董任翔

（黑龍江科技大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150022）

建筑信息模型BIM是在傳統(tǒng)三維幾何模型基礎(chǔ)上構(gòu)建面向工程項(xiàng)目全壽命周期的信息模型,并支持建設(shè)項(xiàng)目所有參與方對(duì)工程信息共享和項(xiàng)目全壽命管理[1,2],BIM概念最早由Chuck Eastman 在1975 年首先提出,現(xiàn)已成為建筑工程領(lǐng)域新興的數(shù)字化項(xiàng)目管理方法。BIM因其三維可視化、信息化、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)在隧道工程也具有重要應(yīng)用價(jià)值,將BIM技術(shù)引入到隧道工程,設(shè)計(jì)階段可實(shí)現(xiàn)三維模型展示、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查等；施工階段可實(shí)現(xiàn)可視化技術(shù)交底、施工方案優(yōu)化等；運(yùn)營(yíng)階段可實(shí)現(xiàn)隧道養(yǎng)護(hù)數(shù)字化管理、應(yīng)急快速處置等。目前,與建筑工程領(lǐng)域BIM廣泛應(yīng)用相比,隧道工程信息模型技術(shù)還處在起步階段[3],存在較大差距和不足,如標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、主流核心建模軟件缺少隧道建模功能及構(gòu)件族庫(kù)等。BIM 技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中需要結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、碰撞檢測(cè)等不同軟件相互協(xié)調(diào),其中心位置是核心建模軟件及參數(shù)化建模方法[1,2]。本文重點(diǎn)就隧道工程信息模型參數(shù)化建模方法進(jìn)行研究。

1 隧道工程信息模型建模平臺(tái)

目前,公路、鐵路系統(tǒng)對(duì)于隧道工程信息化管理系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)和建模平臺(tái)無(wú)統(tǒng)一規(guī)定,上述主流BIM參數(shù)化建模軟件均有成功應(yīng)用案例。黃福杰等[4]針對(duì)如意坊沉管隧道采用Bentley 作為核心建模平臺(tái),利用OpenRoads Designer 進(jìn)行地形、地質(zhì)和路線(xiàn)設(shè)計(jì),利用OpenBridge Modeler 進(jìn)行沉管隧道結(jié)構(gòu)建模,OpenBridge Modeler 可以直接利用OpenRoads Designer 的地形、線(xiàn)路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁和隧道結(jié)構(gòu)建模。萬(wàn)世付等[5]針對(duì)白城隧道采用Bentley 平臺(tái)的Power Civil 建立地形模型,采用Micro Station 建立明洞、出口洞門(mén)、洞門(mén)配筋、管片鋼筋網(wǎng)等構(gòu)筑物模型,同時(shí),利用Micro Station 自帶的碰撞沖突檢查功能進(jìn)行碰撞檢查,利用Navigator 模型審查和進(jìn)度模擬功能進(jìn)行工程進(jìn)度模擬。秦海洋等[6]針對(duì)金雞山隧道采用Catia 軟件作為主要建模平臺(tái),提取目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Catia 的DSE 模塊,生成數(shù)據(jù)點(diǎn)包絡(luò)面建立地形模型；將二維路線(xiàn)導(dǎo)入Catia 的GSD模塊生成隧道三維路線(xiàn),以路線(xiàn)為基準(zhǔn),創(chuàng)建錨桿、仰拱、鋼拱架等隧道構(gòu)件模型。李君君等[7]針對(duì)石鼓山鐵路隧道采用Catia 進(jìn)行隧道三維建模,建模時(shí)首先建立參數(shù)化草圖,利用拉伸、偏移、陣列等三維建模功能建立三維實(shí)體模型,然后對(duì)實(shí)體模型附加屬性、描述、參數(shù)設(shè)置、外部鏈接、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等信息。

