魏章俊，陳 前，肖 云，孫有恒

（1.中鐵建華南建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510335）

0 引言

近年來，BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用得越來越成熟，而在城市軌道交通工程領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段［1，2］。未來幾年，全國(guó)將會(huì)有超過 103 個(gè)城市開展軌道交通建設(shè)，新建城市軌道交通 2 000 km 以上，涉及投資約 1.6 萬億元［3］。隨著國(guó)家對(duì)城市軌道交通建設(shè)的大力支持，BIM 技術(shù)勢(shì)必會(huì)在軌道交通工程建設(shè)中具有廣闊的發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已經(jīng)開始對(duì) BIM 技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)中的建模及應(yīng)用進(jìn)行研究［4，5］。張良等［6］研究如何應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行盾構(gòu)管片的參數(shù)化建模，并以此處理施工過程中遇到的問題。賈璞敏等［7］研究了 BIM 結(jié)合 VR 技術(shù)在盾構(gòu)推進(jìn)前的施工準(zhǔn)備中的應(yīng)用。劉濤［8］研究利用 Visual Lisp 語(yǔ)言對(duì) AutoCAD 進(jìn)行二次開發(fā)，編制盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，驗(yàn)證參數(shù)化在管片設(shè)計(jì)中的可行性。方黃磊［9］結(jié)合當(dāng)前軌道交通地下區(qū)間 BIM 設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與需求，從建模軟件選擇、建模標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件庫(kù)搭建等方面進(jìn)行研究。上述成果涉及到盾構(gòu)管片模型創(chuàng)建的方法，主要建模軟件采用的是 AutoCAD 和 Revit，提出了許多有價(jià)值的建模方法，但建模軟件單一，缺乏多種軟件創(chuàng)建的模型集成應(yīng)用和模型基于施工管理平臺(tái)中的應(yīng)用分析。

本文以廣州市軌道交通 18 號(hào)線為研究對(duì)象，采用Dynamo 插件生成盾構(gòu)隧道中心線，基于 Micro Station 軟件二次開發(fā)出一套盾構(gòu)管片自動(dòng)排布插件，后利用插件創(chuàng)建區(qū)間盾構(gòu)管片模型，基于盾構(gòu)區(qū)間模型開展多個(gè) BIM 應(yīng)用。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目探索出一條盾構(gòu)管片建模及應(yīng)用的技術(shù)路線，模型的精度和準(zhǔn)確率較高，同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)定制開發(fā)的盾構(gòu)管片自動(dòng)建模工具使建模效率提高，模型更能貼切項(xiàng)目實(shí)際，具有較高的利用價(jià)值。模型與區(qū)間地質(zhì)模型合模進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及可視化展示，能指導(dǎo)施工單位提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，采取相關(guān)措施降低風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生?；谑┕す芾砥脚_(tái)，模型上傳到平臺(tái)后進(jìn)行派工單、完工標(biāo)識(shí)、安全質(zhì)量問題定位等應(yīng)用，搜集現(xiàn)場(chǎng)施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析幫助管理者提高項(xiàng)目管理水平。

1 建模軟件選擇

目前，市面上主流 BIM 軟件主要包括美國(guó)歐特克公司以 Revit 為核心的 BIM 系列軟件，美國(guó)奔特力公司以 MicroStation 為基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)的 BIM 系列軟件，法國(guó)達(dá)索公司以 CATIA 為核心的 BIM 系列軟件等。

地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道是在一段狹長(zhǎng)的區(qū)間由圓形的管片環(huán)拼裝而成的結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)區(qū)間線路在平面上由直線段、緩和曲線段及圓曲線段組成，在縱斷面上還存在上坡及下坡，所以整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道中心線是一條三維空間曲線。針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間上述特點(diǎn)選擇一款或多款 BIM 建模軟件，能方便快捷地創(chuàng)建盾構(gòu)隧道 BIM 模型顯得很有必要［10］。經(jīng)過對(duì)多種 BIM 建模軟件的比較分析，再結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際需求，同時(shí)考慮到盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)、變曲線、模塊化的特點(diǎn)，最終決定采用 Revit+Dynamo 結(jié)合 MicroStation 來創(chuàng)建盾構(gòu)區(qū)間管片拼裝模型。采用的方案是，先利用 Revit 結(jié)合 Dynamo 創(chuàng)建隧道中心線，再通過 MicroStation 軟件根據(jù)隧道中心線并結(jié)合開發(fā)的自動(dòng)建模插件來創(chuàng)建盾構(gòu)區(qū)間管片拼裝模型。

