陳 曦 甘英聰 吳湖英 張興軍 薛劍展

(1.太原市軌道交通發(fā)展有限公司，太原 030002;2.上海城建信息科技有限公司，上海 200131)

引言

隨著隧道盾構(gòu)技術(shù)與信息化技術(shù)的深入結(jié)合，將建筑信息模型技術(shù)(Building information modeling，BIM)用于地鐵工程可大大提高地鐵項目的管理水平[1]。對于軌道交通工程而言，盾構(gòu)隧道管片存在建模效率低、精細化程度不足且施工困難等問題，隧道區(qū)間屬于空間曲線結(jié)構(gòu)，其建模難度高于相對規(guī)整的車站結(jié)構(gòu)。基于BIM技術(shù)進行隧道管片建模，雖然縮短了工期，節(jié)省了成本和造價[2]，但預(yù)制隧道盾構(gòu)管片有大量獨立的幾何、材料及重量等信息參數(shù)，存在建模重復(fù)率高、工作量大、效率低且誤差大等問題[3]。BIM軟件本身存在互用性缺乏及技術(shù)缺陷問題，也使其不能很好為現(xiàn)有企業(yè)所用[4]。建模過程中模型構(gòu)件附帶的信息數(shù)據(jù)若存在偏差，直接影響后期運維階段對數(shù)據(jù)的使用。針對隧道參數(shù)化建模，Catia及Bentley軟件有著成熟的解決方案，但基于Revit平臺的研究相較少[5]； 如何更好地使用BIM技術(shù)將盾構(gòu)隧道管片順利拼裝，成為當(dāng)前BIM技術(shù)應(yīng)用研究的重點[6]。

在工程建設(shè)項目里引入BIM技術(shù)可以得到顯著相依[7]。BIM技術(shù)是一類強調(diào)對工程項目全生命周期相關(guān)信息進行參數(shù)化表達及集成化管理的里程碑技術(shù)[8]。戴林發(fā)寶(2015)指出現(xiàn)有軟件平臺沒有針對隧道BIM設(shè)計的模塊，國外軟件未能結(jié)合國內(nèi)規(guī)范和流程，需開展大量的二次開發(fā)，才能保證隧道工程的BIM應(yīng)用落到實處[9]。歐陽業(yè)偉等(2015)通過BIM模型需求分析法，提高BIM技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用質(zhì)量[1]。趙璐(2016)通過將BIM模型與地理空間模型進行整合，模擬真實的施工環(huán)境[10]。鐘宇(2017)基于IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)提出了盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了基于IFC的盾構(gòu)隧道信息模型的數(shù)據(jù)表達[11]。鐘宇等(2018)建立了盾構(gòu)隧道建模流程和參數(shù)化建模方法，對Revit建模軟件進行了二次開發(fā)[12]。陳桂香(2019)應(yīng)用先整體后局部的方法實現(xiàn)通用管片的高效建模，建立關(guān)聯(lián)參數(shù)精準(zhǔn)控制管片拼裝點位[6]。林俊等(2018)參數(shù)化自動生成模型可大幅縮減建模時間、實現(xiàn)過程可視化及時發(fā)現(xiàn)管片排版碰撞點[5]。王曉東等(2018)在實現(xiàn)盾構(gòu)管片在指定軸線上自動生成的方法上還需要進一步開發(fā)[3]。以上研究主要集中于基于BIM技術(shù)的盾構(gòu)隧道建模流程及管片排版的研究，部分進行參數(shù)化建模研究，但參數(shù)化自動生成模型的二次開發(fā)技術(shù)研究尚不成熟。

本研究針對上述問題，聚焦于隧道區(qū)間模型的創(chuàng)建，旨在提高建模速度和質(zhì)量及信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過設(shè)計通用管片參數(shù)化建模流程指導(dǎo)模型創(chuàng)建，利用Civil3D軟件創(chuàng)建盾構(gòu)區(qū)間三維軸線設(shè)計，并基于Revit開發(fā)Dynamo插件用于區(qū)間管片全過程自動拼裝。在此基礎(chǔ)上深化與BIM協(xié)同管理平臺的結(jié)合，通過將模型、數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實景照片等信息上傳至平臺，實現(xiàn)施工階段的信息集成管理，為運營期工程維護提供數(shù)據(jù)支持。

1 參數(shù)化建模總體流程

1.1 參數(shù)化管片排版

參數(shù)化是指應(yīng)用參數(shù)化工具對具有某些特征和規(guī)律的對象建立特定的某種關(guān)系，從而實現(xiàn)模型的參數(shù)化[13]。Revit Building中的圖元以構(gòu)件的形式出現(xiàn)，通過調(diào)整參數(shù)信息來實現(xiàn)不同構(gòu)件的排版展現(xiàn)。通過參數(shù)化手段對通用管片的變量參數(shù)進行處理，如族名稱、里程、角度等，即可得到不同通用管片的構(gòu)件組合，便于編輯、修改，能滿足反復(fù)設(shè)計的需要。

