟流程圖

圖2 大直徑盾構(gòu)隧道管片組成示意圖

圖3 各類管片實(shí)體模板

然后在各分塊模板的基礎(chǔ)上，利用Inventor軟件可以便利地以個(gè)方向角度平面為工作面開展建模工作的特性，根據(jù)詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)各個(gè)管片分塊進(jìn)行手孔、密封槽等管片細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行建模，創(chuàng)建出各管片的實(shí)體模型如圖4所示(標(biāo)準(zhǔn)塊管片僅以B1塊示于圖中)。

圖4 管片實(shí)體模型

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

圖5 組裝管片環(huán)

2.2 整體組裝盾構(gòu)隧道模型

根據(jù)實(shí)際使用需求，每一環(huán)管片在組裝過程中應(yīng)具有錯(cuò)縫角度，并且在管片環(huán)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的錯(cuò)縫角度之后能同時(shí)滿足前后環(huán)螺栓孔位相互吻合的要求，因此出于貼合實(shí)際應(yīng)用角度考慮，并結(jié)合管片環(huán)上螺栓孔的相對(duì)角度，對(duì)管片環(huán)設(shè)定一組錯(cuò)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(cuò)縫拼裝過程中依然保證螺栓孔的位置能夠前后環(huán)相互吻合，同時(shí)滿足預(yù)設(shè)線路曲線的轉(zhuǎn)向要求。

由于Revit軟件自身對(duì)線型建筑工程建模的支持度有限，不能精準(zhǔn)地確定空間曲線的里程位置，因此在管片環(huán)的組裝中，無法應(yīng)用Revit軟件本身將各個(gè)管片環(huán)在相應(yīng)的精準(zhǔn)里程位置上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位拼裝，由此管片環(huán)的組裝在盾構(gòu)隧道BIM模型的建模過程中成為一個(gè)難點(diǎn)。

所以在Revit項(xiàng)目文件中對(duì)盾構(gòu)隧道模型進(jìn)行整體拼裝時(shí)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(xiàn)有的建模軟件后確定應(yīng)用Revit軟件中的Dynamo插件，依托其強(qiáng)大的邏輯可視化的程序控制功能，以達(dá)到對(duì)管片環(huán)模型進(jìn)行程序化驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿著預(yù)設(shè)線路曲線進(jìn)行參數(shù)化拼裝的目的。首先，在Revit項(xiàng)目文件中插入盾構(gòu)管片環(huán)族，然后利用Dynamo插件強(qiáng)大的邏輯化參數(shù)建模的能力完成此盾構(gòu)隧道管片環(huán)的組裝任務(wù)。

圖7 線路上各管片環(huán)插入點(diǎn)的拾取

2.2.1 創(chuàng)建模型線路并拾取管片環(huán)模型在線路上的插入點(diǎn)

首先在Revit中創(chuàng)建一條空間曲線作為本次大直徑盾構(gòu)管片組裝的線路曲線，如圖6所示。然后在Dynamo中利用節(jié)點(diǎn)程序在Revit中選擇線路空間曲線線條，并利用腳碼程序?qū)x定的線路曲線進(jìn)行等分，等分距離應(yīng)以單環(huán)管片長(zhǎng)度參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行確定并捕捉相應(yīng)等分點(diǎn)生成列表。以此捕捉到的點(diǎn)作為各盾構(gòu)管片環(huán)模型插入點(diǎn)的選擇集合，工作邏輯表達(dá)如圖7所示。

圖6 Revit中的線路空間曲線

2.2.2 定位起終點(diǎn)里程樁號(hào)并生成各插入點(diǎn)相應(yīng)的法向平面

利用“Code Block”節(jié)點(diǎn)輸入需要生成盾構(gòu)隧道模型的起點(diǎn)里程樁號(hào)和終點(diǎn)里程樁號(hào)，利用起終點(diǎn)里程樁號(hào)在Dynamo中將其間的曲線線段隔離。同時(shí)結(jié)合2.2.1步驟中確定的等分長(zhǎng)度在該曲線段上確定出適宜管片環(huán)組裝的等分點(diǎn)，并利用節(jié)點(diǎn)“Curve.Tangent At Parameter”做出線路曲線上各等分點(diǎn)位置的切向量。將所有切向量利用“Plane.By Origin Normal”節(jié)點(diǎn)以各等分點(diǎn)為原點(diǎn)做出相應(yīng)點(diǎn)位置的法平面。該步驟的邏輯節(jié)點(diǎn)組如圖8所示。