1.1 Dynamo 參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件

Dynamo 是一款高效的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，可以基于Revit 軟件實(shí)現(xiàn)可視化編程及設(shè)計(jì)［11，12］。用戶在軟件操作界面按照一定的規(guī)則邏輯將軟件預(yù)定義或者自定義的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，如圖 1 所示。通過輸入、程序處理和輸出的過程在 Revit 中創(chuàng)建和處理復(fù)雜的模型，本項(xiàng)目通過利用其自動(dòng)化建模的優(yōu)勢(shì)將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)在 Revit 中創(chuàng)建隧道中心線。

圖1 通過坐標(biāo)創(chuàng)建點(diǎn)

1.2 Bentley 軟件

奔特力軟件公司致力于提供全面的可持續(xù)性基礎(chǔ)設(shè)施軟件解決方案，基于 MicroStation 基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)了上百款針對(duì)不同專業(yè)的軟件，包括用于房建設(shè)計(jì)的OpenBuildings，用于市政道路設(shè)計(jì)的 OpenRoads，用于工廠三維設(shè)計(jì)的 OpenPlant 等軟件［13］。奔特力系列軟件擅長(zhǎng)處理復(fù)雜不規(guī)則的異型模型，對(duì)較大體量的模型運(yùn)行速度較快，比較適合創(chuàng)建盾構(gòu)區(qū)間管片這種長(zhǎng)線性、大體量的模型。由于 MicroStation 軟件自帶功能不能直接通過讀取隧道三維中心線創(chuàng)建盾構(gòu)管片模型，故本項(xiàng)目在 MicroStation 軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，開發(fā)出盾構(gòu)管片自動(dòng)排布建模插件，通過該工具很好地解決了上述問題。

2 建模介紹

2.1 盾構(gòu)管片特點(diǎn)

本項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)雙面楔形通用環(huán)，該襯砌環(huán)由 1 個(gè)封頂塊（F）、2 個(gè)連接塊（L 1、L 2）、4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊（B 1、B 2、B 3、B 4）7 塊管片組成，楔形量為 46 mm。襯砌環(huán)外徑 8.5 m，厚 0.4 m，寬 1.6 m，如圖 2 所示。其縱、環(huán)縫采用斜螺栓連接。襯砌環(huán)需滿足以下拼裝要求，襯砌環(huán)采用錯(cuò)縫拼接，且首先拼裝 B 3 塊管片，特殊情況下無法避免時(shí)，可局部采用通縫拼裝，但不應(yīng)連續(xù)超過 3 環(huán)。

圖2 襯砌圓環(huán)構(gòu)造圖

2.2 開發(fā)思路分析

經(jīng)過對(duì)盾構(gòu)區(qū)間平縱斷面圖及管片襯砌構(gòu)造圖進(jìn)行仔細(xì)分析，確定了本工具開發(fā)的基本思路。首先需要?jiǎng)?chuàng)建隧道中心線來約束管片的拼裝路徑，設(shè)計(jì)平面圖上的線路是指線路中心線，并不是隧道中心線，在直線段二者是重合的，而在曲線段由于需要設(shè)計(jì)超高，所以二者是不重合的，如圖 3 所示。區(qū)間盾構(gòu)管片模型應(yīng)依據(jù)隧道中心線來創(chuàng)建，利用 DTA 盾構(gòu)計(jì)算方法通過對(duì)線路平縱斷面線的分析，最終生成間隔為 1 m 的隧道中心線三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。然后將隧道中心線三維坐標(biāo)導(dǎo)入 Dynamo 軟件中，在 Revit 體量族環(huán)境中生成點(diǎn)，通過樣條曲線連接點(diǎn)生成隧道中心線。最后導(dǎo)出 dgn 格式文件用于后面在 MicroStation 軟件中創(chuàng)建盾構(gòu)管片模型。

