韓瑀萱，鄧 科，李 想，譚碧舸，馬春馳，李天斌

(1.四川蜀道新制式軌道集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610041; 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059; 3.四川都金山地軌道交通有限責(zé)任公司,四川阿壩藏族羌族自治州 623006)

引言

隨著“智能建設(shè)”建造理念的興起和計(jì)算機(jī)圖形軟件的更新迭代,交通工程的設(shè)計(jì)、施工與管理也從傳統(tǒng)的二維平面時(shí)代逐步越升至三維可視化時(shí)代。于是,建筑信息建模(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)[1]作為交通工程領(lǐng)域的新寵,逐步被引入到各項(xiàng)工程建設(shè)中,尤其是在隧道工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,目前已有不少研究成果[2]。由此可見(jiàn),BIM建模技術(shù)對(duì)隧道工程的發(fā)展具有重大工程應(yīng)用價(jià)值,值得進(jìn)一步探索與研究。

一般而言,隧道工程屬于線(xiàn)性工程,分布范圍較廣且體量大,且主流BIM建模軟件缺少隧道建模的專(zhuān)屬板塊,這就導(dǎo)致建筑工程BIM建模技術(shù)并不適合隧道工程建模[3-4]。為此,不少學(xué)者做了大量研究,龐思雨等[5]利用Micro Station CONNECT Edition軟件提出一種參數(shù)設(shè)置和參數(shù)化單元驅(qū)動(dòng)模型生成技術(shù),但其普適性較低。同時(shí),Micro Station軟件要求具有較高的行業(yè)專(zhuān)業(yè)性,通過(guò)二次開(kāi)發(fā)提升BIM參數(shù)化建模性能的難度較大[6]。與其相比,Autodesk Revit軟件內(nèi)置的Dynamo可視化建模插件,具有二次開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì),可有效提高Revit 的參數(shù)化建模能力。車(chē)冠宇等[7]對(duì)Revit建模軟件內(nèi)置插件Dynamo進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),建立隧道參數(shù)化模型構(gòu)建體系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道實(shí)體部分的精準(zhǔn)建模。朱永學(xué)等[8-9]采用Civil 3D與Revit相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)隧道的參數(shù)化建模,其中Civil 3D用于提取隧道三維軸線(xiàn)坐標(biāo),從而解決空間三維曲面建模的難題。然而,Civil 3D提取隧道三維曲線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜且費(fèi)時(shí),嚴(yán)重降低建模的效率。傅霆[10]在進(jìn)行隧道參數(shù)化建模研究中,利用Dynamo二次開(kāi)發(fā)的節(jié)點(diǎn),簡(jiǎn)便快捷地實(shí)現(xiàn)了隧道三維曲線(xiàn)的提取。上述研究在隧道參數(shù)化建模方面已經(jīng)做了大量研究,并取得較為豐富的成果。但是,均無(wú)法滿(mǎn)足“數(shù)字隧道”模型與數(shù)據(jù)之間、隧道模型與相應(yīng)的地質(zhì)模型之間實(shí)時(shí)交互的需求[11]。

為此,有學(xué)者提出BIM+GIS的概念[12-13],即隧道三維模型與地表模型相結(jié)合的理念。李雷烈等[14]總結(jié)了BIM+GIS技術(shù)的三維隧道建模基本框架,主要通過(guò)衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)等作為GIS的主要采集手段。然而,這些方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維全方位可視化和實(shí)踐工程應(yīng)用。另有學(xué)者提出一種更新的理念Geo-BIM技術(shù)(Geological-Building Information Modeling,Geo-BIM),即地表、地質(zhì)及建筑信息化模型,可將三維地質(zhì)體信息可視化模型和建筑信息模型結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)全方位可視化和信息完整性[15-16]。目前,均是通過(guò)Geobim 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能[17-18],而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)Geo-BIM技術(shù)發(fā)展尚處于起步階段,缺乏實(shí)際工程應(yīng)用。

綜上所述,目前對(duì)于山地軌道交通隧道工程的Geo-BIM高效建模研究還較少,且Geo-BIM技術(shù)尚處于發(fā)展起步階段,同時(shí)Geo-BIM模型之間的交互應(yīng)用方式,全方位可視化和實(shí)踐工程應(yīng)用鮮有研究。

