隧道工程信息模型参数化建模方法研究

董任翔

（黑龙江科技大学,黑龙江 哈尔滨 150022）

建筑信息模型BIM是在传统三维几何模型基础上构建面向工程项目全寿命周期的信息模型,并支持建设项目所有参与方对工程信息共享和项目全寿命管理[1,2],BIM概念最早由Chuck Eastman 在1975 年首先提出,现已成为建筑工程领域新兴的数字化项目管理方法。BIM因其三维可视化、信息化、模拟性、优化性等特点在隧道工程也具有重要应用价值,将BIM技术引入到隧道工程,设计阶段可实现三维模型展示、工程量统计、碰撞检查等；施工阶段可实现可视化技术交底、施工方案优化等；运营阶段可实现隧道养护数字化管理、应急快速处置等。目前,与建筑工程领域BIM广泛应用相比,隧道工程信息模型技术还处在起步阶段[3],存在较大差距和不足,如标准体系不健全、主流核心建模软件缺少隧道建模功能及构件族库等。BIM 技术应用过程中需要结构建模、结构分析、碰撞检测等不同软件相互协调,其中心位置是核心建模软件及参数化建模方法[1,2]。本文重点就隧道工程信息模型参数化建模方法进行研究。

1 隧道工程信息模型建模平台

目前,公路、铁路系统对于隧道工程信息化管理系统建模标准和建模平台无统一规定,上述主流BIM参数化建模软件均有成功应用案例。黄福杰等[4]针对如意坊沉管隧道采用Bentley 作为核心建模平台,利用OpenRoads Designer 进行地形、地质和路线设计,利用OpenBridge Modeler 进行沉管隧道结构建模,OpenBridge Modeler 可以直接利用OpenRoads Designer 的地形、线路等基础数据进行桥梁和隧道结构建模。万世付等[5]针对白城隧道采用Bentley 平台的Power Civil 建立地形模型,采用Micro Station 建立明洞、出口洞门、洞门配筋、管片钢筋网等构筑物模型,同时,利用Micro Station 自带的碰撞冲突检查功能进行碰撞检查,利用Navigator 模型审查和进度模拟功能进行工程进度模拟。秦海洋等[6]针对金鸡山隧道采用Catia 软件作为主要建模平台,提取目标区域的坐标和高程数据导入Catia 的DSE 模块,生成数据点包络面建立地形模型；将二维路线导入Catia 的GSD模块生成隧道三维路线,以路线为基准,创建锚杆、仰拱、钢拱架等隧道构件模型。李君君等[7]针对石鼓山铁路隧道采用Catia 进行隧道三维建模,建模时首先建立参数化草图,利用拉伸、偏移、阵列等三维建模功能建立三维实体模型,然后对实体模型附加属性、描述、参数设置、外部链接、数据库存储等信息。

就当前隧道工程信息模型应用案例的初步统计结果来看,应用最多的是Autodesk Revit 建模平台[1-3]。Bentley 费用较高导致大规模推广困难和数据交换有障碍。Archi cad 与Bentley 软件相似,具有较高行业专业性,普及较难。Revit 支持建立参数化对象,并可以在长度、角度等方面施加约束；同时Revit 具有强大的对象库,便于项目各参与方多用户操作；Revit 通过Revit API 或者IFC、DWF 等格式实现应用程序之间数据交换,Revit 还可以链接 Auto CAD、Civil 3D软件进行场地分析,链接Navisworks 用于碰撞检查和4D模拟。Revit 3D 几乎面向所有行业,普通隧道工程技术人员较容易掌握,普及程度相对较高,在隧道工程信息模型参数化建模方面具有较高的普适性[8]。

2 隧道工程信息模型建模方法

当前基于Revit 隧道工程信息模型的构建方法主要有：采用Civil 3D+Revit+Dynamo 等多软件协同参数化建模、Revit 二次开发以及开发专用辅助隧道参数化软件、基于隧道构件模型族库创建和组装等。

