基于Revit的兩種隧道建模方法的對比分析★

楊曉強(qiáng)，賈 開，李仁山，王少鵬，岳增明，鐘慶豐

(1.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710049； 2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000； 4.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

如前所述，地鐵工程的建設(shè)無論從規(guī)模還是數(shù)量上，都在急劇上升。而在地鐵工程的施工過程中，會產(chǎn)生大量的施工圖紙和數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的二維圖紙所呈現(xiàn)的信息錯綜復(fù)雜，再加上現(xiàn)場工作人員的技術(shù)水平不一，如若對二維圖紙的理解有所差錯，則會造成不必要的返工和資源浪費，使得施工效率低下[1]。為了有效解決上述問題，基于計算機(jī)模擬應(yīng)用的建筑信息模型技術(shù)，即BIM技術(shù)被逐漸應(yīng)用到了隧道工程中。與傳統(tǒng)的二維圖紙不同，BIM技術(shù)可以將繁雜的圖紙信息直觀地用三維模型呈現(xiàn)，其特點就是所見即所得，這樣即使非專業(yè)人士也能夠迅速地理解和獲取到工程的相關(guān)信息。所以BIM 技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了地鐵工程的建設(shè)效率，也可以降低施工成本的投入，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)價值[2-4]。

基于西安地鐵1號線三期工程，在隧道模型部分，使用兩種不同的方法進(jìn)行隧道建模，并對這兩種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行對比分析，為類似的工程項目提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概述及建模思路

1.1 項目概況

西安市地鐵1號線三期工程中華西路站—安谷路站區(qū)間起于安谷路站，盾構(gòu)井設(shè)于安谷站項目部內(nèi)，線路出安谷路站后以23.729‰的坡度穿越宇宏健康花城，然后進(jìn)入渭河河段，穿出渭河后沿彩虹二路地下敷設(shè)，先以25‰和5.961‰下坡并側(cè)穿過書香河畔小區(qū)，最后到達(dá)中華西路站。

中安區(qū)間總平面圖見圖1。

1.2 區(qū)間隧道概況

中—安區(qū)間隧道左、右線長分別為2 027.495 m和2 054.380 m，區(qū)間隧道左、右線各有平面彎曲兩次，最小曲線半徑為400 m；區(qū)間隧道軌面的最小埋深約為15.45 m，該處的拱頂覆土約9.75 m，軌面的最大埋深約35.7 m，該處的拱頂覆土約29.38 m，左右線的線間距約為13 m～18 m。整個中—安區(qū)間的場地地形總體較平坦，地面高程384.0 m～396.3 m，高差1 m～12 m，場地相對空曠，地面建筑較少，下穿宇宏地塊在建場地內(nèi)有基坑開挖，起伏較大，埋深變化大。區(qū)間隧道的線路縱坡整體呈“V”字型，最大縱坡為25‰。下穿渭河段隧道平行于渭河3號橋敷設(shè)，與3號橋水平凈距約34 m。

區(qū)間于YCK4+159.00～YCK3+494.00處下穿渭河。渭河是黃河最大的一級支流，下穿段堤距約600 m，結(jié)構(gòu)拱頂距河底豎向凈距約15.3 m，距最低沖刷線約5.4 m。地貌由北向南依次通過渭河北岸二級階地(段落里程YCK2+830～YCK3+460)、渭河河漫灘(段落里程YCK3+460～YCK4+140)、渭河南岸一級階地(段落里程YCK4+140～YCK4+887.5)三個地貌單元。區(qū)間隧道洞身范圍內(nèi)地層自上到下分別為粗砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、中砂、粗砂，隧道主要穿越的地層為中砂和粉質(zhì)黏土層。

1.3 建模思路

Autodesk Revit軟件中族文件的使用，可以大大提高建模的效率，因為Revit族文件數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)件模型可以直接調(diào)取出來并導(dǎo)入項目文件中，所以對該類文件的靈活應(yīng)用可以顯著地提高建模的速度，為BIM技術(shù)在各類工程中的應(yīng)用提出了新的選擇方案。但Revit自帶族庫的族文件種類有限，需要不斷地進(jìn)行開發(fā)和完善，而且目前在Revit中還沒有專屬的隧道工程模塊，對于缺少的族文件只能自行開發(fā)補(bǔ)充，所以針對于復(fù)雜的地鐵模型不僅建模比較困難，還加大了建模工作量。因此，本文通過前期查閱相關(guān)資料以及研究類似工程的成功案例，我們發(fā)現(xiàn)有以下幾個較為可行的思路：