圖3 曲線段平面示意圖

C # 是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。它使得程序員可以快速地編寫各種基于 Microsoft.NET 平臺(tái)的應(yīng)用程序。同時(shí) C# 語(yǔ)言對(duì) MicroStation 軟件兼容性較好，故本項(xiàng)目采用其作為二次開發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行功能開發(fā)。通過分析研究總結(jié)出需要解決的核心難點(diǎn)，主要包括盾構(gòu)管片中心點(diǎn)嚴(yán)格按照隧道中心線進(jìn)行排布，滿足管片的錯(cuò)縫拼裝原則，上一個(gè)盾構(gòu)環(huán)管片的螺栓孔與下一個(gè)環(huán)的螺栓孔需對(duì)齊，管片環(huán)之間應(yīng)排布緊密，不出現(xiàn)縫隙和碰撞。經(jīng)過不斷測(cè)試和算法優(yōu)化，最終將上述問題一一解決，滿足了實(shí)際項(xiàng)目需要。

3 工程應(yīng)用介紹

3.1 工程概況

南村萬博站—沙溪站區(qū)間南起南村萬博站，線路出南村萬博站后，向西北方沿番禺大道東側(cè)行進(jìn)，下穿番禺區(qū)交警隊(duì)、番禺大道跨線橋后，向北方沿番禺大道西側(cè)行進(jìn)，下穿三支香水道，新沙五金塑料城后，在沙溪大道路口處至沙溪站。該段區(qū)間設(shè)計(jì)范圍為盾構(gòu)及礦山法段隧道，左線長(zhǎng) 3 514.194 m，右線長(zhǎng) 3 497.318 m。區(qū)間右線設(shè)置 4 處平曲線，曲線半徑分別為 3 500、1 550、2 800、4 000 m；左線設(shè)置 4 處平曲線，曲線半徑分別為 3 200、1 550、2 100、3 100 m。線路縱坡最大坡度為 11.2 ‰，最小坡度為 4.95 ‰，隧道頂最小埋深約 13.7 m、最大埋深約 30.6 m。穿越主要地層有＜6＞、＜6Z＞、＜7Z＞、＜7-3＞、＜8-3＞層，局部地段穿越＜9-3＞層。區(qū)間平面圖如圖 4 所示。

圖4 區(qū)間示意圖（單位：m）

3.2 數(shù)據(jù)整理

根據(jù)前面開發(fā)思路所述，需要將線路曲線轉(zhuǎn)換成DTA 隧道中心線坐標(biāo)，采用專業(yè)軟件根據(jù)平縱斷面圖紙生成隧道中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)表格，施工方參照該表格數(shù)據(jù)控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)行管片拼裝。該施工應(yīng)用的表格包括里程、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，由于在 Dynamo 中創(chuàng)建隧道中心線只需要X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)即可，所以需要將表格中的其他數(shù)據(jù)刪除，只保留所需數(shù)據(jù)。