因此,在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)Geo-BIM建模方法與應(yīng)用做了進(jìn)一步研究。提出一種山地軌道交通隧道Geo-BIM建模方法,基于Dynamo對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)交通工程線(xiàn)路擬合、參數(shù)化建模及批量屬性定義與寫(xiě)入完成隧道BIM模型,同時(shí)采用Earth Volumetric Studio軟件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“EVS”)完成隧道區(qū)域地質(zhì)體表達(dá),通過(guò)Cesium平臺(tái)最終將Web-GIS、隧道BIM與地質(zhì)模型交互,并實(shí)現(xiàn)對(duì)施家山隧道Geo-BIM模型表達(dá)。推動(dòng)Geo-BIM技術(shù)在復(fù)雜的山區(qū)交通建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用。

1 軟件平臺(tái)分析

目前用于BIM建模的軟件主要有Autodesk平臺(tái)的Revit軟件、Bentley平臺(tái)的MicroStation軟件、Dassault平臺(tái)的Catia 軟件以及Nemetschek-Graphisoft平臺(tái)的Archi CAD軟件,各類(lèi)軟件具有不同的特征,適用范圍也有所差異。

其中,MicroStation軟件的使用成本昂貴,由于其專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng),不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域需要切換工具,數(shù)據(jù)參數(shù)存在分析差異,使用過(guò)程中也不夠穩(wěn)定;Archi CAD 軟件與MicroStation軟件相似,具有較高的行業(yè)專(zhuān)業(yè)性,因此較難普及[19];Catia 軟件建模過(guò)程較為繁雜,需要參數(shù)控制每一個(gè)構(gòu)件的尺寸、位置,其使用和學(xué)習(xí)成本也較高[20]。同時(shí),以上3款軟件在二次開(kāi)發(fā)時(shí)的難度也較大,模型數(shù)據(jù)與其他軟件不易交互。相比之下,Autodesk平臺(tái)的Revit軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)Revit借助其內(nèi)置插件Dynamo,通過(guò)可視化編程,開(kāi)發(fā)的門(mén)檻更低,更容易被工程人員掌握[21],通過(guò)API創(chuàng)建功能模塊,Dynamo可以直接借助模塊編程,達(dá)到一勞永逸的效果。

(2)借與同平臺(tái)軟件AutoCAD的交互優(yōu)勢(shì),能直接且快速參考dwg格式的二維圖紙,并用于建模。

(3)學(xué)習(xí)和使用成本低,操作簡(jiǎn)單、兼容性強(qiáng),可與大多數(shù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2 基于Revit+Dynamo的參數(shù)化建模

選取Autodesk Revit軟件作為建立BIM模型的基礎(chǔ),同時(shí)采用其可視化編程插件Dynamo作為輔助工具。運(yùn)用python編程語(yǔ)言對(duì)Dynamo部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),以實(shí)現(xiàn)隧道三維曲線(xiàn)的擬合與自動(dòng)化組建BIM模型。

2.1 三維線(xiàn)路擬合

通常而言,隧道線(xiàn)路是一條處于空間中的曲線(xiàn),根據(jù)不同斷面以平曲線(xiàn)和豎曲線(xiàn)來(lái)表示。因此,本節(jié)提出一種以交點(diǎn)法和線(xiàn)元法計(jì)算統(tǒng)計(jì)平曲線(xiàn)線(xiàn)路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合最小二乘法對(duì)豎曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的三維線(xiàn)路擬合方法。

其中,交點(diǎn)法是利用路線(xiàn)的交點(diǎn)要素和緩和曲線(xiàn)要素來(lái)求得坐標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)平曲線(xiàn)線(xiàn)路的擬合。線(xiàn)元法是利用線(xiàn)路的起點(diǎn)坐標(biāo)、起終點(diǎn)樁號(hào)、方位角等節(jié)點(diǎn)元素來(lái)計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)直線(xiàn)、圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)等3種基本線(xiàn)性元素復(fù)雜組合的平曲線(xiàn)擬合。