1.2 建模流程

隧道區(qū)間主要通過Civil3D創(chuàng)建空間曲線，并將空間曲線導(dǎo)入Revit當(dāng)中。依據(jù)施工圖數(shù)據(jù)資料編寫含有管片名稱、里程及旋轉(zhuǎn)角度的Excel表格。通過Dymano參數(shù)化建模拾取空間曲線形成區(qū)間樣板模型。其流程如圖1所示。

圖1 參數(shù)化建模流程圖

1.3 通用管片模型創(chuàng)建

1)通用管片

太原軌道交通2號線所采用的通用管片的設(shè)計參數(shù)為：外徑為6 200mm，內(nèi)徑為5 500mm，管片中部寬1 200mm，厚度為350mm。通用管片混凝土采用C50、抗?jié)B等級P12，采用彎螺栓連接，楔形量37.2mm。管片構(gòu)造如圖2所示。每環(huán)管片由6塊預(yù)制鋼筋混凝土管片塊拼裝而成，封頂塊K圓心角21.5°，標(biāo)準(zhǔn)塊A1、A2、A3圓心角67.5°，鄰接塊B1、B2圓心角68°。

圖2 通用管片構(gòu)造

通用管片如圖2所示，以旋轉(zhuǎn)角度為22.5°，將管片分為16個區(qū)域。K塊位于最頂部位置，并定位為1號點位，順時針依次為2～16點位。

根據(jù)防水規(guī)范要求封頂塊禁止拼裝在8，9，10號點位[1]。

1)盾構(gòu)管片族創(chuàng)建

應(yīng)用Revit對盾構(gòu)隧道通用管片進行建模，可以有效解決建模中的曲面、復(fù)雜孔洞等問題； 并根據(jù)不同的情況用于不同尺寸隧道模型。

通過自適應(yīng)方式分別創(chuàng)建鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊、封頂塊的管片族，并通過嵌套方式形成管環(huán)構(gòu)件。自適應(yīng)管片族可根據(jù)區(qū)間隧道設(shè)計軸線的坐標(biāo)，適應(yīng)不同斷面尺寸和變坡點，自動擬合閉環(huán)。盾構(gòu)管片族如圖3所示。通過改變參數(shù)值，可以快速構(gòu)建新的管片模型，有效增強管片模型的適用性，并滿足管片錯縫安裝的設(shè)計及施工要求，以及逐步完善企業(yè)構(gòu)件庫，如圖4所示。

圖3 盾構(gòu)管片族

圖4 管片族類型

管片族可分為直線環(huán)及左右轉(zhuǎn)彎環(huán)，由區(qū)間隧道總平面圖可推導(dǎo)如何選擇不同楔形量的管片。依據(jù)隧道線路中心線的弧度確認使用直線環(huán)或者左右轉(zhuǎn)彎環(huán)； 依據(jù)中心線長度，確認選取管片的數(shù)量。并結(jié)合下文提出的Excel表格及隧道設(shè)計軸線形成隧道管片拼裝。

1.4 整理Excel管片參數(shù)

按照區(qū)間平縱斷面圖紙信息，在Excel表格中逐項手動錄入管片的放置里程、類型名稱、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，如圖5所示。后續(xù)在Dynamo二次開發(fā)程序中導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)，根據(jù)表格名稱自動獲取相關(guān)參數(shù)，并依此放置拼裝管片。

圖5 管片參數(shù)表

1.5 繪制隧道設(shè)計軸線

Civil3D是一款具有強大路線設(shè)計功能的，并且基于AutoCAD平臺的軟件，可以根據(jù)路線的平面線形和縱斷面圖快速、準(zhǔn)確生成對應(yīng)3D路線(陳桂香2019)。Civil3D通過道路線水平投影組合可以創(chuàng)建任意平曲線。DTA(Designed tunnel axis)是一條空間三維曲線，它通過路線平面線形和縱斷面圖結(jié)合，完整地表達空間位置和立體線形，并根據(jù)路線設(shè)計精確、高效的要求，在建模時決定應(yīng)用Civil3D盾構(gòu)區(qū)間生成三維隧道設(shè)計軸線[5]。

1.6 隧道自動生成二次開發(fā)

基于Revit開發(fā)的Dynamo插件，通過拾取隧道設(shè)計軸線確認隧道平面位置及高程，關(guān)聯(lián)Excel表格，確認隧道管片組合形式，達到自動模擬拼裝的目的。

在隧道管片拼裝過程，由于人工操作工作量大，容易出錯?；贒ynamo程序針對管片排布進行編程，并且需滿足管片與管片之間、管環(huán)與管環(huán)之間都是緊密貼合的要求，程序運行過程中直接調(diào)用Revit族，通過數(shù)據(jù)運算，進而生成3D隧道管片模型，線型模型在建模過程具有很強的重復(fù)性，從而實現(xiàn)隧道全過程的程序自動拼裝。完成自動拼裝后點擊構(gòu)件可查閱管片相關(guān)里程、角度等信息，可根據(jù)拼裝要求或者現(xiàn)場實際拼裝情況進行快速調(diào)整。Dynamo運行頁面如圖6所示。