就當(dāng)前隧道工程信息模型應(yīng)用案例的初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,應(yīng)用最多的是Autodesk Revit 建模平臺(tái)[1-3]。Bentley 費(fèi)用較高導(dǎo)致大規(guī)模推廣困難和數(shù)據(jù)交換有障礙。Archi cad 與Bentley 軟件相似,具有較高行業(yè)專(zhuān)業(yè)性,普及較難。Revit 支持建立參數(shù)化對(duì)象,并可以在長(zhǎng)度、角度等方面施加約束；同時(shí)Revit 具有強(qiáng)大的對(duì)象庫(kù),便于項(xiàng)目各參與方多用戶(hù)操作；Revit 通過(guò)Revit API 或者IFC、DWF 等格式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)交換,Revit 還可以鏈接 Auto CAD、Civil 3D軟件進(jìn)行場(chǎng)地分析,鏈接Navisworks 用于碰撞檢查和4D模擬。Revit 3D 幾乎面向所有行業(yè),普通隧道工程技術(shù)人員較容易掌握,普及程度相對(duì)較高,在隧道工程信息模型參數(shù)化建模方面具有較高的普適性[8]。

2 隧道工程信息模型建模方法

當(dāng)前基于Revit 隧道工程信息模型的構(gòu)建方法主要有：采用Civil 3D+Revit+Dynamo 等多軟件協(xié)同參數(shù)化建模、Revit 二次開(kāi)發(fā)以及開(kāi)發(fā)專(zhuān)用輔助隧道參數(shù)化軟件、基于隧道構(gòu)件模型族庫(kù)創(chuàng)建和組裝等。

2.1 多軟件協(xié)同隧道工程信息模型參數(shù)化建模

目前,隧洞工程領(lǐng)域信息模型參數(shù)化建模采用最多的是Civil 3D+Revit+Dynamo+Excel+Access 等多軟件協(xié)同參數(shù)化建模。Civil3D 可實(shí)現(xiàn)隧道三維軸線(xiàn)坐標(biāo)提取,可輔助Revit進(jìn)行三維定位和曲面建模。Dynamo 是Autodesk 推出的可視化編程軟件,設(shè)計(jì)師可以利用Dynamo 快速實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的工作流程、驅(qū)動(dòng)模型參數(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)。Dynamo 與Revit 結(jié)合,不僅能夠拓展Revit 軟件的功能,還可以在創(chuàng)建三維模型、挑戰(zhàn)參數(shù)化異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BIM 模型信息管理以及數(shù)據(jù)分析與處理上更加智能。實(shí)際工程中,當(dāng)有些問(wèn)題單純靠Dynamo 自帶的基本節(jié)點(diǎn)無(wú)法解決,可以使用Python Script節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)代碼,并通過(guò) IronPython 調(diào)用.NET 庫(kù)和Revit API 內(nèi)的方法和屬性來(lái)開(kāi)發(fā)新的功能節(jié)點(diǎn)?；贒ynamo 可視化編程平臺(tái)開(kāi)發(fā)的參數(shù)化工具可實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)參數(shù)化建模,極大地提高建模的效率和準(zhǔn)確性,解決Revit 手工繪圖的難點(diǎn)。這些軟件協(xié)同建模因其相對(duì)高效的特點(diǎn)而成為目前隧道工程BIM參數(shù)化建模的主要建模方法,有大量成功應(yīng)用案例。

多軟件協(xié)同建模時(shí),需要將二維CAD 底圖導(dǎo)入civil3D,拾取CAD 底圖創(chuàng)建隧道中心線(xiàn)在水平平面上的投影（平面線(xiàn)）,在平面線(xiàn)基礎(chǔ)上繪制縱斷面圖,并設(shè)置縱斷面圖的樣式、圖層、標(biāo)簽集等信息,為中心線(xiàn)創(chuàng)建標(biāo)簽,在主樁號(hào)上貼道路標(biāo)簽,常用的標(biāo)簽樣式有AeccTickLine、AeccTickCircle等。在Civil3D 中提取隧道三維軸線(xiàn)導(dǎo)出到Excel 表格,然后在Excel 中對(duì)數(shù)據(jù)編碼、補(bǔ)充,形成包含序號(hào)、樁號(hào)、三維點(diǎn)坐標(biāo)、圍巖級(jí)別、襯砌類(lèi)型等隧道平縱斷面和地質(zhì)及設(shè)計(jì)信息的完整Excel 數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)該Excel 數(shù)據(jù)庫(kù),以Revit+Dynamo 交互式方法驅(qū)動(dòng)參數(shù)化節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建隧道二次襯砌、初期支護(hù)等模型,最后在Revit 中通過(guò)創(chuàng)建內(nèi)建族的方法生成隧道內(nèi)部開(kāi)挖部分的土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)。