最小二乘法曲線(xiàn)擬合過(guò)程是測(cè)量計(jì)算坐標(biāo)數(shù)據(jù)與擬合值的插值平方和達(dá)到最小為最佳擬合結(jié)果?；跍y(cè)量數(shù)據(jù)(xi,yi),i=0,1,2,…,m。采用最小二乘法解得x和y之間的函數(shù)關(guān)系f(x,A),使得測(cè)量數(shù)據(jù)中的值與函數(shù)所對(duì)應(yīng)的值逼近,擬合模型函數(shù)f(x,A)中的A=(a0,a1,…,an)為擬合參數(shù)。通過(guò)實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)值匹配參數(shù)A,使得ek=yi-f(xi,A)的加權(quán)平方和值最小,計(jì)算公式如下

(1)

(2)

式中,取權(quán)重w(xi)≥0以此反映數(shù)據(jù)所占比重。此種方法建立函數(shù)曲線(xiàn)關(guān)系稱(chēng)為最小二乘擬合曲線(xiàn),三維線(xiàn)路擬合方法的具體實(shí)施步驟如下。

(1)根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖紙中的《平曲線(xiàn)要素表》,獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)的類(lèi)型。

(2)通過(guò)Excel表平曲線(xiàn)要素表中的數(shù)據(jù),在Dynamo中調(diào)用相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算出平面坐標(biāo)。

(3)隨后將設(shè)計(jì)圖紙的《豎曲線(xiàn)要素表》中的變坡點(diǎn)里程、高程及豎曲線(xiàn)半徑統(tǒng)計(jì)于Excel表,調(diào)用Dynamo中的節(jié)點(diǎn),將豎曲線(xiàn)數(shù)據(jù)按照樁號(hào)插值對(duì)應(yīng)平曲線(xiàn)中,即完成三維曲線(xiàn)的初步擬合。

(4)最后,通過(guò)Dynamo節(jié)點(diǎn)將線(xiàn)路的里程樁號(hào)載入步驟(3)得到的三維曲線(xiàn)中,完成隧道線(xiàn)路的最終擬合。

擬合后的線(xiàn)路可直接在Revit軟件中用于隧道BIM建模。同時(shí),將文件保存為.DYN格式,在以后的三維線(xiàn)路擬合只需選擇創(chuàng)建數(shù)據(jù)源,修改起點(diǎn)和終點(diǎn)樁號(hào)即可再次創(chuàng)建。有效減少建模的步驟,提高了三維線(xiàn)路擬合的效率和精度。

2.2 隧道BIM參數(shù)化建模技術(shù)

一般而言,Revit族是一種參數(shù)化建模機(jī)制,由幾何元素、幾何約束和尺寸約束共同定義參數(shù)化輪廓。其核心是對(duì)模型的2D輪廓采用幾何約束和尺寸約束進(jìn)行參數(shù)化定義,并通過(guò)拉伸、放樣及融合等幾何構(gòu)造創(chuàng)建不同的三維模型。其中,幾何約束和幾何元素之間的位置有關(guān),尺寸約束與幾何元素的位置和大小有關(guān),尺寸約束可與族參數(shù)關(guān)聯(lián),這些參數(shù)可定義為靜態(tài)值或以代數(shù)方程與其他參數(shù)關(guān)聯(lián)[22]。

以隧道二襯結(jié)構(gòu)的輪廓為例,選其一半為分析對(duì)象,將各圓弧段半徑R、圓弧角度、圓心位置、構(gòu)件坡度、縱坡角度、長(zhǎng)度以及厚度等基本參數(shù)作為尺寸約束。建模時(shí),將這些尺寸約束定義為族參數(shù),并采用代數(shù)方程將各約束之間相互關(guān)聯(lián)。隨后,通過(guò)放樣建立襯砌結(jié)構(gòu)的族模型,可對(duì)其更改相應(yīng)的族參數(shù)改變模型長(zhǎng)度、大小及角度,如圖1所示。

圖1 參數(shù)化建模步驟

2.3 參數(shù)化自動(dòng)組建BIM模型

參數(shù)化構(gòu)建族模型只能通過(guò)修改幾何參數(shù)以達(dá)到快速創(chuàng)建多種不同尺寸、形態(tài)族構(gòu)件的目的。想要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模減輕建模工作量,關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化構(gòu)建族的自動(dòng)拼接。