圖6 Dynamo運行頁面

1.7 平臺應(yīng)用

BIM協(xié)同管理平臺是施工階段的管理平臺，平臺用戶為業(yè)主、BIM咨詢單位、施工方及監(jiān)理單位。通過平臺在施工階段逐步實現(xiàn)收集模型、數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實景照片及文檔資料。

BIM協(xié)同管理平臺的主要功能包括：模型管理、屬性管理、文檔管理、移動端采集、數(shù)字化信息查詢、驗收與交付等相關(guān)功能。并與健康監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，通過傳感器數(shù)據(jù)采集，收集隧道管片偏移及沉降信息，與現(xiàn)有模型進行比較分析，優(yōu)化管片拼裝方案。平臺的落地化應(yīng)用有利于實現(xiàn)施工階段的信息集成管理，為運營期的工程維護提供數(shù)據(jù)支持。

2 工程應(yīng)用

2.1 案例背景

太原市軌道交通2號線一期工程線路長度23.647km，共設(shè)車站23座，區(qū)間23個。

結(jié)合太原市軌道交通2號線一期工程實際情況，采用樣板先行策略，以確保BIM模型和工程現(xiàn)場相一致，保障BIM模型的交付質(zhì)量和輔助驗收，使數(shù)字化竣工交付中BIM模型能夠支持地鐵的百年運維和維護。

2.2 區(qū)間管片拼裝設(shè)計

太原地鐵2號線樣板區(qū)間從雙塔西街站北端引出后，沿牛站西巷路下南北向敷設(shè)，在迎澤苑小區(qū)附近以半徑100m的曲線向左偏移，行進至迎澤公園內(nèi)七孔橋附近以半1 000m的曲線向右偏移接入大南門站南端。本區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，管片環(huán)外徑6 200mm、厚度350mm，區(qū)間左右線均由雙塔西街站北端始發(fā)大南門站南端接收。

雙面楔形通用管片作為隧道主體支撐結(jié)構(gòu)，采用BIM技術(shù)建立參數(shù)化通用管片模型，解決了通用管片施工排版選點問題，利用信息化管片拼裝模型輔助施工。根據(jù)樣板區(qū)間平面圖紙和高程圖紙，通過Civil3D建立三維隧道設(shè)計軸線，如圖7所示。

圖7 樣板區(qū)間三維隧道設(shè)計曲線

通過Revit軟件創(chuàng)建通用管片，并進行參數(shù)化處理。結(jié)合Civil3D繪制的樣板區(qū)間隧道設(shè)計軸線，建立信息化管片錯縫拼裝模型，如圖8所示。

圖8 區(qū)間拼裝模型

2.3 上傳平臺應(yīng)用

模型經(jīng)過完整性、準(zhǔn)確性、一致性檢查后，進行模型拆分、編碼、現(xiàn)場資料收集等工作，然后將模型上傳至BIM協(xié)同管理平臺，并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到平臺中，將現(xiàn)場資料與數(shù)據(jù)和模型進行關(guān)聯(lián)，并實時保持更新數(shù)據(jù)、模型、資料，直至數(shù)字化竣工交付以及運營階段BIM應(yīng)用準(zhǔn)備工作結(jié)束。如圖9所示。

圖9 BIM協(xié)同管理平臺展示

通過BIM協(xié)同管理平臺分階段進行模型搭建，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工以及收集本階段資料，為后期運營維護提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 應(yīng)用小結(jié)

基于BIM技術(shù)的參數(shù)化管片建模技術(shù)在太原地鐵2號線樣板區(qū)間工程施工中的應(yīng)用，為盾構(gòu)隧道施工信息化發(fā)展積累了經(jīng)驗。通過BIM技術(shù)的參數(shù)化建模，實現(xiàn)了快速精細化建模的要求，節(jié)約大量重復(fù)的工作時間，并致力于施工現(xiàn)場落地化應(yīng)用。利用BIM協(xié)同管理平臺，對盾構(gòu)施工實時報表數(shù)據(jù)進行了匯總，并將盾構(gòu)隧道通用管片BIM模型導(dǎo)入平臺，實現(xiàn)盾構(gòu)隧道施工信息化目標(biāo)。

3 結(jié)論與展望

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，通過建立隧道區(qū)間通用管片參數(shù)化建模流程，并對Revit軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)區(qū)間管片自動拼裝，極大提高了區(qū)間建模速度。在施工階段，收集數(shù)據(jù)、圖像、文本資料并上傳至BIM協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)施工階段的信息集成化管理，有利于運營期期數(shù)據(jù)的跟蹤及維護，有效提高項目信息化管理水平。通過太原地鐵2號線的樣板區(qū)間的應(yīng)用，驗證了參數(shù)化建模流程的可操作性，基于Revit二次開發(fā)的Dynamo插件的實用性。項目建模的工作得以高效及準(zhǔn)確地完成，提高了建模水平。

本項目研究尚有不足之處，仍需對隧道盾構(gòu)區(qū)間BIM+GIS應(yīng)用及在盾構(gòu)管片編碼應(yīng)用方面進一步鉆研，為方便后續(xù)項目運維過程資產(chǎn)管理的信息化及智能化提供幫助。