基于BIM技術的隧道工程自動算量方法

趙彥磊 紀淑營 苗傳棟

(96786部隊，北京 102200)

引言

BIM技術因其所具備的可視化、協(xié)調性、模擬性和可優(yōu)化性等特點，目前廣泛應用于城市規(guī)劃和建設中，特別是在三維可視化建模和工程量計算方面的優(yōu)勢給施工帶來了極大的方便。在隧道施工過程中，可通過BIM技術實現(xiàn)工程算量、施工模擬、技術交底、成本管理等應用，這些都是以3D模型為基礎，因此如何在保證模型細度和準確性的基礎上實現(xiàn)快速建模從而提高工作效率顯得尤為重要[1]。在我們生活中，除常見的單一斷面的公路、鐵路隧道以外，還有許多斷面種類多、工程量大、結構復雜的隧道工程，比如重慶涪陵816地下工程、白鶴灘水電站、八達嶺長城地下高鐵站等。在對此類復雜隧道工程進行建模時，以往的建模方法較為落后，建模效率低。Revit軟件作為目前最常用的BIM建模軟件，相比于其他建模軟件，其在隧道工程建模方面有著明顯的優(yōu)勢，特別是其參數(shù)化族建模和明細表算量等功能給復雜隧道工程建模和算量提供了便利。本文通過發(fā)散式思維，充分挖掘建模軟件現(xiàn)有功能，創(chuàng)新建模方法，利用參數(shù)化族和系統(tǒng)自帶族進行快速建模，利用軟件既有的明細表功能實現(xiàn)了自動算量，方法簡單高效。

目前在隧道工程建模和算量方面的研究主要集中于利用輔助軟件和插件或者基于建模軟件的二次開發(fā)應用。比如，張愷韜應用 Revit軟件和Dynamo編程插件對山嶺隧道三維模型建模簡化進行研究，建立了山嶺隧道參數(shù)化和宏操作的建模程序，節(jié)約了隧道三維建模時間，提高建模效率，但此方法過于依賴插件，對建模人員要求更高，普適性較差[2]。龐思雨等人提出了一種基于 BIM技術的隧道參數(shù)化建模方法，此方法是斷面參數(shù)化族的拓展應用，在提高多斷面隧道工程建模效率方面仍有值得優(yōu)化的地方[3]。以往在進行工程算量時主要通過人工套取算量公式進行計算，不僅速度較慢，還無法保證數(shù)據的準確性。于鑫等人提出基于Revit的二次開發(fā)實現(xiàn)三維鋼筋算量方法，此方法較為復雜，且對建模人員的編程能力要求較高[4]。莫自慶等人通過對廣聯(lián)達GCL等第三方算量軟件進行研究發(fā)現(xiàn)其劣勢是模型交互過程中易漏項、錯項，并且難以實現(xiàn)一些復雜異性構件的建模[5]。本文在第2至第5章中按照隧道施工順序闡述隧道掘擴和錨網噴支護的建模方法。

1 以結構框架(梁族)為基礎的快速掘擴模型建模方法

隧道工程因其斷面形式和洞室類型眾多，而且它們又根據圍巖級別和斷面位置不同而進行不同程度量的超挖[6]。以往在建立隧道掘進模型時主要通過以下兩種方法，一是在Revit內部通過內建模型進行3D斷面拉伸，此方法只能針對單一斷面建模，且繪制較為繁瑣需要進行大量重復性工作，效率較低。二是通過建立參數(shù)化2D隧道輪廓族，再在項目中進行放樣操作建立常規(guī)模型，此方法可以針對不同斷面參數(shù)來繪制不同斷面的掘擴模型，但繪制依舊較為繁瑣，效率較低[3]。

為解決上述兩種方法存在的問題，現(xiàn)創(chuàng)新性地使用結構梁族進行建模。結構梁在Revit中功能十分強大，可以對其截面尺寸添加約束條件來實現(xiàn)斷面參數(shù)化建模，并且在繪制結構梁時方法簡便多樣，既可以直接繪制路徑也可以通過拾取線的方式任意繪制結構梁的形狀，實現(xiàn)了3D參數(shù)化建模?？紤]到結構梁在Revit中的可編輯性和繪制簡便性，完全滿足隧道掘進施工模型要求，因此本文重點介紹利用梁族建立隧道掘擴模型。本章以側墻拱頂式斷面隧道為例講解快速掘擴模型的建模方法。

表1 隧道掘擴模型建模方法對比

1.1 以梁族為基礎的斷面參數(shù)化族的建立

參數(shù)化建模的優(yōu)勢在于當參數(shù)值改變時，整個系統(tǒng)會隨之改變，從而得到不同的輸出結果，只要模型關聯(lián)的邏輯固定，設計者可以根據需要改變任意參數(shù)來得到需要的反饋，從而實現(xiàn)參數(shù)驅動模型以及模型的重復使用[7]。斷面參數(shù)化族是通過對參照平面添加尺寸參數(shù)，并將斷面輪廓與參照平面進行鎖定約束，從而實現(xiàn)對斷面輪廓的參數(shù)化控制。

