繆 盾

(同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，浙江 嘉興 314051)

0 引言

盾構(gòu)隧道是通過(guò)盾構(gòu)機(jī)械推進(jìn)開(kāi)挖，并拼裝預(yù)制混凝土管片而形成的一種隧道結(jié)構(gòu)。工程體量大，復(fù)雜度高，隧道結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)又存在很大區(qū)別，因此目前的應(yīng)用還處于起步階段[1]。通過(guò)調(diào)研總結(jié)BIM在隧道工程的應(yīng)用主要受到以下幾方面因素制約：①基于隧道工程的模型族庫(kù)缺失，而這些異形結(jié)構(gòu)在Revit中直接建模存在困難；②盾構(gòu)隧道是暗挖施工，因此與隧道周?chē)刭|(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，然而Revit只有對(duì)地形表面的處理能力，不能直接構(gòu)建地質(zhì)模型；③線(xiàn)性工程體量一般較大，建模的人力消耗較大。因此，一些學(xué)者對(duì)隧道工程的BIM建模進(jìn)行了研究，如劉孟涵[2]采用CATIA軟件進(jìn)行地形曲面創(chuàng)建，為后續(xù)的BIM模型提供了三維地形環(huán)境，提升了BIM模型的應(yīng)用價(jià)值。屬于兩種模型的有機(jī)融合，不在統(tǒng)一的信息平臺(tái)，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸錯(cuò)漏、匹配失誤等情況。唐艷梅等[3]通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)管片和轉(zhuǎn)彎環(huán)管片確定管片排序計(jì)劃，通過(guò)BIM技術(shù)建立盾構(gòu)隧道三維模型。許利彤等[4]研究采用Civil3D+Dyanmo+Revit交互的方式進(jìn)行隧道的精細(xì)化建模，實(shí)現(xiàn)了工程資料的閉合，但是一旦設(shè)計(jì)方案有所變動(dòng)，便需通過(guò)不同軟件進(jìn)行修改再整合，缺少聯(lián)動(dòng)機(jī)制。還有些學(xué)者如陳桂香等[5]研究的管片拼裝和排片由關(guān)聯(lián)參數(shù)和報(bào)告參數(shù)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算每個(gè)管環(huán)中心點(diǎn)到設(shè)置參照點(diǎn)的距離，決定管環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度，然而Revit對(duì)這種循環(huán)運(yùn)行相對(duì)效率較低，不適合大工程應(yīng)用。陳國(guó)良等[6]、高建新等[7]從隧道數(shù)據(jù)的IFC標(biāo)準(zhǔn)著手，建立數(shù)據(jù)表達(dá)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，但不具有普適性。本文研究了在Dynamo可視化編程平臺(tái)[8-9]下構(gòu)建自定義參數(shù)列表，設(shè)計(jì)自動(dòng)構(gòu)建隧道模型和外部地質(zhì)模型的通用節(jié)點(diǎn)鏈，初步實(shí)現(xiàn)隧道及外部地質(zhì)環(huán)境的自動(dòng)化、一體化建模，為設(shè)計(jì)人員在隧道正向設(shè)計(jì)提供一種樣板。

1 隧道結(jié)構(gòu)建模

盾構(gòu)隧道的主體結(jié)構(gòu)是由預(yù)制管片拼裝成環(huán)，錯(cuò)縫排布形成。在隧道結(jié)構(gòu)建模階段將隧道結(jié)構(gòu)分為基本體、細(xì)節(jié)體和中心線(xiàn)3類(lèi)，為基本體和細(xì)節(jié)體開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的參變族，如圖1所示。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)各構(gòu)件參變族類(lèi)型

1.1 Revit定制參變族

管環(huán)是隧道結(jié)構(gòu)的基本單元，管環(huán)由不同類(lèi)型的管片拼裝而成，這些管片分為標(biāo)準(zhǔn)塊(A型)、鄰接塊(B型)和封頂塊(K型)。在Revit中通過(guò)自適應(yīng)常規(guī)模型的族創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)管片的三維模型，在選定的參照平面上繪制標(biāo)準(zhǔn)塊的截面形狀進(jìn)行拉伸，設(shè)置外徑、內(nèi)徑、角度和高度為可變參數(shù)，如圖2所示。依此方式通過(guò)放樣創(chuàng)建鄰接塊和封頂塊。