2.1 多软件协同隧道工程信息模型参数化建模

目前,隧洞工程领域信息模型参数化建模采用最多的是Civil 3D+Revit+Dynamo+Excel+Access 等多软件协同参数化建模。Civil3D 可实现隧道三维轴线坐标提取,可辅助Revit进行三维定位和曲面建模。Dynamo 是Autodesk 推出的可视化编程软件,设计师可以利用Dynamo 快速实现三维设计的工作流程、驱动模型参数和数据库。Dynamo 与Revit 结合,不仅能够拓展Revit 软件的功能,还可以在创建三维模型、挑战参数化异形结构设计、BIM 模型信息管理以及数据分析与处理上更加智能。实际工程中,当有些问题单纯靠Dynamo 自带的基本节点无法解决,可以使用Python Script节点编写代码,并通过 IronPython 调用.NET 库和Revit API 内的方法和属性来开发新的功能节点。基于Dynamo 可视化编程平台开发的参数化工具可实现快速自动参数化建模,极大地提高建模的效率和准确性,解决Revit 手工绘图的难点。这些软件协同建模因其相对高效的特点而成为目前隧道工程BIM参数化建模的主要建模方法,有大量成功应用案例。

多软件协同建模时,需要将二维CAD 底图导入civil3D,拾取CAD 底图创建隧道中心线在水平平面上的投影（平面线）,在平面线基础上绘制纵断面图,并设置纵断面图的样式、图层、标签集等信息,为中心线创建标签,在主桩号上贴道路标签,常用的标签样式有AeccTickLine、AeccTickCircle等。在Civil3D 中提取隧道三维轴线导出到Excel 表格,然后在Excel 中对数据编码、补充,形成包含序号、桩号、三维点坐标、围岩级别、衬砌类型等隧道平纵断面和地质及设计信息的完整Excel 数据库。根据该Excel 数据库,以Revit+Dynamo 交互式方法驱动参数化节点创建隧道二次衬砌、初期支护等模型,最后在Revit 中通过创建内建族的方法生成隧道内部开挖部分的土体和支护结构。

隧道二次衬砌等参数化建模则首先要建立坐标系,导入Autocad 底图或直接绘制隧道衬砌内轮廓,然后进行隧道三维轴线加载、衬砌内表面的放样及衬砌加厚。具体操作过程为：对Dynamo 中隧道三维轴线加载,将三维轴线文件载入Revit,再由select model element 和element.geomotry 节点选取三维轴线,对隧道断面内轮廓线通过扫略命令沿隧道空间轴线方向放样,生成隧道衬砌内表面,最后,运用Surface.thicken 命令加厚隧道衬砌内表面,实现二次衬砌模型创建。隧道的初期支护包括钢拱架、钢筋网、锚杆安装及混凝土喷射,其中锚杆、钢筋网等沿着隧道拱顶、拱腰弧面布置,且数量较多,手动布设难度大,普通的建模软件难以满足使用要求。选用Revit 和Dynamo 相结合的参数化方法构建隧道初期支护BIM 模型过程如图1 所示。

图1 二次衬砌模型建模过程

可见,即使采用多软件协同建模,隧道工程信息模型建模过程也流程多且繁琐,建模过程存在大量非参数化的建模方法,导致模型修改困难、复用性差等问题,且需要在多个软件之间交换数据,自动化程度低,对于普通隧道工程技术人员而言,熟悉和掌握难度大,不利于大范围普及。

2.2 Revit 二次开发

针对Revit 在隧道工程建模过程存在重复工作多、效率低等问题,一些BIM单位用户组织软件工程师对Revit API进行二次开发,Revit API 是Revit 提供给用户的应用程序接口,用户可以通过与.NET 兼容的编程语言（VB、C++、C#）结合Revit API 提供的函数方法对Revit 进行二次开发。Revit API 包含大量类库,设计人员可以在API 基础上对软件功能进行扩展和优化,开发针对特定构件库的快速建模插件,从而提高BIM建模准确率和建模效率。可见,这种针对隧道工程自身特点开发的专用软件在创建隧道信息化模型时非常方便和高效,具有隧道工程相关知识即可迅速创建隧道信息模型,该方法降低了隧道信息模型创建门槛,只要有隧道工程知识,就可以很快建立模型,便于BIM的大范围普及。但这种基于专用软件的方法对于BIM用户是非开放的,需要专业人员进行开发和维护,开发成本大,后续维护工作量大,软件修改和维护代价昂贵。

2.3 基于隧道工程构件族库

现有的BIM 技术应用于隧道工程存在隧道结构基本模型库缺失、参数化不足导致模型重复利用率低、数据标准缺失因而无法共享数据等问题,李晓军等将隧道结构构件划分为单元,并按照是否具备可复用性分为标准段与特殊段,分别就标准段与特殊段进行参数化,例如直线隧道单元衬砌模型采用放样方法建立,参数化信息包括材料、二衬厚度、单元长度等参数；曲线衬砌单元模型采用旋转方式建立,实现材料、曲线半径、衬砌厚度、单元长度、角度等参数的参数化；锚杆由锚头、杆体、钢垫板、螺母组成。主洞与人行横通道、车行横通道等交叉段参数化模型如图2 所示。