日本大學(xué)從民間獲取的資金主要包括共同研究費、受托研究費、臨床實驗費、知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓費。2011—2016年日本大學(xué)從民間獲取的這4項經(jīng)費的數(shù)量逐年增加，2016年達(dá)到約848億日元（見表3）。雖然大學(xué)從民間獲取的經(jīng)費有所增加，但從國際比較來看，日本大學(xué)從民間獲得經(jīng)費的比例還比較低：2010年時，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）國家大學(xué)研發(fā)經(jīng)費中民間經(jīng)費的平均占比為5%，而日本2013年時的這一占比只有2.6%，比經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織國家中較高的德國（14%）、韓國（12.3%）、加拿大（7.2%）、西班牙（6.6%）等低很多，也不及低于平均水平的美國（4.8%）、英國（4.1%）。

1)在Revit中導(dǎo)入隧道設(shè)計圖紙，通過勾勒輪廓線、拾取模型線、拉伸實體模型等操作，可以建立出隧道的整體物理結(jié)構(gòu)模型，其速度較快但可調(diào)控性差，只能處理長直段的隧道模型，對于隧道的彎道區(qū)段、特別是空間曲線模型的建立較為困難，所以很難與實際工程相契合。

2)內(nèi)建體量法，該方法使用的是Revit自帶的體量族功能，無需引入輔助插件，主要原理是將隧道設(shè)計圖紙導(dǎo)入Revit中，通過拾取隧道軸線，并在路徑線上設(shè)置放樣點，然后選取某一放樣點作為工作平面繪制隧道斷面細(xì)節(jié)，最后生成體量的方式建立隧道模型。該方法的優(yōu)點是可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，可以根據(jù)隧道的設(shè)計圖紙建立空間曲線模型以契合工程實際。此外，該方法對電腦配置要求不高，建模速度較快，時間成本低。但是該方法的不足在于需要手動調(diào)整放樣點，所以可能會與工程實際之間存在略微的誤差，其次是對模型細(xì)節(jié)的體現(xiàn)不足。

3)Dynamo+Revit方法，在Revit中引入第三方插件Dynamo，利用Dynamo可視化編程的特性，將編寫好的程序文件導(dǎo)入Revit后，輸入管片相關(guān)參數(shù)并選中隧道設(shè)計路線排布管片即可生成隧道模型。其優(yōu)點是模型精度較高，可視化質(zhì)量較好，不需要手動調(diào)整模型，同樣可以建立空間曲線模型。但編寫Dynamo程序文件的工作煩瑣且任務(wù)量大，耗時較長。此外該方法還對建模電腦的配置要求很高，否則建模的響應(yīng)時間非常久，使得建模的時間成本提高。

通過實際操作和應(yīng)用后，本項目中主要使用了后兩種方法，因此本文僅探討、對比后兩種方法。

2 內(nèi)建體量法

內(nèi)建體量法本質(zhì)上是創(chuàng)建具有體量大、形狀不規(guī)則、特異性較強(qiáng)等特點的族文件模型，是一項可以滿足用戶的個性化需求的功能，因此其可操作性較強(qiáng)。因為隧道軸線是一條空間曲線，其曲率及曲率變化量均為變量，Revit容易實現(xiàn)平面曲線的放樣，但空間曲線的放樣比較困難，所以基礎(chǔ)模塊難以解決上述問題。而Revit內(nèi)建體量模塊中的樣條曲線可以在各個維度上調(diào)整其線形，使其在平面和縱斷面上分別和實際工程相契合，所以建立出的模型線實質(zhì)上是一條空間曲線。因此我們可以利用樣條曲線的這一特點，來很好的解決隧道在彎道區(qū)段的建模問題。運用Revit內(nèi)建體量法建模的基本步驟如下：

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先根據(jù)設(shè)計資料確定隧道設(shè)計軸線的途經(jīng)路線，分別導(dǎo)出區(qū)間隧道左、右線線路軸線的平面圖和縱斷面圖。

2)然后基于路線圖設(shè)置放樣點(見圖2)。首先在Revit界面的俯視圖中導(dǎo)入隧道軸線的平面圖，再使用樣條曲線功能來拾取路徑線，并基于所需的精度要求來設(shè)置放樣點的數(shù)量。精度要求越高，則需要設(shè)置的放樣點就越多，建模耗時就越長；若對模型細(xì)節(jié)的精度要求較低，則可以通過適當(dāng)減少放樣點數(shù)量，來提高建模的速度。在設(shè)置好放樣點之后，反復(fù)調(diào)整放樣點到更加合適的位置上，直到模型線與隧道軸線平面圖相吻合。

