山地轨道交通隧道Geo-BIM建模方法与应用研究

韩瑀萱，邓 科，李 想，谭碧舸，马春驰，李天斌

(1.四川蜀道新制式轨道集团有限责任公司,成都 610041; 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059; 3.四川都金山地轨道交通有限责任公司,四川阿坝藏族羌族自治州 623006)

引言

随着“智能建设”建造理念的兴起和计算机图形软件的更新迭代,交通工程的设计、施工与管理也从传统的二维平面时代逐步越升至三维可视化时代。于是,建筑信息建模(Building Information Modeling,BIM)技术[1]作为交通工程领域的新宠,逐步被引入到各项工程建设中,尤其是在隧道工程领域得到了越来越多的应用,目前已有不少研究成果[2]。由此可见,BIM建模技术对隧道工程的发展具有重大工程应用价值,值得进一步探索与研究。

一般而言,隧道工程属于线性工程,分布范围较广且体量大,且主流BIM建模软件缺少隧道建模的专属板块,这就导致建筑工程BIM建模技术并不适合隧道工程建模[3-4]。为此,不少学者做了大量研究,庞思雨等[5]利用Micro Station CONNECT Edition软件提出一种参数设置和参数化单元驱动模型生成技术,但其普适性较低。同时,Micro Station软件要求具有较高的行业专业性,通过二次开发提升BIM参数化建模性能的难度较大[6]。与其相比,Autodesk Revit软件内置的Dynamo可视化建模插件,具有二次开发的优势,可有效提高Revit 的参数化建模能力。车冠宇等[7]对Revit建模软件内置插件Dynamo进行二次开发,建立隧道参数化模型构建体系,实现了对隧道实体部分的精准建模。朱永学等[8-9]采用Civil 3D与Revit相结合的方法实现隧道的参数化建模,其中Civil 3D用于提取隧道三维轴线坐标,从而解决空间三维曲面建模的难题。然而,Civil 3D提取隧道三维曲线的实现方式复杂且费时,严重降低建模的效率。傅霆[10]在进行隧道参数化建模研究中,利用Dynamo二次开发的节点,简便快捷地实现了隧道三维曲线的提取。上述研究在隧道参数化建模方面已经做了大量研究,并取得较为丰富的成果。但是,均无法满足“数字隧道”模型与数据之间、隧道模型与相应的地质模型之间实时交互的需求[11]。

为此,有学者提出BIM+GIS的概念[12-13],即隧道三维模型与地表模型相结合的理念。李雷烈等[14]总结了BIM+GIS技术的三维隧道建模基本框架,主要通过卫星遥感、无人机倾斜摄影、激光雷达等作为GIS的主要采集手段。然而,这些方法都无法实现三维全方位可视化和实践工程应用。另有学者提出一种更新的理念Geo-BIM技术(Geological-Building Information Modeling,Geo-BIM),即地表、地质及建筑信息化模型,可将三维地质体信息可视化模型和建筑信息模型结合起来,实现全方位可视化和信息完整性[15-16]。目前,均是通过Geobim 软件来实现该功能[17-18],而现在国内Geo-BIM技术发展尚处于起步阶段,缺乏实际工程应用。

综上所述,目前对于山地轨道交通隧道工程的Geo-BIM高效建模研究还较少,且Geo-BIM技术尚处于发展起步阶段,同时Geo-BIM模型之间的交互应用方式,全方位可视化和实践工程应用鲜有研究。

因此,在前人研究的基础上,对Geo-BIM建模方法与应用做了进一步研究。提出一种山地轨道交通隧道Geo-BIM建模方法,基于Dynamo对Revit进行二次开发,实现交通工程线路拟合、参数化建模及批量属性定义与写入完成隧道BIM模型,同时采用Earth Volumetric Studio软件(以下简称“EVS”)完成隧道区域地质体表达,通过Cesium平台最终将Web-GIS、隧道BIM与地质模型交互,并实现对施家山隧道Geo-BIM模型表达。推动Geo-BIM技术在复杂的山区交通建设项目应用。