隧道二次襯砌等參數(shù)化建模則首先要建立坐標(biāo)系,導(dǎo)入Autocad 底圖或直接繪制隧道襯砌內(nèi)輪廓,然后進(jìn)行隧道三維軸線(xiàn)加載、襯砌內(nèi)表面的放樣及襯砌加厚。具體操作過(guò)程為：對(duì)Dynamo 中隧道三維軸線(xiàn)加載,將三維軸線(xiàn)文件載入Revit,再由select model element 和element.geomotry 節(jié)點(diǎn)選取三維軸線(xiàn),對(duì)隧道斷面內(nèi)輪廓線(xiàn)通過(guò)掃略命令沿隧道空間軸線(xiàn)方向放樣,生成隧道襯砌內(nèi)表面,最后,運(yùn)用Surface.thicken 命令加厚隧道襯砌內(nèi)表面,實(shí)現(xiàn)二次襯砌模型創(chuàng)建。隧道的初期支護(hù)包括鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿安裝及混凝土噴射,其中錨桿、鋼筋網(wǎng)等沿著隧道拱頂、拱腰弧面布置,且數(shù)量較多,手動(dòng)布設(shè)難度大,普通的建模軟件難以滿(mǎn)足使用要求。選用Revit 和Dynamo 相結(jié)合的參數(shù)化方法構(gòu)建隧道初期支護(hù)BIM 模型過(guò)程如圖1 所示。

圖1 二次襯砌模型建模過(guò)程

可見(jiàn),即使采用多軟件協(xié)同建模,隧道工程信息模型建模過(guò)程也流程多且繁瑣,建模過(guò)程存在大量非參數(shù)化的建模方法,導(dǎo)致模型修改困難、復(fù)用性差等問(wèn)題,且需要在多個(gè)軟件之間交換數(shù)據(jù),自動(dòng)化程度低,對(duì)于普通隧道工程技術(shù)人員而言,熟悉和掌握難度大,不利于大范圍普及。

2.2 Revit 二次開(kāi)發(fā)

針對(duì)Revit 在隧道工程建模過(guò)程存在重復(fù)工作多、效率低等問(wèn)題,一些BIM單位用戶(hù)組織軟件工程師對(duì)Revit API進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),Revit API 是Revit 提供給用戶(hù)的應(yīng)用程序接口,用戶(hù)可以通過(guò)與.NET 兼容的編程語(yǔ)言（VB、C++、C#）結(jié)合Revit API 提供的函數(shù)方法對(duì)Revit 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Revit API 包含大量類(lèi)庫(kù),設(shè)計(jì)人員可以在API 基礎(chǔ)上對(duì)軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化,開(kāi)發(fā)針對(duì)特定構(gòu)件庫(kù)的快速建模插件,從而提高BIM建模準(zhǔn)確率和建模效率?？梢?jiàn),這種針對(duì)隧道工程自身特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用軟件在創(chuàng)建隧道信息化模型時(shí)非常方便和高效,具有隧道工程相關(guān)知識(shí)即可迅速創(chuàng)建隧道信息模型,該方法降低了隧道信息模型創(chuàng)建門(mén)檻,只要有隧道工程知識(shí),就可以很快建立模型,便于BIM的大范圍普及。但這種基于專(zhuān)用軟件的方法對(duì)于BIM用戶(hù)是非開(kāi)放的,需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)和維護(hù),開(kāi)發(fā)成本大,后續(xù)維護(hù)工作量大,軟件修改和維護(hù)代價(jià)昂貴。