3)待樣條曲線與隧道軸線的平面圖基本吻合后，在最兩端的放樣點中任選其一，然后點擊查看工作平面，調(diào)取出繪制隧道斷面細(xì)節(jié)的對話框，然后以該點處的工作平面為基準(zhǔn)平面，根據(jù)隧道橫斷面設(shè)計圖做出隧道斷面及其他構(gòu)造細(xì)節(jié)(見圖3)。不過由于Revit在該模塊的功能不夠完善，該工作平面內(nèi)的繪圖工具較少、操作空間也比較局限，所以隧道斷面的設(shè)計不宜復(fù)雜。

4)上述步驟完成后，在模型的側(cè)視圖中導(dǎo)入處理好的隧道縱斷面圖來調(diào)整各放樣點的標(biāo)高，同樣調(diào)整各放樣點到合適的位置(見圖4)，使模型線與隧道的縱斷面圖相吻合。調(diào)整完成后再回到模型的俯視圖來檢查平面線形是否發(fā)生變化，若有微小偏離手動調(diào)整即可，然后再回到縱斷面視圖核對各點標(biāo)高是否正確，重復(fù)上述操作，反復(fù)調(diào)整直到樣條曲線的平、縱斷面線形和區(qū)間隧道的設(shè)計軸線一致。

5)最后框選所有放樣點，然后點擊創(chuàng)建實心形狀就可以生成隧道模型，而該過程的耗時時長就取決于放樣點的數(shù)量和隧道斷面的復(fù)雜程度。隧道左、右線模型的創(chuàng)建步驟一致，均如上所述，在左線創(chuàng)建完成后，按照相同的步驟創(chuàng)建隧道右線即可生成整體隧道模型，見圖5。

6)最后導(dǎo)入地質(zhì)勘測資料，根據(jù)巖土勘測報告中給出的土層信息，自上而下分層建模，先拾取土層輪廓然后拉伸實心形狀，形成土層模型，然后用不同的顏色來表示不同的土質(zhì)(見圖6)。

3 Dynamo+Revit法

前文我們提到Revit的基礎(chǔ)模塊較難建立異形結(jié)構(gòu)及曲面模型，而Dynamo插件便是Autodesk 公司針對Revit曲面建模能力的不足而推出的補(bǔ)充產(chǎn)品[5]。Dynamo可視化編程的模式，可以讓設(shè)計人員直觀、方便地進(jìn)行可視化設(shè)計，另外該插件對用戶的編程能力要求也不高，因為其自帶的內(nèi)置節(jié)點可基本滿足用戶的需求，當(dāng)然用戶也可以通過Python自行編輯節(jié)點以滿足特殊的設(shè)計需求[6]。通過Dynamo驅(qū)動自適應(yīng)族來實現(xiàn)參數(shù)化的隧道模型，其基本原理是在Dynamo中把管片環(huán)半徑、管片寬度、標(biāo)準(zhǔn)塊、連接塊、封頂塊的角度參數(shù)作為基本參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后，就能確定每個管片的關(guān)鍵點，用來定位管片自適應(yīng)族。這樣一來對隧道通用管片進(jìn)行建模時，曲面、復(fù)雜孔洞等問題就得以解決。

Dynamo驅(qū)動自適應(yīng)族建模的具體內(nèi)容，首先是通過自適應(yīng)方式分別創(chuàng)建鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊、封頂塊的自適應(yīng)管片族，然后通過嵌套的方式形成管片構(gòu)件。自適應(yīng)管片族可根據(jù)區(qū)間隧道設(shè)計軸線的坐標(biāo)，適應(yīng)不同斷面尺寸和變坡點，自動擬合閉環(huán)。通過改變參數(shù)值，可以快速構(gòu)建新的管片模型，有效增強(qiáng)自適應(yīng)管片模型的適用性，并滿足管片各類錯縫安裝的設(shè)計及施工要求，以及逐步完善企業(yè)構(gòu)件庫。管片族可分為直線環(huán)及左右轉(zhuǎn)彎環(huán)，由區(qū)間隧道總平面圖可推導(dǎo)如何選擇不同楔形量的管片。依據(jù)隧道線路中心線的弧度確認(rèn)使用直線環(huán)或者左右轉(zhuǎn)彎環(huán)；依據(jù)中心線長度，確認(rèn)選取管片的數(shù)量，并結(jié)合隧道設(shè)計軸線形成隧道管片拼裝。使用Dynamo+Revit方法建模的基本步驟如下：