1 软件平台分析

目前用于BIM建模的软件主要有Autodesk平台的Revit软件、Bentley平台的MicroStation软件、Dassault平台的Catia 软件以及Nemetschek-Graphisoft平台的Archi CAD软件,各类软件具有不同的特征,适用范围也有所差异。

其中,MicroStation软件的使用成本昂贵,由于其专业性较强,不同专业领域需要切换工具,数据参数存在分析差异,使用过程中也不够稳定;Archi CAD 软件与MicroStation软件相似,具有较高的行业专业性,因此较难普及[19];Catia 软件建模过程较为繁杂,需要参数控制每一个构件的尺寸、位置,其使用和学习成本也较高[20]。同时,以上3款软件在二次开发时的难度也较大,模型数据与其他软件不易交互。相比之下,Autodesk平台的Revit软件具有以下优点。

(1)Revit借助其内置插件Dynamo,通过可视化编程,开发的门槛更低,更容易被工程人员掌握[21],通过API创建功能模块,Dynamo可以直接借助模块编程,达到一劳永逸的效果。

(2)借与同平台软件AutoCAD的交互优势,能直接且快速参考dwg格式的二维图纸,并用于建模。

(3)学习和使用成本低,操作简单、兼容性强,可与大多数软件进行数据交互。

2 基于Revit+Dynamo的参数化建模

选取Autodesk Revit软件作为建立BIM模型的基础,同时采用其可视化编程插件Dynamo作为辅助工具。运用python编程语言对Dynamo部分节点进行二次开发,以实现隧道三维曲线的拟合与自动化组建BIM模型。

2.1 三维线路拟合

通常而言,隧道线路是一条处于空间中的曲线,根据不同断面以平曲线和竖曲线来表示。因此,本节提出一种以交点法和线元法计算统计平曲线线路数据为基础,结合最小二乘法对竖曲线数据进行插值的三维线路拟合方法。

其中,交点法是利用路线的交点要素和缓和曲线要素来求得坐标,从而实现平曲线线路的拟合。线元法是利用线路的起点坐标、起终点桩号、方位角等节点元素来计算出相应点的坐标,以此实现对直线、圆曲线、缓和曲线等3种基本线性元素复杂组合的平曲线拟合。

最小二乘法曲线拟合过程是测量计算坐标数据与拟合值的插值平方和达到最小为最佳拟合结果。基于测量数据(xi,yi),i=0,1,2,…,m。采用最小二乘法解得x和y之间的函数关系f(x,A),使得测量数据中的值与函数所对应的值逼近,拟合模型函数f(x,A)中的A=(a0,a1,…,an)为拟合参数。通过实测坐标数据与拟合函数值匹配参数A,使得ek=yi-f(xi,A)的加权平方和值最小,计算公式如下

(1)

(2)

式中,取权重w(xi)≥0以此反映数据所占比重。此种方法建立函数曲线关系称为最小二乘拟合曲线,三维线路拟合方法的具体实施步骤如下。

(1)根据隧道设计图纸中的《平曲线要素表》,获取相应的数据并判断数据的类型。

(2)通过Excel表平曲线要素表中的数据,在Dynamo中调用相应的节点计算出平面坐标。

(3)随后将设计图纸的《竖曲线要素表》中的变坡点里程、高程及竖曲线半径统计于Excel表,调用Dynamo中的节点,将竖曲线数据按照桩号插值对应平曲线中,即完成三维曲线的初步拟合。

(4)最后,通过Dynamo节点将线路的里程桩号载入步骤(3)得到的三维曲线中,完成隧道线路的最终拟合。

拟合后的线路可直接在Revit软件中用于隧道BIM建模。同时,将文件保存为.DYN格式,在以后的三维线路拟合只需选择创建数据源,修改起点和终点桩号即可再次创建。有效减少建模的步骤,提高了三维线路拟合的效率和精度。

2.2 隧道BIM参数化建模技术

一般而言,Revit族是一种参数化建模机制,由几何元素、几何约束和尺寸约束共同定义参数化轮廓。其核心是对模型的2D轮廓采用几何约束和尺寸约束进行参数化定义,并通过拉伸、放样及融合等几何构造创建不同的三维模型。其中,几何约束和几何元素之间的位置有关,尺寸约束与几何元素的位置和大小有关,尺寸约束可与族参数关联,这些参数可定义为静态值或以代数方程与其他参数关联[22]。