圖2 管片族創(chuàng)建過(guò)程

在一個(gè)自適應(yīng)常規(guī)族內(nèi)拼接管片形成管環(huán)，該族的自適應(yīng)點(diǎn)設(shè)置在管環(huán)掘進(jìn)面的圓點(diǎn)處。管環(huán)中的細(xì)節(jié)部分均采用嵌套族載入。手孔采用基于面的常規(guī)模型進(jìn)行構(gòu)建，拉伸一個(gè)空心半橢圓柱，設(shè)定手孔寬度為半橢圓柱短軸，手孔深度為半橢圓柱長(zhǎng)半軸，底面傾角為橢圓面與嵌入面的夾角，將這些參數(shù)設(shè)置為輸入型參數(shù)，用來(lái)控制手孔的形狀與形態(tài)。手孔的位置用與管片橫縱中心線(xiàn)的距離來(lái)控制。條槽采用基于線(xiàn)的常規(guī)模型，將條槽的截面設(shè)計(jì)為可參變的輪廓族，在輪廓族中將條槽長(zhǎng)度、條槽距離管片中心線(xiàn)的距離設(shè)置為輸入型參數(shù)。管片、管環(huán)如圖3所示。

圖3 管環(huán)基本體和細(xì)節(jié)體模型

1.2 隧道中心線(xiàn)

隧道的中心線(xiàn)是一條三維曲線(xiàn)，是管環(huán)結(jié)構(gòu)圓點(diǎn)對(duì)齊的參照線(xiàn)，直接在Revit中創(chuàng)建有很大難度。在Revit內(nèi)置的Dynamo可視化編程平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)中心線(xiàn)的繪制和編輯。首先通過(guò)解析隧道平面和縱斷面圖得到中心線(xiàn)里程樁三維坐標(biāo)，得到中心線(xiàn)上一系列點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，在Dynamo讀取點(diǎn)坐標(biāo)，利用PolyCurve.ByPoints節(jié)點(diǎn)生成樣條曲線(xiàn)。如果已有中心線(xiàn)的三維模型，也可通過(guò)Dynamo拾取CAD幾何圖元獲取。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)建模

在中心線(xiàn)上自動(dòng)放置管環(huán)，要解決管環(huán)中心軸線(xiàn)與曲線(xiàn)切向量保持一致、管環(huán)錯(cuò)縫排列和轉(zhuǎn)彎環(huán)放置問(wèn)題。具體思路如下。

1)管環(huán)放置 將中心線(xiàn)按距離進(jìn)行分割，通過(guò)FamilyInstance.ByPoint節(jié)點(diǎn)在分割點(diǎn)上放置族實(shí)例。為了保證族正確放置，需使得族實(shí)例圖形的中心軸線(xiàn)與插入點(diǎn)處的路徑中心線(xiàn)切向量一致。則需將族實(shí)例進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，節(jié)點(diǎn)Curve.ParameterAtPoint和節(jié)點(diǎn)Curve.TangentAtParameter可計(jì)算中心線(xiàn)每個(gè)分割點(diǎn)處的切向量，節(jié)點(diǎn)Vector.ZAxis得到族實(shí)例的z向量，即管環(huán)中心軸線(xiàn)，兩個(gè)向量之間的歐拉角即為每個(gè)管環(huán)旋轉(zhuǎn)的角度。

2)錯(cuò)縫放置 插入的族實(shí)例在分割點(diǎn)切平面上繞圓點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫放置。在自定義節(jié)點(diǎn)中通過(guò)判別分割點(diǎn)號(hào)的奇偶性，點(diǎn)號(hào)為奇數(shù)和偶數(shù)的分割點(diǎn)分別創(chuàng)建列表，奇數(shù)分割點(diǎn)上的管環(huán)右旋18°，偶數(shù)分割點(diǎn)上的管環(huán)左旋18°。

3)雙面楔形轉(zhuǎn)彎環(huán)[10]放置 求取分割點(diǎn)處的曲線(xiàn)法向量，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量示意

