李中元 程熙竣

(中國電建集團(tuán)市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，珠海 519000)

引言

Revit于2004年進(jìn)入中國，在逐年高漲的基礎(chǔ)建設(shè)浪潮背景下，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從最傳統(tǒng)的建筑行業(yè)擴(kuò)張至水利水電行業(yè)、工廠行業(yè)等。BIM理念深入人心的同時，不同行業(yè)對Revit的應(yīng)用也出現(xiàn)了不同的需求，但Revit深耕建筑信息模型使得其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用顯得舉步維艱，尤其無法適應(yīng)公路工程路線長、空間曲線復(fù)雜、信息大、變更量大的特點[1]。

Dynamo是一款可用在Revit平臺上的可視化編程軟件[2]，在此軟件上可以根據(jù)界面中生成的幾何造型直觀地編寫腳本，再通過不同的算法組合來實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)建，Dynamo秉持“所見即所得”的原則，讓腳本與結(jié)果實現(xiàn)調(diào)整和觀看同步。

本文嘗試采用“Revit+Dynamo”的技術(shù)路徑來實現(xiàn)長螺旋線高速公路隧道真三維建模，所創(chuàng)建的模型不僅真實地創(chuàng)建了隧道主洞及車行、人行橫通道的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)，還通過參數(shù)化驅(qū)動實現(xiàn)路面橫坡的連續(xù)變化，為完善隧道BIM正向設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1 工程概況

紅河州建水(個舊)至元陽高速公路工程是云南省“十三五”高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，項目位于建水縣、元陽縣、個舊市，建設(shè)歷程全長約124.798km，是中國電建集團(tuán)轉(zhuǎn)型升級關(guān)鍵時期承擔(dān)建設(shè)規(guī)模單體最大的高速公路項目。其控制性重點工程之一的咪的村隧道屬于深埋特長隧道，最大埋深366m，右線長4 004.621m，左線長3 903.620m，包含10條人行橫通道、5條車行橫通道。咪的村隧道整體呈空間螺旋分布，沿線地質(zhì)情況復(fù)雜多變，主洞結(jié)構(gòu)覆蓋I～V級圍巖所對應(yīng)的全斷面襯砌類型。

根據(jù)建設(shè)單位的要求需建設(shè)紅河州建水(個舊)至元陽高速公路BIM建設(shè)管理信息系統(tǒng)，其中包括根據(jù)設(shè)計圖紙建立控制性重點工程的精細(xì)三維模型，并進(jìn)行深化應(yīng)用。

隧道工程依托于橫斷面和縱斷面設(shè)計，其結(jié)構(gòu)本質(zhì)就是根據(jù)沿線的圍巖特定選定安全、合理、經(jīng)濟(jì)的斷面形式，進(jìn)行從平面到立體的拉伸過程，下文根據(jù)這一原理闡述“Revit+Dynamo”的建模思路。

2 參數(shù)化建模技術(shù)路徑

“Revit+Dynamo”建模主要結(jié)合兩款軟件各自的特點，并依托數(shù)據(jù)接口完成建模數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、重構(gòu)、創(chuàng)建及導(dǎo)出。

通過Civil 3D獲取隧道中心線的平縱設(shè)計數(shù)據(jù)源，主要是坐標(biāo)和高程信息，將數(shù)據(jù)通過特定節(jié)點導(dǎo)入Dynamo并重構(gòu)三維空間設(shè)計線。根據(jù)隧道信息表整理的縱斷面設(shè)計信息，Dynamo對設(shè)計線實施逐樁分段定位、各分段起訖斷面放樣融合、各分段主洞模型合攏和橫通道剪切，最終將隧道模型作為族文件導(dǎo)出到Revit便完成了整體隧道精細(xì)化三維模型的創(chuàng)建。圖1為參數(shù)化建模技術(shù)路徑。

表1 咪的村隧道Z線73～75段襯砌詳細(xì)信息表

2.1 隧道詳細(xì)信息表

本項目沿線地質(zhì)復(fù)雜多變呈現(xiàn)無規(guī)律性，咪的村隧道整體呈現(xiàn)長螺旋深埋分布，因此該隧道橫斷面設(shè)計覆蓋了I～V級圍巖所對應(yīng)的全體圍巖襯砌類型。隧道精細(xì)化建模需要真實地展現(xiàn)不同樁號段落對應(yīng)的不同圍巖襯砌類型，因此，要把縱斷面、橫斷面以及附屬結(jié)構(gòu)等詳圖中直接用于精細(xì)化建模的一系列信息和參數(shù)整合匯總于Excel表中。從短期來看，此舉有助于同步校核施工圖設(shè)計成果，對現(xiàn)階段失誤和不足留下修正的空間； 從長期來看，此舉為今后可能出現(xiàn)的設(shè)計變更留出了改進(jìn)的空間，避免了三維成果的重復(fù)設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計變更聯(lián)動更新與迭代。