基于前述擬合隧道三維線(xiàn)路的方法,對(duì)Dynamo節(jié)點(diǎn)包進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)構(gòu)建族在三維線(xiàn)路上的自動(dòng)拼接,其主要實(shí)施步驟如下。

(1)將建立好的參數(shù)化構(gòu)件族載入BIM建模項(xiàng)目中,根據(jù)項(xiàng)目資料統(tǒng)計(jì)各構(gòu)件的類(lèi)型及基本參數(shù)后,調(diào)整構(gòu)件族參數(shù)生成不同類(lèi)型的構(gòu)建族,并將族文件統(tǒng)一命名格式。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)資料,采用Excel表格統(tǒng)計(jì)各構(gòu)件族的樁號(hào)參數(shù)、基本參數(shù)及構(gòu)件族類(lèi)型。

(3)采用編制好的Dynamo文件讀取Excel表格數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)樁號(hào)與族文件對(duì)應(yīng)關(guān)系函數(shù)調(diào)用寫(xiě)入屬性?xún)?nèi)容的族模型,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件形狀、角度的調(diào)整,按照線(xiàn)路和樁號(hào)數(shù)據(jù)放置、組建成一個(gè)完整的隧道。

下文將在應(yīng)用實(shí)例中,詳細(xì)展示上述實(shí)施步驟。

3 地質(zhì)體建模

采用可視化地質(zhì)建模軟件EVS(Earth Volumetric Studio,EVS)對(duì)隧道的地質(zhì)體進(jìn)行三維建模。EVS是基于鉆孔數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和多種空間插值算法,點(diǎn)選、拖曳建模功能模塊,以流程線(xiàn)連接建成三維地質(zhì)體模型。EVS建成的三維地質(zhì)模型既能表達(dá)地質(zhì)對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何結(jié)構(gòu)還具備多種源數(shù)據(jù)的屬性寫(xiě)入、共享功能。

3.1 地層建模

對(duì)EVS件綜合考量后,本節(jié)采用基于克里金插值法的地層層序法來(lái)實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)體的建模。地層層序法適用于地層層序劃分清晰明確、鉆孔數(shù)據(jù)分布均勻、數(shù)據(jù)量較多的情況。根據(jù)鉆孔層序和地層分界位置創(chuàng)建出平滑界面地層,通過(guò)克里金插值法填充未探明區(qū)域。EVS軟件中提供的地層建模功能主要由krig_3d_geology和3d_geology_map兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn),其中krig_3d_geology模塊主要負(fù)責(zé)將離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)利用克里金插值法來(lái)建立地層層面模型?？死锝鸩逯捣ㄕJ(rèn)定地質(zhì)空間有不規(guī)律連續(xù)變化的特性,因此,采用EVS中的krig_3d_geology模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)地層的建模[23]。

如圖2所示,地層模型的具體建立步驟如下。

圖2 地層建模流程

(1)首先通過(guò)插值法建立地層層面的網(wǎng)格模型,待估點(diǎn)位于自定義的X、Y平面上二維網(wǎng)格中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。

(2)通過(guò)克里金插值法計(jì)算出不同層面在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的高程值,處理鉆孔數(shù)據(jù)并劃分地層層序。

(3)將劃分后的地層層序數(shù)據(jù)傳入至3d_geology_map模塊,根據(jù)自定義的Z方向精度由輸入的地質(zhì)界面來(lái)生成實(shí)體地層。

(4)最后將數(shù)據(jù)傳至下游模塊以實(shí)現(xiàn)地層模型的三維展示、剖切、空間分析。

3.2 巖性建模

巖性建模適用于鉆孔地層分布復(fù)雜,巖性交錯(cuò)出現(xiàn)無(wú)法清晰劃分地層的情況。巖性建模無(wú)需建模人員對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分層,采用原始鉆孔數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模。根據(jù)鉆孔中巖性分布以地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理推算出地質(zhì)體中含有巖性的分布概率,從而建成三維地質(zhì)體模型。