第一步，在Revit軟件中新建“公制結構框架—梁和支撐”族文件。因為原有族中在梁的兩端預留調節(jié)距離，為使建立的掘擴模型算量準確，應解除原有限制(如圖1)，而后進入立面右視圖繪制掘擴斷面。

圖1 更改系統(tǒng)族長度約束

第二步，創(chuàng)建斷面輪廓線。首先根據斷面設計要求，建立相應參照平面并進行尺寸標注和添加參數(shù)。而后根據創(chuàng)建的參照平面繪制結構梁截面輪廓，并將輪廓與參照平面進行對齊鎖定。

第三步，參數(shù)化族的檢驗。通過修改族參數(shù)檢測斷面是否會發(fā)生改變，根據設計需要新建不同斷面尺寸的族類型并載入項目中。

1.2 利用結構梁族繪制隧道掘擴模型

在繪制隧道掘擴模型前可在Revit項目中鏈接隧道設計CAD圖紙，而后依據圖紙中的軸網使用拾取線命令進行繪制。在繪制過程中可根據設計要求通過改變斷面參數(shù)來繪制不同斷面的模型(如圖2)。

圖2 利用拾取線方式繪制掘擴模型

1.3 結構梁族建模方法的應用

使用結構梁族進行建模的優(yōu)勢在于建模速度快，可快速形成三維模型進行可視化展示； 也可通過零件拆分的方式進行施工階段劃分，進而用于施工模擬(如圖3)； 同時可以利用結構框架明細表進行自動算量得到隧道掘擴階段的工程量(如圖4)。

圖3 對隧道掘擴模型進行零件分割

圖4 隧道掘擴模型明細表

2017年7月，運用此方法，對一新建工程通過手工算量團隊與BIM建模自動算量比對測試，掘擴算量相似99.3%，襯砌算量相似99.7%。2018年，對同一在建工程， 60人運用此方法進行BIM建模算量比對測試，掘擴算量相似99.9%以上。2018年10月，以同一試點工程為原型，組織21人分別使用三種方法進行建模，通過測試發(fā)現(xiàn)使用第一種建模方法大約需要一個月的時間，使用第二種建模方法大約需要一周時間，使用第三種方法建模大約只需要5個小時，建模效率提高了50倍以上，模型在建立后通過點擊梁族明細表即可快速得到隧道掘擴工程量，真正實現(xiàn)了建模即出工程量。

2 利用面墻、面屋頂快速創(chuàng)建噴射混凝土模型

因面墻和面屋頂具備在異性體量上通過拾取面的方式創(chuàng)建墻和屋頂?shù)墓δ埽虼丝稍谌S視圖下分別拾取已建成掘擴模型的側墻和拱頂來實現(xiàn)噴射混凝土快速建模，保證了掘擴模型和噴射混凝土模型的吻合和數(shù)據的準確。

2.1 側墻、拱頂噴射混凝土模型繪制方法

在繪制側墻噴射混凝土模型時，選擇功能區(qū)“墻—面墻”命令，在屬性欄中，根據設計要求新建面墻并編輯面墻屬性，而后選擇噴射混凝土附著的面，完成側墻噴射混凝土模型繪制(如圖5)。

圖5 利用拾取面方式繪制側墻噴射混凝土

同理，選擇面屋頂命令繪制拱頂噴射混凝土模型。在繪制時應取消“選擇多個”命令，在繪制完成后發(fā)現(xiàn)拱頂與側墻有部分重合，為保證模型數(shù)據準確性，將拱頂?shù)拇孛嫘问礁臑檎叫坞p截面(如圖6)。

圖6 更改拱頂?shù)拇孛嫘问?/p>

2.2 建模方法的優(yōu)點與應用

在實際施工過程中根據圍巖等級不同往往需要進行多次噴射混凝土支護，每一次噴射混凝土的厚度也有所差異，如何應用BIM技術進行技術交底，以三維可視化模型指導施工是進行BIM研究的一項重要工作[8-9]。利用面墻和面屋頂建立的噴射混凝土模型的優(yōu)勢不僅僅在于快速建模和自動算量，還可以通過拆分零件的方式對噴射混凝土模型進行分層從而實現(xiàn)模擬多層噴射支護施工。

以往一般利用以下公式進行圖7所示的噴射混凝土工程量計算，不僅計算過程繁瑣，還容易出現(xiàn)錯誤導致算量不準。

V噴側1=0.05*h2*2* L斷面

(1)

V噴側2=(dp-0.05)*h2*2* L斷面

(2)

V噴拱1=0.05*R2*θ2*2* L斷面

(3)

V噴拱2=(dp-0.05)*(R2-0.05)

*θ2*2 * L斷面

(4)