3.3 模型創(chuàng)建介紹

3.3.1 隧道中心線創(chuàng)建

Dynamo 可視化編程軟件具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，能解決大量重復(fù)操作，使建模效率顯著提高。通過與其他幾款能創(chuàng)建空間三維曲線的軟件進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于 Dynamo 利用 DTA 中心線坐標(biāo)表來創(chuàng)建三維空間隧道中心線具有效率高、錯(cuò)誤低的顯著特點(diǎn)。Civil 3d 和 Bentley OpenRoads 均能根據(jù)平縱斷面創(chuàng)建三維空間曲線，但是它們都是依據(jù)線路中心線來生成的，未考慮曲線段的線路中心線與隧道中心線會(huì)出現(xiàn)偏差，直接創(chuàng)建會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建出的線路不準(zhǔn)確，經(jīng)過換算處理雖也能創(chuàng)建準(zhǔn)確，但是會(huì)比較麻煩，所以采用 Dynamo 進(jìn)行創(chuàng)建。建模步驟是提前制作好能根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)創(chuàng)建三維曲線的 Dynamo 程序，如圖 5 所示。按照程序步驟，首先，讀取隧道中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)；然后，自動(dòng)生成按照一定間距沿著隧道中心線排列的空間坐標(biāo)點(diǎn)；最后，沿著空間坐標(biāo)點(diǎn)在 Revit 軟件體量樣板族中生成樣條曲線，該曲線就是需要的隧道中心線，左線隧道中心線如圖 6 所示，將該文件導(dǎo)出為 DNG 格式文件供后面創(chuàng)建盾構(gòu)模型用。

圖5 Dynamo 節(jié)點(diǎn)程序圖

圖6 區(qū)間左線隧道中心線

3.3.2 盾構(gòu)單元環(huán)創(chuàng)建

盾構(gòu)單元環(huán)采用的是雙面楔形通用環(huán)，也就是說整個(gè)區(qū)間均由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單元環(huán)拼裝組成，通過控制其旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行拼裝，滿足直線段和曲線段的拼裝要求。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)?MicroStation 軟件中創(chuàng)建盾構(gòu)單元環(huán)模型，按照先整體后局部的建模方式進(jìn)行建模。先根據(jù)輪廓拉伸創(chuàng)建整個(gè)盾構(gòu)圓環(huán)，然后將圓環(huán)根據(jù)圖紙拆分成 7 個(gè)單元塊。通過圖紙立面視圖可以看出盾構(gòu)環(huán)兩邊被斜切，均帶有坡度，在軟件中創(chuàng)建傾斜的兩個(gè)平面，再利用替換面功能將單元環(huán)變成帶楔形量的單元環(huán)。最后，再進(jìn)行單元環(huán)細(xì)部構(gòu)造處理，通過空心拉伸、放樣等操作創(chuàng)建螺栓孔、注漿孔及盾構(gòu)塊邊界輪廓處理，最終創(chuàng)建好的盾構(gòu)單元環(huán)如圖 7 所示。

圖7 單元環(huán)組裝模型

3.3.3 管片拼裝模型創(chuàng)建

將隧道中心線及單元環(huán)模型都創(chuàng)建好后，就可以利用開發(fā)出盾構(gòu)管片自動(dòng)排布建模插件對(duì)區(qū)間盾構(gòu)管片模型進(jìn)行創(chuàng)建。首先將插件安裝到 MicroStation 軟件中，新建一個(gè)項(xiàng)目，將前面導(dǎo)出的 DGN 格式隧道中心線文件參考進(jìn)來，再將其合并到主文件，刪除多余的點(diǎn)圖元只保留一個(gè)隧道中心線圖元。然后將創(chuàng)建好的盾構(gòu)環(huán)單元文件載入到該項(xiàng)目中，在軟件中找到安裝好的插件并點(diǎn)擊打開，選擇盾構(gòu)環(huán)單元文件，設(shè)置盾構(gòu)環(huán)集合參數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度，最后點(diǎn)擊選擇盾構(gòu)軸線進(jìn)行拼裝，鼠標(biāo)再次點(diǎn)擊隧道中心線軟件就自動(dòng)進(jìn)行創(chuàng)建盾構(gòu)管片拼裝模型。由于是程序根據(jù)算法按照隧道中心線自動(dòng)進(jìn)行建模，大大提高了建模效率及準(zhǔn)確率，創(chuàng)建完成的模型如圖 8 所示。