巖性建模主要是由indicator_geology模塊實(shí)現(xiàn),該模塊提供了2種插值方法,一是基于最近鄰插值法的快速建模功能,二是基于指示克里金插值法的嚴(yán)格概率方法的巖性建模。本節(jié)采用指示克里金插值法來(lái)實(shí)現(xiàn)巖性建模,巖性建模的具體建立步驟如下(圖3)。

圖3 巖性建模流程

(1)向EVS中導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)地表DEM規(guī)定插值的范圍。

(3)建立需要分析區(qū)域的三維實(shí)體網(wǎng)格。

(4)利用指示克里金法計(jì)算不同巖性在每個(gè)網(wǎng)格所代表的空間區(qū)域中出現(xiàn)的概率,并將出現(xiàn)概率最高的巖性賦予網(wǎng)格。

通過(guò)以上兩種基本建模方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)山區(qū)三維地質(zhì)體的建模,從而表達(dá)山區(qū)地表以下的地質(zhì)情況,對(duì)隧道BIM模型周邊圍巖進(jìn)行全方位展示并傳遞數(shù)據(jù)和信息。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

本文將前述研究?jī)?nèi)容應(yīng)用于都江堰至四姑娘山山地軌道交通工程的施家山隧道,項(xiàng)目位于成都市都江堰市龍池鎮(zhèn)虹口鄉(xiāng)。本隧道按照最高行車(chē)速度120 km/h電氣化(接觸軌供電)山地軌道交通雙線(xiàn)隧道設(shè)計(jì)。起止里程為DK11+045～DK15+528,隧道全長(zhǎng)4 483 m,為單洞雙線(xiàn)隧道,施家山隧道全線(xiàn)線(xiàn)路位置如圖4所示。全線(xiàn)隧道圍巖級(jí)別以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主,其中,Ⅳ級(jí)圍巖占比31.85%,Ⅴ級(jí)圍巖占比68.15%,隧道內(nèi)襯砌設(shè)計(jì)采用Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa、Ⅴb和Vc 5種類(lèi)型。

圖4 都四線(xiàn)全線(xiàn)線(xiàn)路及施家山隧道位置示意

4.2 施家山隧道BIM建模

4.2.1 隧道線(xiàn)路擬合

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,采用交點(diǎn)法擬合隧道樁號(hào)范圍內(nèi)的平曲線(xiàn),數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。同時(shí),在設(shè)計(jì)文件的豎曲線(xiàn)表格中獲取隧道樁號(hào)范圍內(nèi)的變坡點(diǎn)里程、變坡點(diǎn)高程、豎曲線(xiàn)圓弧半徑等數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。用最小二乘法插值平曲線(xiàn)擬合出真實(shí)的施家山隧道三維線(xiàn)路,并設(shè)置樁號(hào)屬性。

表1 施家山隧道平曲線(xiàn)數(shù)據(jù)

表2 施家山隧道豎曲線(xiàn)數(shù)據(jù)

采用前文所述三維線(xiàn)路擬合方法,將Excel數(shù)據(jù)表格直接導(dǎo)入編寫(xiě)好的Dynamo文件中,修改平曲線(xiàn)中交點(diǎn)起止樁號(hào)即可自動(dòng)生成施家山三維線(xiàn)路,如圖5所示。

4.2.2 建立隧道構(gòu)件族及屬性定義

施家山隧道主要有Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)兩種圍巖,復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的類(lèi)型有5種,若對(duì)每種類(lèi)型單獨(dú)建模,勢(shì)必增大時(shí)間和費(fèi)用成本;而參數(shù)化模型可重復(fù)使用,顯著提高建模效率,因此使用參數(shù)化建模十分必要。本文主要針對(duì)施家山隧道的初期支護(hù)、錨桿、鋼拱架以及二次襯砌等構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模,而對(duì)于隧道中其他無(wú)變化模型采用手動(dòng)拾取靜態(tài)輪廓的方式建模。

施家山隧道的二次襯砌內(nèi)、外輪廓主要由五心圓畫(huà)弧相切組成,采用BIM參數(shù)化建模技術(shù)將內(nèi)外輪廓各圓弧的半徑、構(gòu)件坡度、縱坡角度及構(gòu)件長(zhǎng)度作為主要調(diào)節(jié)參數(shù),以此實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)不同參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成不同的構(gòu)件族,如圖6所示。

