基于Autodesk Civil 3D建立隧道参数化BIM模型的探索

文/中交第二航务工程勘察设计院有限公司 曾庆桓 戴琪

本文讲解了利用Autodesk Civil 3D部件编辑器（Subassembly Composer）能够完美拟合路线平、纵、横断面的隧道部件，快速建立隧道模型。部件编辑器是自带的可视化编程插件，功能强大，操作简单。编程人员可以将几何元素拖拽至流程中，通过数学公式赋予几何元素逻辑，形成相应横断面的轮廓，完成部件的编译工作。

BIM技术应用背景

BIM技术作为近年新兴的设计方式，在建筑领域推广较为成功。大部分商业综合体、居民住宅楼、医院、大型车站都可以通过BIM技术完成各专业项目的正向设计，并且在BIM模型上开展碰撞检查、施工模拟、提取工程量等工作。建设单位利用基于BIM技术的管控平台，还可实现对整个建设项目集“建、管、养”于一体的全生命周期管理，不仅可以有效地管理投资和成本，更可降低工程中的损耗，控制施工中的风险。但在公路领域，BIM技术的推广应用尚处于初级阶段。作为公路工程中的重要组成部分，隧道的设计与建设也越来越多地使用了BIM技术。目前，建立隧道BIM模型的主要方式是用主流BIM建模软件Revit沿着道路中心线放样，建立隧道模型。然而，该方式无法建立平、纵、横断面同时变化的隧道，且无法满足隧道的加宽超高变化，而且如果隧道中心线有缓和曲线，路线中心线则无法很好地在Revit中拟合。而公路BIM主流软件Autodesk Civil 3D自带的样式选项版（类似于横断面库）中没有隧道的断面样式。所以，探索有效的隧道BIM建模方式意义重大。

隧道BIM模型建立原理

隧道BIM建模原理

隧道BIM模型是隧道横断面沿着路线中心线放样生成的。隧道结构的横断面随桩号的变化而动态变化。建立隧道BIM模型的前提，就是隧道部件能够自适应隧道设计线的平纵横线型变化。因此，隧道部件的参数化设计是快速建立隧道BIM模型的基础。

隧道BIM模型建立的过程

建立准确的隧道模型，需要将路线的二维信息，转化成三维路线：利用Autodesk Civil 3D自带的路线平面、纵断面功能，可以快速生成路线的三维中心线。然后利用编制好的隧道部件，沿着三维中心线“装配”（类似于“放样”），就可以生成准确隧道的BIM模型。隧道部件不仅是沿着道路中心线“装配”，还要能自动识别道路加宽和平曲线，并生成相应的超高横坡。

隧道部件的编制

隧道部件的编制流程

划分结构断面 根据隧道横断面，确定隧道由几部分（衬砌、路面等）组成的，各组成部分的参数需要单独列入一个流程图（FlowChart），目的是让隧道部件的流程图更加简约明了。

定义结构参数 部件编辑器中，参数（Input/Output Parameters）是定义结构尺寸的重要部分，用参数来定义隧道结构的尺寸名称，如行车道宽度、顶拱半径等。定义参数是隧道部件参数化的重要部分，隧道结构的参数定义如图1所示。

图1 结构尺寸的参数

构建几何图形 在部件编辑器中，所有结构部件都是由点（Point）、线（Link）组成的，点、线包括辅助点（Auxiliary Point）和辅助线（Auxiliary Link）功能，辅助点和辅助线仅提供辅助定位功能，并不在最终图元中显示。

结构轮廓的构成，实际上是由各个元素“点”从原点（Origin）开始，通过计算公式来关联各元素而成。计算公式主要为“Delta X and Delta Y”，计算出各点元素相对于原点Delta X和Delta Y的值，以确定它们的坐标。各点坐标定位完成后，再用Link功能，连接各点元素（From Point to Point）勾勒成结构轮廓（见图2）。

图2 横断面几何图形构筑流程

目标判断 隧道部件的关键点，是能够识别路线加宽的部分，并且根据相应的路宽而进行变化。在部件编辑器的目标属性（Target Parameters）中，添加一个宽度目标（offset），可以让道路边线根据目标宽度来“装配”；然后勾选ApplyAOR选项，部件就可以自动识别在路线设计中给定的超高。

导入部件 完成隧道部件编辑的工作后，将隧道部件保存成Civil 3D可以读取的pkt格式文件，并将该文件所带的部件添加进部件库；添加完成后，直接调用该部件，部件断面和参数如图3所示。

图3 隧道部件导入Autodesk Civil 3D

工程应用

本文以甘肃定西至临洮高速公路工程项目为例，演示隧道部件的BIM建模方法。

Autodesk Civil 3D诸多的模块中，路线设计功能相当强大，其设计思路和方式都跟国内主流的路线设计软件（如纬地、EICAD）一致。根据测量单位提供的实际地形图、路线走向，配好竖曲线，在路线超高部分，给定平曲线半径的超高值，然后加载隧道断面。

以该项目的豹子沟隧道为例，豹子沟隧道为分离式隧道，共有两条，采用隧道部件放样生成模型，如图4所示。

图4 隧道部件延路线中线生成模型

根据自带的横断面查询功能，可以准确地查询每个桩号的横断面信息，包括设计中线的高程、道路边线、人行道的高程，等等。从横断面视图中可以看到，平曲线段的超高横坡段也同时生成（见图5）。

图5 指定桩号的横断面视图

结论

不仅是公路领域，在水利、水运等其他领域，各专业都可以使用部件编辑器来创建复杂结构的断面，从而满足建模需求。通过部件编辑器创建的部件具有重复利用性高、修改速度快等特点，部件编辑器的参数功能，为创建复杂的横断面提供了方法，而部件编辑器的简易编程截面，也为工程师提供了一个全新的建模思路。