圖8 隧道管片拼裝模型

3.3.4 模型處理

由于每段盾構(gòu)區(qū)間的長(zhǎng)度均不一樣，區(qū)間長(zhǎng)度由設(shè)計(jì)起始里程和終點(diǎn)里程決定，并不能保證都是一環(huán)盾構(gòu)寬度的整數(shù)倍，這樣就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際拼裝到盾構(gòu)接收井處最后一環(huán)管片有可能會(huì)超出設(shè)計(jì)的終點(diǎn)里程。施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)將最后一環(huán)多余的部分進(jìn)行切除，為了滿足模型與實(shí)際一致，模型創(chuàng)建完成后還需對(duì)最后一環(huán)管片進(jìn)行剪切處理，可以通過 MicroStation 軟件的按曲線剪切實(shí)體工具將多余部分進(jìn)行剪切。

3.4 模型應(yīng)用

3.4.1 與三維地質(zhì)模型合模

該工程區(qū)間地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)需要穿越多種不同的地質(zhì)層，創(chuàng)建完區(qū)間盾構(gòu)管片模型后，再根據(jù)區(qū)間詳勘資料創(chuàng)建區(qū)間三維地質(zhì)模型，將區(qū)間地質(zhì)模型與盾構(gòu)管片拼裝模型進(jìn)行合模，可基于模型進(jìn)行任意位置剖切，能直觀展示出盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中所穿越的地質(zhì)層，提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，基于模型對(duì)穿越的風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行分析，從而采取降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，減少風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。盾構(gòu)管片模型與地質(zhì)模型合模如圖 9 所示。

圖9 區(qū)間管片模型與地質(zhì)模型結(jié)合

3.4.2 平臺(tái)應(yīng)用

模型創(chuàng)建完成后導(dǎo)出 IFC 格式文件上傳至施工管理平臺(tái)并開展相關(guān)應(yīng)用。通過三維模型數(shù)據(jù)及施工信息的錄入，可快速計(jì)算出施工的工程量及材料的使用量。在平臺(tái)上基于模型進(jìn)行派工，模型與計(jì)劃關(guān)聯(lián)，可通過模型直觀了解到現(xiàn)場(chǎng)施工情況，哪些正在施工，實(shí)際施工情況與計(jì)劃是否存在偏移，提示管理人員指導(dǎo)糾偏措施?；谀Ｐ瓦M(jìn)行施工質(zhì)量管理，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在進(jìn)行安全質(zhì)量巡檢過程中對(duì)疑似有安全質(zhì)量問題的地方通過手機(jī)端進(jìn)行問題填報(bào)，問題最終會(huì)顯示在平臺(tái)上模型的具體位置，方便管理人員進(jìn)行安全質(zhì)量控制管理?，F(xiàn)場(chǎng)已施工完的模型會(huì)在平臺(tái)上顯示完工標(biāo)識(shí)，用特殊顏色顯示，最終可通過平臺(tái)上的模型直觀展示項(xiàng)目整體完成情況。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)是一項(xiàng)新興的數(shù)字技術(shù)，將信息化與建筑行業(yè)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，正在引領(lǐng)建筑行業(yè)的一次史無前例的變革。本文以廣州市軌道交通十八號(hào)線南村萬博至沙溪站區(qū)間為例，采用 BIM 技術(shù)對(duì)盾構(gòu)預(yù)制管片進(jìn)行模型建立，闡述了運(yùn)用 Dynamo 參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件結(jié)合Bentley 軟件二次開發(fā)的管片自動(dòng)拼裝插件，創(chuàng)建出真實(shí)尺寸樣式的管片模型，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)就能按照隧道中心線迅速創(chuàng)建出區(qū)間管片拼裝模型。運(yùn)用插件獨(dú)特的算法解決了管片錯(cuò)縫拼裝的問題，能按照技術(shù)要求的點(diǎn)位進(jìn)行拼裝，從而加快管片拼接速度，提高了管片拼接的準(zhǔn)確性。盾構(gòu)管片模型與區(qū)間地質(zhì)模型有機(jī)結(jié)合及在施工管理平臺(tái)上的應(yīng)用，打破常規(guī)只對(duì)建模技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上拓展了新的應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)，使其在實(shí)際施工中給項(xiàng)目管理帶來有力幫助，為廣州市軌道交通十八號(hào)線的成功建設(shè)發(fā)揮了積極的推動(dòng)作用。Q