圖6 施家山隧道二襯參數(shù)化建族

對(duì)于初期支護(hù)、錨桿、鋼拱架等構(gòu)件,按照同樣的方式,分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的主要調(diào)節(jié)參數(shù),見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 施家山隧道初期支護(hù)參數(shù)化建族

圖8 施家山隧道錨桿參數(shù)化建族

圖9 施家山隧道鋼拱架參數(shù)化建模

隧道內(nèi)側(cè)溝、排水溝、軌道、軌枕、道砟等內(nèi)部常規(guī)構(gòu)筑物并無(wú)尺寸及結(jié)構(gòu)變化,附屬結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的幾何參數(shù)特征,不具備通用性和二次利用價(jià)值。故采用手動(dòng)拾取靜態(tài)輪廓的方式,將上述構(gòu)筑物作為整體建立族構(gòu)件,通過(guò)圖紙直接放樣即可完成,如圖10所示。同樣地,采用BIM參數(shù)化建模技術(shù),將施家山隧道BIM模型族構(gòu)件通過(guò)Dynamo編程進(jìn)行快速、批量的定義每一個(gè)構(gòu)件族屬性,實(shí)現(xiàn)過(guò)程和結(jié)果如圖11所示。

圖10 施家山隧道靜態(tài)輪廓族

圖11 批量定義隧道BIM族屬性

4.2.3 參數(shù)化組建隧道模型

根據(jù)施家山隧道施工設(shè)計(jì)圖,采用Excel表格作為數(shù)據(jù)庫(kù),統(tǒng)計(jì)隧道各類(lèi)型構(gòu)件族所對(duì)應(yīng)的里程樁號(hào)、基本參數(shù)以及屬性資料等信息。同時(shí),更新參數(shù)化構(gòu)件族的信息,同樣是需要建立相應(yīng)的Excel數(shù)據(jù)庫(kù)。

以施家山隧道全線(xiàn)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建為例,詳述整個(gè)建模的流程。施家山隧道總共4 483 m,沿線(xiàn)襯砌類(lèi)型變化26次且各段襯砌長(zhǎng)度不一,在Excel表中控制參數(shù)化族放樣的長(zhǎng)度設(shè)置為1 m,即將4 483個(gè)初期支護(hù)按照線(xiàn)路走向和樁號(hào)在程序中完成組裝。利用Dynamo與Excel可進(jìn)行交互的優(yōu)勢(shì),通過(guò)Dynamo節(jié)點(diǎn)模塊將Excel表格中所有統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入并按照構(gòu)件屬性類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)陣列,如圖12所示。

圖12 參數(shù)化組建構(gòu)件族

通過(guò)樁號(hào)與族文件對(duì)應(yīng)關(guān)系函數(shù),調(diào)用寫(xiě)入屬性?xún)?nèi)容的族模型,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件形狀、角度調(diào)整,按照線(xiàn)路和樁號(hào)數(shù)據(jù)放置,從而完成隧道三維模型創(chuàng)建和屬性寫(xiě)入,最終得到施家山隧道BIM模型,見(jiàn)圖13、圖14,并將模型輸出為IFC格式。

圖13 施家山隧道BIM模型

圖14 隧道BIM部分支護(hù)構(gòu)件及屬性展示

4.3 施家山隧道地質(zhì)體建模

首先,利用Infraworks軟件鏈接Open street Map地圖,以施家山隧道經(jīng)緯坐標(biāo)為參考下載該地區(qū)數(shù)字地表模型、地面圖像、區(qū)域內(nèi)矢量路網(wǎng)水域及城鎮(zhèn)規(guī)劃,并完成地表模型插值重構(gòu),地表模型見(jiàn)圖15。

圖15 施家山隧道地表模型

結(jié)合地層建模方法,在施家山隧道項(xiàng)目中,通過(guò)實(shí)地勘測(cè)鉆孔獲取鉆孔數(shù)據(jù),人為劃分地層層序,并結(jié)合施家山隧道縱剖面圖,在EVS軟件中進(jìn)行三維地質(zhì)體建模,如圖16所示。