2.2.3 管片環(huán)組裝過程中的旋轉(zhuǎn)控制

在盾構(gòu)隧道BIM模型組裝的過程中，如何使得管片環(huán)模型能夠依照線路路徑的空間曲線特征進(jìn)行嚴(yán)絲合縫的組合是模型組裝的難點(diǎn)，這里也成為整個(gè)大直徑盾構(gòu)隧道BIM模型建模成敗的關(guān)鍵。

考慮到線路曲線空間曲率的影響，盾構(gòu)隧道管片在設(shè)計(jì)時(shí)加入了楔形量參數(shù)，利用楔形量使得管片環(huán)能夠在線路曲線段上通過相鄰環(huán)之間錯(cuò)位旋轉(zhuǎn)一定角度的方式對(duì)線路走向進(jìn)行擬合。本案例中，根據(jù)線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出楔形量為12mm的管片環(huán)，和旋轉(zhuǎn)角度為 {-158.82°，-105.9°，-74.116°，-31.764°，0°，31.764°，74.116°，116.468°，158.82°}的管片環(huán)旋轉(zhuǎn)方案，使得管片環(huán)能夠通過以上角度的相互組合達(dá)到盾構(gòu)隧道BIM模型沿著線路曲線組裝的目的。實(shí)現(xiàn)該步驟的簡(jiǎn)述如下：

圖8 起終點(diǎn)里程確定和各插入點(diǎn)的法向平面

圖9 盾構(gòu)管片環(huán)旋轉(zhuǎn)角度選擇邏輯圖

首先將利用Inventor創(chuàng)建出的管片環(huán)模型導(dǎo)出為Revit族文件插入到Revit項(xiàng)目文件中。并在Dynamo中通過節(jié)點(diǎn)“Family Types”拾取Revit中的管片環(huán)族文件。

然后通過Dynamo中編輯腳本程序制作節(jié)點(diǎn)“各角度管片環(huán)列表”拾取管片環(huán)模型旋轉(zhuǎn)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(gòu)隧道BIM模型的整體組裝過程中調(diào)用。

本過程中涉及到的“各角度管片環(huán)列表”節(jié)點(diǎn)腳本程序編碼和各節(jié)點(diǎn)邏輯關(guān)系如圖9-10所示。

圖10 管片環(huán)模型排列程序編碼

通過以上操作，運(yùn)行Dynamo程序即可在Revit中自動(dòng)生成符合線路曲線特征的大直徑盾構(gòu)隧道BIM模型如圖11所示。

圖11 大直徑盾構(gòu)隧道BIM模型

3 成果及結(jié)論

針對(duì)在盾構(gòu)隧道BIM建模過程中出現(xiàn)的兩大技術(shù)難點(diǎn)：

(1)由盾構(gòu)隧道管片復(fù)雜構(gòu)造導(dǎo)致管片細(xì)節(jié)建模的難點(diǎn)；

(2)管片環(huán)模型通過自旋轉(zhuǎn)擬合曲線線路的難點(diǎn)。

本案例通過對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道BIM模型的建模驗(yàn)證，對(duì)以上兩大技術(shù)難點(diǎn)提供了成功可行的解決方案，即利用多軟件相互協(xié)同的建模方式。驗(yàn)證了以Revit軟件為模型的整裝平臺(tái)，利用Inventor軟件對(duì)管片模型精細(xì)準(zhǔn)確地建模，并結(jié)合Dynamo強(qiáng)大的編程能力輔助整體模型組裝為完整盾構(gòu)隧道模型的可行性。通過充分發(fā)揮各軟件優(yōu)勢(shì)，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，精準(zhǔn)地表達(dá)了設(shè)計(jì)思路和意圖，充分體現(xiàn)了基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)：精準(zhǔn)構(gòu)建復(fù)雜模型、直觀表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。為類似盾構(gòu)隧道的精準(zhǔn)建模工作提供了一種可參考的建模思路。