2.3 基于隧道工程構(gòu)件族庫(kù)

現(xiàn)有的BIM 技術(shù)應(yīng)用于隧道工程存在隧道結(jié)構(gòu)基本模型庫(kù)缺失、參數(shù)化不足導(dǎo)致模型重復(fù)利用率低、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)缺失因而無(wú)法共享數(shù)據(jù)等問(wèn)題,李曉軍等將隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件劃分為單元,并按照是否具備可復(fù)用性分為標(biāo)準(zhǔn)段與特殊段,分別就標(biāo)準(zhǔn)段與特殊段進(jìn)行參數(shù)化,例如直線(xiàn)隧道單元襯砌模型采用放樣方法建立,參數(shù)化信息包括材料、二襯厚度、單元長(zhǎng)度等參數(shù)；曲線(xiàn)襯砌單元模型采用旋轉(zhuǎn)方式建立,實(shí)現(xiàn)材料、曲線(xiàn)半徑、襯砌厚度、單元長(zhǎng)度、角度等參數(shù)的參數(shù)化；錨桿由錨頭、桿體、鋼墊板、螺母組成。主洞與人行橫通道、車(chē)行橫通道等交叉段參數(shù)化模型如圖2 所示。

圖2 交叉段參數(shù)化模型單元

這種將隧道結(jié)構(gòu)劃分為基本單元的參數(shù)化建模方法對(duì)于提高模型復(fù)用性比較有利,但是和revit 基于族圖元參數(shù)化建模方法還有一定距離。下面重點(diǎn)了解Revit 基于族圖元參數(shù)化建模思路及原理。

3 Revit 基于族圖元參數(shù)化建模方法的特點(diǎn)

Revit 建模過(guò)程所使用的所有圖元都是族圖元,而族圖元是經(jīng)過(guò)合理的參數(shù)化設(shè)計(jì)創(chuàng)建的,所有的圖元都是通過(guò)族（family）來(lái)創(chuàng)建的,族是幾何體的基本模板,每個(gè)族能夠在內(nèi)部定義多種類(lèi)型,每種類(lèi)型可以具有不同形狀、尺寸、材質(zhì)等參數(shù)值,在項(xiàng)目中能夠根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)并將其實(shí)例化,創(chuàng)建BIM 模型的過(guò)程就是族在不斷實(shí)例化族類(lèi)型的過(guò)程,族是Revit 建筑建模的基礎(chǔ),創(chuàng)建族和完善族庫(kù)是Revit 創(chuàng)建BIM項(xiàng)目的前提。

Revit 中包含三種族類(lèi)型：系統(tǒng)族、標(biāo)準(zhǔn)族、內(nèi)建族,在項(xiàng)目中創(chuàng)建的大多數(shù)圖元都是系統(tǒng)族或可載入族。系統(tǒng)族可以創(chuàng)建基本建筑圖元,如墻、屋頂、天花板、樓板、以及其他在施工場(chǎng)地裝配的圖元。能夠影響項(xiàng)目環(huán)境且包含標(biāo)高、軸網(wǎng)、圖紙和視口類(lèi)型的系統(tǒng)設(shè)置也是系統(tǒng)族。由于系統(tǒng)族是預(yù)定義的,因此它是3 種族中自定義內(nèi)容最少的,但卻包含更多的智能行為。在項(xiàng)目中創(chuàng)建的墻會(huì)自動(dòng)調(diào)整大小,來(lái)容納放置在其中的窗和門(mén)。在放置窗和門(mén)之前,無(wú)需為它們?cè)趬ι霞羟卸纯凇?/p>