圖16 施家山三維地質(zhì)體模型

4.4 施家山隧道Geo-BIM模型展示及應(yīng)用

以團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“隧道工程多元信息集成與三維可視化子系統(tǒng)”為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)施家山隧道的Geo-BIM模型展示及應(yīng)用。

該系統(tǒng)是基于Cesium框架實(shí)現(xiàn)隧道BIM模型、地質(zhì)模型與Web-GIS的集成,并針對(duì)隧道工程研究虛擬場(chǎng)景與地下空間瀏覽等功能,構(gòu)建起隧道工程基礎(chǔ)的可視化平臺(tái)。該平臺(tái)可全方位展示隧道結(jié)構(gòu)、隧道建設(shè)區(qū)域地表和隧道穿越區(qū)域的地下情況。

將施家山隧道BIM模型、三維地表模型以及地質(zhì)體模型,通過(guò)Cesium軟件轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入至平臺(tái),交互形成Geo-BIM模型。施家山隧道Geo-BIM模型在Web平臺(tái)中可視化展示,如圖17所示。

圖17 施家山隧道Geo-BIM整體模型

在系統(tǒng)中可對(duì)施家山隧道Geo-BIM模型實(shí)施的應(yīng)用功能如下。

(1)在Cesium平臺(tái)中導(dǎo)入工程所在地的交通工點(diǎn)KML矢量線(xiàn)路,在地表模型中可通過(guò)漫游的方式查閱工點(diǎn)線(xiàn)路穿越區(qū)域的地表情況,立體呈現(xiàn)工點(diǎn)周?chē)淖匀画h(huán)境和人文環(huán)境,如圖18所示。

圖18 施家山隧道區(qū)域地表模型

(2)可直接點(diǎn)選隧道模型中每一個(gè)構(gòu)件,通過(guò)右側(cè)窗口以圖、文形式展示該結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的相關(guān)屬性,以剖切方式查看隧道內(nèi)部和隱蔽工程,能夠全面、直觀地查看隧道,如圖19所示。

圖19 施家山隧道族模型及屬性

(3)可直接反映區(qū)域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、隧道內(nèi)圍巖及掌子面信息,達(dá)到透視“地下”的效果。輔助隧道設(shè)計(jì)、施工和信息管理,如圖20所示。

圖20 施家山隧道工點(diǎn)地質(zhì)體及屬性

綜合而言,Geo-BIM模型可以實(shí)現(xiàn)隧道、地表及隧道穿越區(qū)域可視化,借助云端實(shí)現(xiàn)自身屬性表達(dá)和非幾何信息共享,對(duì)隧道工程做到全壽命周期信息管理。

5 結(jié)論

基于Revit內(nèi)置Dynamo插件二次開(kāi)發(fā)可有效解決目前隧道BIM建模中的問(wèn)題,結(jié)合EVS軟件可真實(shí)反映出隧道建設(shè)的真實(shí)環(huán)境狀況,在隧道工程管理與建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值,主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)基于Revit內(nèi)置Dynamo插件二次開(kāi)發(fā)的參數(shù)化建模方法,建立隧道BIM建模的標(biāo)準(zhǔn)流程,有效解決線(xiàn)路偏差大、構(gòu)件復(fù)雜繁多和屬性添加效率低等問(wèn)題。

(2)建立基于EVS軟件地層建模和巖性建模的實(shí)現(xiàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)流程,實(shí)現(xiàn)山地軌道交通隧道地質(zhì)體的可視化。

(3)基于Cesium框架為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了施家山隧道的BIM模型、地質(zhì)模型與Web-GIS的集成,實(shí)現(xiàn)三維可視化模型與數(shù)據(jù)信息之間交互式展示,取得良好的應(yīng)用效果,可為類(lèi)似工程開(kāi)展BIM應(yīng)用研究提供借鑒和參考。

致謝：

特別感謝蜀道投資集團(tuán)有限責(zé)任公司對(duì)本文研究項(xiàng)目的支持,所提供的都四線(xiàn)軌道交通工程項(xiàng)目資料,促成本文研究成果的實(shí)際應(yīng)用。