以隧道二衬结构的轮廓为例,选其一半为分析对象,将各圆弧段半径R、圆弧角度、圆心位置、构件坡度、纵坡角度、长度以及厚度等基本参数作为尺寸约束。建模时,将这些尺寸约束定义为族参数,并采用代数方程将各约束之间相互关联。随后,通过放样建立衬砌结构的族模型,可对其更改相应的族参数改变模型长度、大小及角度,如图1所示。

图1 参数化建模步骤

2.3 参数化自动组建BIM模型

参数化构建族模型只能通过修改几何参数以达到快速创建多种不同尺寸、形态族构件的目的。想要实现参数化建模减轻建模工作量,关键在于实现参数化构建族的自动拼接。

基于前述拟合隧道三维线路的方法,对Dynamo节点包进行二次开发,实现构建族在三维线路上的自动拼接,其主要实施步骤如下。

(1)将建立好的参数化构件族载入BIM建模项目中,根据项目资料统计各构件的类型及基本参数后,调整构件族参数生成不同类型的构建族,并将族文件统一命名格式。

(2)根据设计资料,采用Excel表格统计各构件族的桩号参数、基本参数及构件族类型。

(3)采用编制好的Dynamo文件读取Excel表格数据库,通过桩号与族文件对应关系函数调用写入属性内容的族模型,实现构件形状、角度的调整,按照线路和桩号数据放置、组建成一个完整的隧道。

下文将在应用实例中,详细展示上述实施步骤。

3 地质体建模

采用可视化地质建模软件EVS(Earth Volumetric Studio,EVS)对隧道的地质体进行三维建模。EVS是基于钻孔数据驱动和多种空间插值算法,点选、拖曳建模功能模块,以流程线连接建成三维地质体模型。EVS建成的三维地质模型既能表达地质对象的拓扑结构、几何结构还具备多种源数据的属性写入、共享功能。

3.1 地层建模

对EVS件综合考量后,本节采用基于克里金插值法的地层层序法来实现三维地质体的建模。地层层序法适用于地层层序划分清晰明确、钻孔数据分布均匀、数据量较多的情况。根据钻孔层序和地层分界位置创建出平滑界面地层,通过克里金插值法填充未探明区域。EVS软件中提供的地层建模功能主要由krig_3d_geology和3d_geology_map两个模块实现,其中krig_3d_geology模块主要负责将离散的点数据利用克里金插值法来建立地层层面模型。克里金插值法认定地质空间有不规律连续变化的特性,因此,采用EVS中的krig_3d_geology模块来实现地层的建模[23]。

如图2所示,地层模型的具体建立步骤如下。

图2 地层建模流程

(1)首先通过插值法建立地层层面的网格模型,待估点位于自定义的X、Y平面上二维网格中的网格节点上。

(2)通过克里金插值法计算出不同层面在网格节点处的高程值,处理钻孔数据并划分地层层序。

(3)将划分后的地层层序数据传入至3d_geology_map模块,根据自定义的Z方向精度由输入的地质界面来生成实体地层。

(4)最后将数据传至下游模块以实现地层模型的三维展示、剖切、空间分析。

3.2 岩性建模

岩性建模适用于钻孔地层分布复杂,岩性交错出现无法清晰划分地层的情况。岩性建模无需建模人员对钻孔数据进行识别分层,采用原始钻孔数据驱动建模。根据钻孔中岩性分布以地质统计学的原理推算出地质体中含有岩性的分布概率,从而建成三维地质体模型。

岩性建模主要是由indicator_geology模块实现,该模块提供了2种插值方法,一是基于最近邻插值法的快速建模功能,二是基于指示克里金插值法的严格概率方法的岩性建模。本节采用指示克里金插值法来实现岩性建模,岩性建模的具体建立步骤如下(图3)。