Revit 為用戶(hù)提供了多種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族,用戶(hù)可以利用族編輯器對(duì)其修改,也可以利用Revit 提供的族樣板創(chuàng)建新族?？奢d入族可以創(chuàng)建通常購(gòu)買(mǎi)、提供和安裝在建筑上的如窗、門(mén)、櫥柜、設(shè)備、家具等?？奢d入族可以組合在一起來(lái)創(chuàng)建嵌套共享族。軟件提供了許多樣板（包括門(mén)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、窗、家具和照明設(shè)備的樣板）,樣板包含了許多開(kāi)始創(chuàng)建族時(shí)所需的信息以及Revit Architecture 在項(xiàng)目中放置族時(shí)所需的信息。當(dāng)開(kāi)始創(chuàng)建族時(shí),在族編輯器中打開(kāi)要使用的樣板,選擇樣板很重要,選擇的樣板不僅決定了要?jiǎng)?chuàng)建目標(biāo)圖元的類(lèi)型,也決定了目標(biāo)族圖元和其他族圖元接觸時(shí)的行為方式,通過(guò)這種層層繼承方式最大程度減少新創(chuàng)建族的自定義工作量和重復(fù)性工作,例如新族創(chuàng)建時(shí)的繼承關(guān)系和參數(shù)定義如圖3 所示。

圖3 新族繼承關(guān)系

在Revit 中,族是實(shí)現(xiàn)實(shí)例化單元的重要元素,Revit“族”的特性非常適合復(fù)用性較高的隧道構(gòu)件單元管理,目前隧道工程不能利用Revit 系統(tǒng)族進(jìn)行建模,一般采用公制常規(guī)模型族或體量族建模,族圖元缺乏智能行為,由此造成隧道工程建模效率低和后期在視圖管理、工程量統(tǒng)計(jì)和二維出圖等方面的困難。

IFC(Industry Foundation Class)是用于定義建筑信息可擴(kuò)展的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式,當(dāng)前IFC 標(biāo)準(zhǔn)中不包含隧道領(lǐng)域的相關(guān)描述類(lèi),雖然理論上構(gòu)建可載入族能實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目相互調(diào)用,但實(shí)際不同隧道工程項(xiàng)目的差異性導(dǎo)致族構(gòu)件難以直接引用,需要進(jìn)行局部修改,而參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)的不一致導(dǎo)致一處變更處處變更,有關(guān)聯(lián)的構(gòu)件模型均需要改動(dòng),由此使得隧道工程BIM建模工作量巨大,且重復(fù)性工作居多,造成模型的創(chuàng)建、修改和再利用效率低下。

4 結(jié)論

本文就目前隧道工程信息模型參數(shù)化建模方法進(jìn)行了分析和比較,結(jié)論如下：

4.1 Revit 3D 幾乎面向所有行業(yè),普通隧道工程技術(shù)人員上手快,容易掌握,在國(guó)內(nèi)隧道工程行業(yè)普及程度高,在隧道工程信息模型參數(shù)化建模方面具有較高的普適性。

4.2 目前在隧道工程專(zhuān)業(yè)化參數(shù)化建模軟件和平臺(tái)缺失條件下,隧道工程信息模型參數(shù)化建模多采用基于Autocad平臺(tái)多軟件協(xié)同建模方法或二次開(kāi)發(fā),操作流程復(fù)雜,普通隧道工程技術(shù)人員熟悉和掌握存在一定困難,不利于大范圍普及。

4.3 Revit“族”的特性非常適合復(fù)用性較高的隧道構(gòu)件單元管理,目前隧道工程不能利用Revit 系統(tǒng)族進(jìn)行建模,一般采用公制常規(guī)模型族或體量族建模,族圖元缺乏智能行為。

4.4 IFC 標(biāo)準(zhǔn)中不包含隧道領(lǐng)域的相關(guān)描述類(lèi),應(yīng)借鑒Revit 族基本架構(gòu)形式對(duì)隧道工程族庫(kù)基本架構(gòu)、參數(shù)方法等統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),個(gè)人或普通企業(yè)BIM用戶(hù)只需在基本族基礎(chǔ)上通過(guò)繼承方式進(jìn)行擴(kuò)展,從而提高隧道工程行業(yè)信息化水平建設(shè)效率和普及程度。