图2 交叉段参数化模型单元

这种将隧道结构划分为基本单元的参数化建模方法对于提高模型复用性比较有利,但是和revit 基于族图元参数化建模方法还有一定距离。下面重点了解Revit 基于族图元参数化建模思路及原理。

3 Revit 基于族图元参数化建模方法的特点

Revit 建模过程所使用的所有图元都是族图元,而族图元是经过合理的参数化设计创建的,所有的图元都是通过族（family）来创建的,族是几何体的基本模板,每个族能够在内部定义多种类型,每种类型可以具有不同形状、尺寸、材质等参数值,在项目中能够根据需要调整参数并将其实例化,创建BIM 模型的过程就是族在不断实例化族类型的过程,族是Revit 建筑建模的基础,创建族和完善族库是Revit 创建BIM项目的前提。

Revit 中包含三种族类型：系统族、标准族、内建族,在项目中创建的大多数图元都是系统族或可载入族。系统族可以创建基本建筑图元,如墙、屋顶、天花板、楼板、以及其他在施工场地装配的图元。能够影响项目环境且包含标高、轴网、图纸和视口类型的系统设置也是系统族。由于系统族是预定义的,因此它是3 种族中自定义内容最少的,但却包含更多的智能行为。在项目中创建的墙会自动调整大小,来容纳放置在其中的窗和门。在放置窗和门之前,无需为它们在墙上剪切洞口。

Revit 为用户提供了多种标准构件族,用户可以利用族编辑器对其修改,也可以利用Revit 提供的族样板创建新族。可载入族可以创建通常购买、提供和安装在建筑上的如窗、门、橱柜、设备、家具等。可载入族可以组合在一起来创建嵌套共享族。软件提供了许多样板（包括门、结构构件、窗、家具和照明设备的样板）,样板包含了许多开始创建族时所需的信息以及Revit Architecture 在项目中放置族时所需的信息。当开始创建族时,在族编辑器中打开要使用的样板,选择样板很重要,选择的样板不仅决定了要创建目标图元的类型,也决定了目标族图元和其他族图元接触时的行为方式,通过这种层层继承方式最大程度减少新创建族的自定义工作量和重复性工作,例如新族创建时的继承关系和参数定义如图3 所示。

图3 新族继承关系

在Revit 中,族是实现实例化单元的重要元素,Revit“族”的特性非常适合复用性较高的隧道构件单元管理,目前隧道工程不能利用Revit 系统族进行建模,一般采用公制常规模型族或体量族建模,族图元缺乏智能行为,由此造成隧道工程建模效率低和后期在视图管理、工程量统计和二维出图等方面的困难。

IFC(Industry Foundation Class)是用于定义建筑信息可扩展的统一数据格式,当前IFC 标准中不包含隧道领域的相关描述类,虽然理论上构建可载入族能实现不同项目相互调用,但实际不同隧道工程项目的差异性导致族构件难以直接引用,需要进行局部修改,而参数化标准的不一致导致一处变更处处变更,有关联的构件模型均需要改动,由此使得隧道工程BIM建模工作量巨大,且重复性工作居多,造成模型的创建、修改和再利用效率低下。

4 结论

本文就目前隧道工程信息模型参数化建模方法进行了分析和比较,结论如下：

4.1 Revit 3D 几乎面向所有行业,普通隧道工程技术人员上手快,容易掌握,在国内隧道工程行业普及程度高,在隧道工程信息模型参数化建模方面具有较高的普适性。

4.2 目前在隧道工程专业化参数化建模软件和平台缺失条件下,隧道工程信息模型参数化建模多采用基于Autocad平台多软件协同建模方法或二次开发,操作流程复杂,普通隧道工程技术人员熟悉和掌握存在一定困难,不利于大范围普及。

4.3 Revit“族”的特性非常适合复用性较高的隧道构件单元管理,目前隧道工程不能利用Revit 系统族进行建模,一般采用公制常规模型族或体量族建模,族图元缺乏智能行为。

4.4 IFC 标准中不包含隧道领域的相关描述类,应借鉴Revit 族基本架构形式对隧道工程族库基本架构、参数方法等统一标准,个人或普通企业BIM用户只需在基本族基础上通过继承方式进行扩展,从而提高隧道工程行业信息化水平建设效率和普及程度。