端墻噴射砼按毛洞面積乘以厚度計算。

dp——噴射砼厚度，L斷面——斷面長度

圖7 斷面噴射混凝土示意圖

利用面墻和面屋頂繪制噴射混凝土模型時，噴射混凝土的層數(shù)和每層的厚度由墻和拱頂結構層的數(shù)量和每層的厚度決定，從而實現(xiàn)了模型的自由控制(如圖8)。通過編輯墻和拱頂結構層層數(shù)以及每一層的厚度和材質，而后利用材質提取明細表得到每一層噴射混凝土的體積，即可實現(xiàn)側墻拱頂噴射混凝土自動算量(如圖9)，同時多層噴射混凝土模型方便進行施工模擬(如圖10)[10]。

圖8 對側墻進行分層編輯

圖9 側墻噴射混凝土明細表

圖10 側墻與拱頂噴射混凝土模型三維圖

3 利用幕墻和玻璃斜窗快速創(chuàng)建錨桿模型

以往在繪制類似錨桿這種有規(guī)律、大數(shù)量的模型時通常使用陣列命令，但在隧道施工模型中由于拱頂是曲面，使用陣列命令繪制錨桿較困難并且難以保證模型的準確性。考慮到幕墻和玻璃斜窗中嵌板網格尺寸具備可編輯性，并且可以通過公制幕墻嵌板族來實現(xiàn)單根錨桿模型的參數(shù)化，因此創(chuàng)造性地使用幕墻嵌板族繪制錨桿模型(如圖11)。

圖11 利用幕墻嵌板族繪制錨桿模型流程圖

3.1 新建幕墻嵌板族

在Revit軟件中通過“公制幕墻嵌板族”創(chuàng)建錨桿參數(shù)化族。在軟件中，對錨桿直徑、錨桿內部和外出長度進行參數(shù)化即可實現(xiàn)對錨桿直徑、錨桿長度、錨桿注入長度的自由控制(如圖12)。

圖12 錨桿三維模型圖

3.2 繪制側墻與拱頂錨桿并進行工程算量

在繪制時，幕墻嵌板類型選擇單根錨桿族，通過拾取面墻、面屋頂?shù)姆绞嚼L制幕墻和玻璃斜窗(如圖13)。通過創(chuàng)建幕墻嵌板明細表即可實現(xiàn)錨桿數(shù)量的自動算量(如圖14)。相較于以往的陣列建模方法，利用此方法繪制錨桿時，同一工程錨桿模型建模時間從三天縮短為半小時。

圖13 單根錨桿參數(shù)化族

圖14 錨桿明細表

4 利用鋼筋網區(qū)域快速繪制鋼筋網模型

鋼筋網是隧道掘擴模型中的難點，直接在掘擴模型上繪制鋼筋工作效率低，本章將介紹利用鋼筋網片區(qū)域繪制隧道鋼筋網模型的自動算量方法。受Revit軟件功能的限制，鋼筋網片只能基于結構墻進行繪制，我們參照第二章中的方法創(chuàng)建結構面墻，保證了鋼筋網模型與掘擴模型的關聯(lián)性。然后選擇鋼筋網區(qū)域命令，在指定區(qū)域繪制鋼筋網片。

利用鋼筋網片繪制鋼筋網不僅方便自由選擇繪制區(qū)域，還可以根據設計需要調整鋼筋網主筋方向、主筋和分布筋密度、鋼筋搭接接頭長度等參數(shù)?？梢酝ㄟ^所需鋼筋的切片質量利用鋼筋網區(qū)域明細表得到鋼筋網總質量(如圖15)。相較于單根繪制鋼筋，利用鋼筋網區(qū)域命令繪制鋼筋網是利用軟件自帶的區(qū)域性繪制功能，實現(xiàn)了鋼筋繪制從線到面的轉變，同一工程鋼筋網建模時間從以往單根繪制需要10小時縮短為網片繪制需要1小時。

圖15 鋼筋網明細表

5 結語

受軟件功能影響，Revit軟件更傾向于地上建筑的建模，本文立足BIM技術在隧道工程中的實際需求創(chuàng)新了建模方法。本文第一個創(chuàng)新點是立足隧道施工過程中掘擴和錨網噴支護兩個階段，針對不同施工過程中的各個隧道部件，開發(fā)Revit軟件現(xiàn)有功能并結合參數(shù)化建模研究出一套隧道掘擴模型自動算量建模方法，大大提高了建模的效率和準確度。本文另一創(chuàng)新點在于所建立的三維模型集成了構件信息，通過明細表的方式可以自動得到隧道掘擴方量、噴射混凝土方量、錨桿數(shù)量、鋼筋網質量等信息，實現(xiàn)了自動算量。

本文所論述的隧道工程自動算量方法于2017年在我內部某工程進行試點并論證總結， 2018年開始在內部多個地下工程推廣應用，目前在我內部工程技術交底、施工模擬和工程算量等應用中發(fā)揮了重要作用。