隧道詳細(xì)信息表主要包括標(biāo)定點、距標(biāo)定點的距離、起始結(jié)束里程樁號、襯砌結(jié)構(gòu)類型、起始/結(jié)束坡率、起始/結(jié)束內(nèi)輪廓、起始/結(jié)束外輪廓。其中，標(biāo)定點是在隧道起始樁號向小樁號方向延長5m確定的一個輔助定位點； 距標(biāo)定點距離是指各襯砌分段起訖里程樁號距標(biāo)定點的里程距離； 襯砌結(jié)構(gòu)類型是各樁號段對應(yīng)的特定圍巖襯砌類型； 起始/結(jié)束坡率是指各樁號段起始/結(jié)束斷面的超過橫坡坡率； 起始/結(jié)束內(nèi)輪廓是指橫斷面設(shè)計的內(nèi)部輪廓類型； 起始/結(jié)束外輪廓是指橫斷面設(shè)計的外部圍巖襯砌類型。

設(shè)定標(biāo)定點的目的是為了降低Dynamo在空間曲線上定位路線切線方向的法平面產(chǎn)生較大系統(tǒng)誤差的可能性，如表1所示，為Z線隧道詳細(xì)信息表具有代表性的部分。

橫通道詳細(xì)信息部主要包括車行/人行橫通道編號、對應(yīng)襯砌段落、對應(yīng)剪切里程樁號、橫通道起訖方向及襯砌結(jié)構(gòu)類型。其中，對應(yīng)剪切里程樁號是指該橫通道中心線與左右線隧道中心線相交位置的里程樁號； 對應(yīng)襯砌段落是指橫通道中心線與左右線的交點樁號對應(yīng)于左右線隧道詳細(xì)信息表中按樁號列舉所屬的襯砌段； 橫通道起訖方向是將橫通道視為一段小型隧道統(tǒng)一視為自右線向左線貫通地方式創(chuàng)建真三維模型的橫通道路線前進(jìn)方向； 襯砌結(jié)構(gòu)類型是指橫通道考慮圍巖防護(hù)、防火設(shè)計而設(shè)置的不同橫斷面襯砌類型。

此外，需在橫通道起始位置向兩端方向延長一定距離，并計算各段襯砌結(jié)構(gòu)起訖樁號距離該標(biāo)定點的距離。此舉旨在避免因?qū)嶓w外露不充分而導(dǎo)致的橫通道與主洞布爾運算出錯的可能，需要把兩端的起始和結(jié)束襯砌適當(dāng)延長。具有代表性的V級圍巖車行橫通道詳細(xì)信息表如表2所示。

表2 咪的村隧道1#車行橫通詳細(xì)信息表

2.2 參數(shù)化橫斷面構(gòu)建集

本項目隧道設(shè)計一律采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，內(nèi)輪廓設(shè)計包含：帶仰拱隧道內(nèi)輪廓、無仰拱隧道內(nèi)輪廓、帶仰拱緊急停車帶內(nèi)輪廓、無仰拱緊急停車帶內(nèi)輪廓、帶仰拱人行橫通道內(nèi)輪廓、無仰拱人行橫通道內(nèi)輪廓、帶仰拱車行橫通道內(nèi)輪廓及無仰拱車行橫通道內(nèi)輪廓。

外輪廓設(shè)計包含：Ⅲa、Ⅲb、Ⅲc型襯砌； Ⅳa、Ⅳb、Ⅳc、Ⅳd型襯砌； Ⅴa、Ⅴb、Ⅴc型襯砌； J-Ⅲ、J-Ⅳ、J-Ⅴ型襯砌、R-Ⅲ、R-Ⅳ、R-Ⅴ型襯砌； C-Ⅲ、C-Ⅳ、C-Ⅴ型襯砌。圖2為V級圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計，各類型與內(nèi)外輪廓構(gòu)件對應(yīng)關(guān)系如表3～表4所示。

圖2 V級圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計

表3 襯砌與外輪廓構(gòu)件對應(yīng)關(guān)系表

表4 襯砌與內(nèi)輪廓構(gòu)件對應(yīng)關(guān)系表

2.3 中心數(shù)據(jù)源獲取

運用Civil 3D整合咪的村隧道的平面、縱斷面信息生成三維空間定位線。此時的三維空間定位線無法被Dynamo識別，需要經(jīng)過移軸、投影至XY平面以及向兩端延長空間線，以便降低Dynamo在空間曲線上定位路線切線方向的法平面存在誤差的可能性。中心數(shù)據(jù)源在Civil 3D中整合后形成如圖3所示的包含了K線、Z線、人行橫通道線、車行橫通道線在內(nèi)的建?；鶞?zhǔn)空間線。