相鄰兩法向量的夾角為0°，如pi點(diǎn)和pi+1點(diǎn)處的中心線(xiàn)切向量和法向量都一致，則在pi點(diǎn)處放置標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，相鄰兩法向量的夾角不為0°，如pi+1點(diǎn)和pi+2點(diǎn)則存入一個(gè)列表，表示路線(xiàn)進(jìn)入曲線(xiàn)部分。雙面楔形轉(zhuǎn)彎環(huán)的路線(xiàn)偏角2θ與楔形角之間是2倍的關(guān)系，然而路線(xiàn)在轉(zhuǎn)彎處一般較緩慢，即相鄰兩點(diǎn)的法向量夾角<2θ。通過(guò)疊加列表中法向量，當(dāng)≥2θ，則在該分割點(diǎn)中放置1個(gè)轉(zhuǎn)彎環(huán)，前置分割點(diǎn)中放置標(biāo)準(zhǔn)環(huán)。隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)建模流程如圖5所示。

圖5 隧道結(jié)構(gòu)建模簡(jiǎn)化流程

通過(guò)某一標(biāo)段盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行參數(shù)化擬定和建模節(jié)點(diǎn)鏈設(shè)計(jì)，得到該隧道結(jié)構(gòu)的BIM模型效果，如圖6所示。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)模型

2 地質(zhì)實(shí)體建模

Civil3D創(chuàng)建大場(chǎng)景的地質(zhì)實(shí)體模型非常便捷，并且可導(dǎo)出為IFC標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)文件與Revit軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但導(dǎo)入實(shí)體不能進(jìn)行二次編輯，隧道的形態(tài)參數(shù)改變便會(huì)發(fā)生隧道模型和地質(zhì)實(shí)體模型的碰撞沖突，不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，為后期自動(dòng)化建模的樣板制定帶來(lái)不便。在統(tǒng)一的平臺(tái)下進(jìn)行地質(zhì)實(shí)體參數(shù)化建模，可在創(chuàng)建地質(zhì)實(shí)體模型時(shí)隨時(shí)調(diào)用隧道模型參數(shù)，參數(shù)定制，處處聯(lián)動(dòng)。在Dynamo平臺(tái)下，首先通過(guò)excel表輸入地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，不同高程的地質(zhì)勘察點(diǎn)生成不同的地質(zhì)曲面，拉伸地質(zhì)曲面水平投影得到不規(guī)則柱體，用地質(zhì)曲面截切柱體，得到每個(gè)地質(zhì)層實(shí)體。然后在地質(zhì)實(shí)體模型中進(jìn)行隧道開(kāi)洞，以拾取的隧道中心線(xiàn)為路徑，在起點(diǎn)法平面上繪制圓形，圓形半徑為管環(huán)的外半徑，繼而進(jìn)行放樣得到隧道的簡(jiǎn)化模型。最后通過(guò)地質(zhì)實(shí)體與放樣實(shí)體的布爾差集運(yùn)算得到開(kāi)洞的地質(zhì)實(shí)體，如圖7所示。

圖7 地質(zhì)開(kāi)洞模型

在Dyanmo平臺(tái)上將建立隧道管環(huán)模型的節(jié)點(diǎn)鏈設(shè)置為1組，將建立地質(zhì)開(kāi)洞實(shí)體模型的節(jié)點(diǎn)鏈設(shè)置為1組，將輸入型參數(shù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為1組，并輔以輸入?yún)?shù)說(shuō)明，則可將此工作空間定義為隧道BIM模型自動(dòng)化參數(shù)化建模的設(shè)計(jì)樣板。輸入的部分?jǐn)?shù)據(jù)和構(gòu)建的盾構(gòu)隧道一體化模型如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)隧道一體化模型

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)定制盾構(gòu)隧道的管片族、管環(huán)嵌套族和細(xì)節(jié)體族，在Revit內(nèi)置的Dynamo可視化編程平臺(tái)，設(shè)計(jì)搭建自動(dòng)構(gòu)建隧道管環(huán)模型的節(jié)點(diǎn)鏈，設(shè)計(jì)通過(guò)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和中心里程樁坐標(biāo)構(gòu)建地質(zhì)開(kāi)洞實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了隧道和外部地質(zhì)環(huán)境的一體化建模。并且通過(guò)輸入型參數(shù)可快速得到不同的隧道設(shè)計(jì)方案和可視化模型，推進(jìn)先建模后出圖的設(shè)計(jì)理念。本文在統(tǒng)一的平臺(tái)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了工程信息的閉合，模型的傳輸也可實(shí)行統(tǒng)一規(guī)則，保障數(shù)據(jù)信息的唯一性和準(zhǔn)確性。但隧道的精細(xì)化模型還需進(jìn)一步完善，尤其存在大量弧形和異形鋼筋模型將是模型細(xì)化的一個(gè)難點(diǎn)。