图3 岩性建模流程

(1)向EVS中导入钻孔数据。

(2)根据地表DEM规定插值的范围。

(3)建立需要分析区域的三维实体网格。

(4)利用指示克里金法计算不同岩性在每个网格所代表的空间区域中出现的概率,并将出现概率最高的岩性赋予网格。

通过以上两种基本建模方法均能实现对山区三维地质体的建模,从而表达山区地表以下的地质情况,对隧道BIM模型周边围岩进行全方位展示并传递数据和信息。

4 应用实例

4.1 工程概况

本文将前述研究内容应用于都江堰至四姑娘山山地轨道交通工程的施家山隧道,项目位于成都市都江堰市龙池镇虹口乡。本隧道按照最高行车速度120 km/h电气化(接触轨供电)山地轨道交通双线隧道设计。起止里程为DK11+045～DK15+528,隧道全长4 483 m,为单洞双线隧道,施家山隧道全线线路位置如图4所示。全线隧道围岩级别以Ⅳ、Ⅴ级为主,其中,Ⅳ级围岩占比31.85%,Ⅴ级围岩占比68.15%,隧道内衬砌设计采用Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa、Ⅴb和Vc 5种类型。

图4 都四线全线线路及施家山隧道位置示意

4.2 施家山隧道BIM建模

4.2.1 隧道线路拟合

根据设计文件,采用交点法拟合隧道桩号范围内的平曲线,数据见表1。同时,在设计文件的竖曲线表格中获取隧道桩号范围内的变坡点里程、变坡点高程、竖曲线圆弧半径等数据,见表2。用最小二乘法插值平曲线拟合出真实的施家山隧道三维线路,并设置桩号属性。

表1 施家山隧道平曲线数据

表2 施家山隧道竖曲线数据

采用前文所述三维线路拟合方法,将Excel数据表格直接导入编写好的Dynamo文件中,修改平曲线中交点起止桩号即可自动生成施家山三维线路,如图5所示。

4.2.2 建立隧道构件族及属性定义

施家山隧道主要有Ⅳ级和Ⅴ级两种围岩,复合式衬砌结构的类型有5种,若对每种类型单独建模,势必增大时间和费用成本;而参数化模型可重复使用,显著提高建模效率,因此使用参数化建模十分必要。本文主要针对施家山隧道的初期支护、锚杆、钢拱架以及二次衬砌等构件进行参数化建模,而对于隧道中其他无变化模型采用手动拾取静态轮廓的方式建模。

施家山隧道的二次衬砌内、外轮廓主要由五心圆画弧相切组成,采用BIM参数化建模技术将内外轮廓各圆弧的半径、构件坡度、纵坡角度及构件长度作为主要调节参数,以此实现调节不同参数驱动生成不同的构件族,如图6所示。

图6 施家山隧道二衬参数化建族

对于初期支护、锚杆、钢拱架等构件,按照同样的方式,分别设置对应的主要调节参数,见图7～图9。

图7 施家山隧道初期支护参数化建族

图8 施家山隧道锚杆参数化建族

图9 施家山隧道钢拱架参数化建模

隧道内侧沟、排水沟、轨道、轨枕、道砟等内部常规构筑物并无尺寸及结构变化,附属结构无明显的几何参数特征,不具备通用性和二次利用价值。故采用手动拾取静态轮廓的方式,将上述构筑物作为整体建立族构件,通过图纸直接放样即可完成,如图10所示。同样地,采用BIM参数化建模技术,将施家山隧道BIM模型族构件通过Dynamo编程进行快速、批量的定义每一个构件族属性,实现过程和结果如图11所示。

图10 施家山隧道静态轮廓族

图11 批量定义隧道BIM族属性

4.2.3 参数化组建隧道模型

根据施家山隧道施工设计图,采用Excel表格作为数据库,统计隧道各类型构件族所对应的里程桩号、基本参数以及属性资料等信息。同时,更新参数化构件族的信息,同样是需要建立相应的Excel数据库。