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。根據(jù)隧道斷面的設(shè)計圖紙，以襯砌管片標(biāo)準(zhǔn)塊為底圖，然后制作以管片各角點和各長邊中點等共12個點為自適應(yīng)點的自適應(yīng)族構(gòu)件(見圖7)，節(jié)點編號按逆時針順序依次增大，然后以上下底面為約束面創(chuàng)建實心形狀，完成自適應(yīng)管片族文件的建立，并存為rfa文件格式以備調(diào)用。

2)在Dynamo中進(jìn)行可視化編程，設(shè)置節(jié)點和連接將代碼塊連接在一起以構(gòu)成具備特定功能的自定義節(jié)點組，如創(chuàng)建隧道斷面、分割斷面設(shè)置自適應(yīng)點、設(shè)置管片參數(shù)、設(shè)置錯峰類型、按照隧道軸線排布管片等等命令，然后將所有的節(jié)點組組合在一起，從而編制可以驅(qū)動自適應(yīng)管片族來實現(xiàn)參數(shù)化隧道建模的程序文件。

3)導(dǎo)入處理好的隧道設(shè)計線的平面圖及縱斷面圖作為隧道軸線底圖，同樣采用空間樣條曲線進(jìn)行路徑線放樣，放樣的步驟與第二節(jié)描述的方法一樣。然后在Dynamo中選擇已經(jīng)繪制好的隧道軸線，如若成功選中模型單元，則代碼塊會變色，并會顯示已經(jīng)選中的單元編號，如圖8～圖10所示。

4)然后在Dynamo中導(dǎo)入步驟一中制作好的自適應(yīng)管片族文件，然后根據(jù)工程實際設(shè)置好隧道管片外半徑、管片厚度、管片寬度以及管片的圓弧角度參數(shù)，因為管片前后斷面的角度參數(shù)并不一致，所以需要分別對其進(jìn)行設(shè)置(見圖11，圖12)。另外需要注意，同一斷面處管片鄰接塊的內(nèi)外圓弧角大小也不一樣，因此也需要分別設(shè)置。

5)最后選擇錯縫布置類型及環(huán)間螺栓個數(shù)(如圖13所示)。在錯縫布置類型的選擇框中，數(shù)字0代表通縫，即隧道各管環(huán)間不錯縫，但工程中一般會避免這種情況的出現(xiàn)；數(shù)字1代表相鄰管環(huán)沿逆時針方向錯縫；數(shù)字2代表相鄰管環(huán)沿順時針方向錯縫；數(shù)字3代表相鄰管環(huán)在封頂塊附近左右擺動錯縫；數(shù)字4代表相鄰管環(huán)沿環(huán)向360°均勻錯縫。在選擇好隧道管環(huán)間的錯縫布置類型和環(huán)間螺栓數(shù)量后，運行Dynamo生成隧道模型(如圖14所示)。

隧道圍巖體、土層的建模步驟，以及周邊地物地貌的建模結(jié)果與內(nèi)建體量法一致，此處不再贅述。

4 結(jié)語

通過使用Revit軟件進(jìn)行了隧道模型的建立，并使用了兩種隧道建模的方法。文中所述的兩種建模方法各自有各自的優(yōu)點與不足，內(nèi)建體量法無需編程，對建模電腦的配置要求也低，所以無論在時間上還是費用上，其建模成本都較低。雖然其模型質(zhì)量一般、細(xì)節(jié)體現(xiàn)不足，但在隧道的設(shè)計規(guī)劃階段，該方法不失為一種成本低、時效快的好方法。Dynamo+Revit的建模方法，其優(yōu)點很突出，但隨之而來的問題就是需要一定的編程工作，且對建模電腦的配置要求很高，當(dāng)然該方法在最終成果的產(chǎn)出時，可以考慮使用。所以這兩種方法在項目建設(shè)的不同階段中有著不同的優(yōu)勢，可以結(jié)合二者各自的優(yōu)點綜合應(yīng)用。綜上，本文結(jié)合實際工程對前文所述的兩種建模方法進(jìn)行應(yīng)用并分析對比，可為其他類似的工程項目提供一定的參考。