圖3 隧道建?；鶞?zhǔn)空間線

2.4 Dynamo讀取空間線及逐樁分段

利用Dynamo讀取空間線及逐樁分段節(jié)點說明如表5所示。

Dynamo拾取基準(zhǔn)空間線如圖4 所示。

圖4 Dynamo拾取基準(zhǔn)空間線

2.5 分段合攏及橫通道剪切

(1)主體結(jié)構(gòu)

根據(jù)隧道詳細(xì)信息表可知，Z線總分為11段建模細(xì)分為90段，K線總分為11段建模細(xì)分為93段。劃分依據(jù)：首先要考慮襯砌結(jié)構(gòu)類型，其次要考慮前后斷面坡率，考慮坡率是因為坡率為參數(shù)化斷面輪廓的一個參數(shù)，該參數(shù)影響隧道路面結(jié)構(gòu)的形態(tài)，在超高設(shè)計文件中僅提高橫坡坡率隨樁號線性變化的關(guān)系，精細(xì)化建模需要各段落襯砌的起訖斷面橫坡坡率，因為橫坡坡率是橫斷面設(shè)計的一個重要參數(shù)。

調(diào)用Dynamo系列節(jié)點實現(xiàn)空間曲線對應(yīng)樁號點的精確定位和斷面輪廓載入，前后斷面保持一致時使用Solid.BySweep節(jié)點； 前后斷面不一致比如存在變寬段時使用Solid.ByLoft節(jié)點完成主體結(jié)構(gòu)三維建模，如圖5所示。

表5 Dynamo讀取空間線及逐樁分段節(jié)點說明

(2)橫通道

橫通道建模和主體結(jié)構(gòu)類似，主要區(qū)別在于橫通道進(jìn)出口需要和主洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行布爾運算從而實現(xiàn)曲面剪切效果，如圖6所示。

圖6 橫通道主體結(jié)構(gòu)布爾運算

將逐段創(chuàng)建的三維模型通過Springs節(jié)點包將Dynamo內(nèi)創(chuàng)建的幾何圖元轉(zhuǎn)化為Revit族文件，再將隧道洞門結(jié)構(gòu)與之整合后完成整體隧道精細(xì)化三維模型的創(chuàng)建，如圖7所示。

圖7 咪的村隧道精細(xì)化三維模型

3 結(jié)論

本文以紅河建水(個舊)至元陽高速公路控制性工程咪的村隧道為研究對象，綜合運用三維設(shè)計軟件Civil 3D、Revit、Dynamo構(gòu)建出一種參數(shù)化創(chuàng)建精細(xì)化隧道三維模型的方法。該方法實現(xiàn)了從Civil 3D到Dynamo的隧道基礎(chǔ)設(shè)計要素架構(gòu)，從Dynamo到Revit的真三維隧道實體模型創(chuàng)建，最終推廣至整條高速公路隧道精細(xì)化三維模型的創(chuàng)建，圓滿地完成了為建設(shè)紅河州建水(個舊)至元陽高速公路BIM建設(shè)管理信息系統(tǒng)運營創(chuàng)建所需的施工圖階段控制性重點工程的BIM模型的任務(wù)，為工程后續(xù)運用打下堅實的基礎(chǔ)。本文的研究成果表明：

(1)作為最早應(yīng)用的BIM軟件Revit，其主要用于建筑工程的BIM應(yīng)用，對線性帶狀的工程結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)支持，需借助Dynamo插件才能實現(xiàn)設(shè)計路線數(shù)據(jù)讀取和樁號定位，從而真實地反應(yīng)設(shè)計意圖；

(2)BIM模型是追求精細(xì)化為前提的信息化成果，本文采用的技術(shù)路線能夠最大程度地降低建模誤差，但暫無有效手段消除中心數(shù)據(jù)源獲取時積累的微笑系統(tǒng)誤差。因此，從Civil 3D向Dynamo導(dǎo)入中心數(shù)據(jù)源時，軟件將平滑的三維路線打散成多段線，該多段線在平曲線要素銜接方面必定存在一定程度的偏差，但該誤差在工程應(yīng)用尺度上可以忽略不計；

(3)Revit無法直接讀取Civil 3D的路線中心數(shù)據(jù)源，但通過Dynamo作為橋梁依托Civil 3D的中心數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維模型再通過Springs節(jié)點轉(zhuǎn)化為Revit最常見的族，故Revit+Dynamo的聯(lián)合使用解決了線性帶狀工程在Revit中建模難題。

通過本次研究，在高速公路工程設(shè)計中有針對性地運用BIM技術(shù)解決了實際應(yīng)用難題，并且對BIM技術(shù)在公路隧道等線性帶狀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究提供了一些探索性認(rèn)知，同時積累了寶貴的經(jīng)驗。