以施家山隧道全线初期支护结构的创建为例,详述整个建模的流程。施家山隧道总共4 483 m,沿线衬砌类型变化26次且各段衬砌长度不一,在Excel表中控制参数化族放样的长度设置为1 m,即将4 483个初期支护按照线路走向和桩号在程序中完成组装。利用Dynamo与Excel可进行交互的优势,通过Dynamo节点模块将Excel表格中所有统计的数据写入并按照构件属性类型进行分类阵列,如图12所示。

图12 参数化组建构件族

通过桩号与族文件对应关系函数,调用写入属性内容的族模型,实现构件形状、角度调整,按照线路和桩号数据放置,从而完成隧道三维模型创建和属性写入,最终得到施家山隧道BIM模型,见图13、图14,并将模型输出为IFC格式。

图13 施家山隧道BIM模型

图14 隧道BIM部分支护构件及属性展示

4.3 施家山隧道地质体建模

首先,利用Infraworks软件链接Open street Map地图,以施家山隧道经纬坐标为参考下载该地区数字地表模型、地面图像、区域内矢量路网水域及城镇规划,并完成地表模型插值重构,地表模型见图15。

图15 施家山隧道地表模型

结合地层建模方法,在施家山隧道项目中,通过实地勘测钻孔获取钻孔数据,人为划分地层层序,并结合施家山隧道纵剖面图,在EVS软件中进行三维地质体建模,如图16所示。

图16 施家山三维地质体模型

4.4 施家山隧道Geo-BIM模型展示及应用

以团队自主研发的“隧道工程多元信息集成与三维可视化子系统”为基础,实现施家山隧道的Geo-BIM模型展示及应用。

该系统是基于Cesium框架实现隧道BIM模型、地质模型与Web-GIS的集成,并针对隧道工程研究虚拟场景与地下空间浏览等功能,构建起隧道工程基础的可视化平台。该平台可全方位展示隧道结构、隧道建设区域地表和隧道穿越区域的地下情况。

将施家山隧道BIM模型、三维地表模型以及地质体模型,通过Cesium软件转换并导入至平台,交互形成Geo-BIM模型。施家山隧道Geo-BIM模型在Web平台中可视化展示,如图17所示。

图17 施家山隧道Geo-BIM整体模型

在系统中可对施家山隧道Geo-BIM模型实施的应用功能如下。

(1)在Cesium平台中导入工程所在地的交通工点KML矢量线路,在地表模型中可通过漫游的方式查阅工点线路穿越区域的地表情况,立体呈现工点周围的自然环境和人文环境,如图18所示。

图18 施家山隧道区域地表模型

(2)可直接点选隧道模型中每一个构件,通过右侧窗口以图、文形式展示该结构、构件的相关属性,以剖切方式查看隧道内部和隐蔽工程,能够全面、直观地查看隧道,如图19所示。

图19 施家山隧道族模型及属性

(3)可直接反映区域内地质结构、隧道内围岩及掌子面信息,达到透视“地下”的效果。辅助隧道设计、施工和信息管理,如图20所示。

图20 施家山隧道工点地质体及属性

综合而言,Geo-BIM模型可以实现隧道、地表及隧道穿越区域可视化,借助云端实现自身属性表达和非几何信息共享,对隧道工程做到全寿命周期信息管理。

5 结论

基于Revit内置Dynamo插件二次开发可有效解决目前隧道BIM建模中的问题,结合EVS软件可真实反映出隧道建设的真实环境状况,在隧道工程管理与建设中具有较高的应用价值,主要体现在以下几方面。

(1)基于Revit内置Dynamo插件二次开发的参数化建模方法,建立隧道BIM建模的标准流程,有效解决线路偏差大、构件复杂繁多和属性添加效率低等问题。

(2)建立基于EVS软件地层建模和岩性建模的实现方法和标准流程,实现山地轨道交通隧道地质体的可视化。

(3)基于Cesium框架为基础,实现了施家山隧道的BIM模型、地质模型与Web-GIS的集成,实现三维可视化模型与数据信息之间交互式展示,取得良好的应用效果,可为类似工程开展BIM应用研究提供借鉴和参考。

致谢：

特别感谢蜀道投资集团有限责任公司对本文研究项目的支持,所提供的都四线轨道交通工程项目资料,促成本文研究成果的实际应用。