基于Revit+Dynamo的盾构隧道自动化建模研究*

缪 盾

(同济大学浙江学院土木工程系，浙江 嘉兴 314051)

0 引言

盾构隧道是通过盾构机械推进开挖，并拼装预制混凝土管片而形成的一种隧道结构。工程体量大，复杂度高，隧道结构与建筑结构又存在很大区别，因此目前的应用还处于起步阶段[1]。通过调研总结BIM在隧道工程的应用主要受到以下几方面因素制约：①基于隧道工程的模型族库缺失，而这些异形结构在Revit中直接建模存在困难；②盾构隧道是暗挖施工，因此与隧道周围地质环境密切相关，然而Revit只有对地形表面的处理能力，不能直接构建地质模型；③线性工程体量一般较大，建模的人力消耗较大。因此，一些学者对隧道工程的BIM建模进行了研究，如刘孟涵[2]采用CATIA软件进行地形曲面创建，为后续的BIM模型提供了三维地形环境，提升了BIM模型的应用价值。属于两种模型的有机融合，不在统一的信息平台，导致部分数据传输错漏、匹配失误等情况。唐艳梅等[3]通过设计标准管片和转弯环管片确定管片排序计划，通过BIM技术建立盾构隧道三维模型。许利彤等[4]研究采用Civil3D+Dyanmo+Revit交互的方式进行隧道的精细化建模，实现了工程资料的闭合，但是一旦设计方案有所变动，便需通过不同软件进行修改再整合，缺少联动机制。还有些学者如陈桂香等[5]研究的管片拼装和排片由关联参数和报告参数实现，计算每个管环中心点到设置参照点的距离，决定管环的旋转角度，然而Revit对这种循环运行相对效率较低，不适合大工程应用。陈国良等[6]、高建新等[7]从隧道数据的IFC标准着手，建立数据表达和关联关系，但不具有普适性。本文研究了在Dynamo可视化编程平台[8-9]下构建自定义参数列表，设计自动构建隧道模型和外部地质模型的通用节点链，初步实现隧道及外部地质环境的自动化、一体化建模，为设计人员在隧道正向设计提供一种样板。

1 隧道结构建模

盾构隧道的主体结构是由预制管片拼装成环，错缝排布形成。在隧道结构建模阶段将隧道结构分为基本体、细节体和中心线3类，为基本体和细节体开发对应的参变族，如图1所示。

图1 隧道结构各构件参变族类型

1.1 Revit定制参变族

管环是隧道结构的基本单元，管环由不同类型的管片拼装而成，这些管片分为标准块(A型)、邻接块(B型)和封顶块(K型)。在Revit中通过自适应常规模型的族创建标准管片的三维模型，在选定的参照平面上绘制标准块的截面形状进行拉伸，设置外径、内径、角度和高度为可变参数，如图2所示。依此方式通过放样创建邻接块和封顶块。

图2 管片族创建过程

在一个自适应常规族内拼接管片形成管环，该族的自适应点设置在管环掘进面的圆点处。管环中的细节部分均采用嵌套族载入。手孔采用基于面的常规模型进行构建，拉伸一个空心半椭圆柱，设定手孔宽度为半椭圆柱短轴，手孔深度为半椭圆柱长半轴，底面倾角为椭圆面与嵌入面的夹角，将这些参数设置为输入型参数，用来控制手孔的形状与形态。手孔的位置用与管片横纵中心线的距离来控制。条槽采用基于线的常规模型，将条槽的截面设计为可参变的轮廓族，在轮廓族中将条槽长度、条槽距离管片中心线的距离设置为输入型参数。管片、管环如图3所示。

图3 管环基本体和细节体模型

1.2 隧道中心线

隧道的中心线是一条三维曲线，是管环结构圆点对齐的参照线，直接在Revit中创建有很大难度。在Revit内置的Dynamo可视化编程平台可实现中心线的绘制和编辑。首先通过解析隧道平面和纵断面图得到中心线里程桩三维坐标，得到中心线上一系列点的三维坐标值，在Dynamo读取点坐标，利用PolyCurve.ByPoints节点生成样条曲线。如果已有中心线的三维模型，也可通过Dynamo拾取CAD几何图元获取。

1.3 隧道结构自动建模

在中心线上自动放置管环，要解决管环中心轴线与曲线切向量保持一致、管环错缝排列和转弯环放置问题。具体思路如下。

1)管环放置 将中心线按距离进行分割，通过FamilyInstance.ByPoint节点在分割点上放置族实例。为了保证族正确放置，需使得族实例图形的中心轴线与插入点处的路径中心线切向量一致。则需将族实例进行旋转，节点Curve.ParameterAtPoint和节点Curve.TangentAtParameter可计算中心线每个分割点处的切向量，节点Vector.ZAxis得到族实例的z向量，即管环中心轴线，两个向量之间的欧拉角即为每个管环旋转的角度。

2)错缝放置 插入的族实例在分割点切平面上绕圆点进行旋转即可实现错缝放置。在自定义节点中通过判别分割点号的奇偶性，点号为奇数和偶数的分割点分别创建列表，奇数分割点上的管环右旋18°，偶数分割点上的管环左旋18°。

3)双面楔形转弯环[10]放置 求取分割点处的曲线法向量，如图4所示。

图4 转弯环楔形量示意

相邻两法向量的夹角为0°，如pi点和pi+1点处的中心线切向量和法向量都一致，则在pi点处放置标准环，相邻两法向量的夹角不为0°，如pi+1点和pi+2点则存入一个列表，表示路线进入曲线部分。双面楔形转弯环的路线偏角2θ与楔形角之间是2倍的关系，然而路线在转弯处一般较缓慢，即相邻两点的法向量夹角<2θ。通过叠加列表中法向量，当≥2θ，则在该分割点中放置1个转弯环，前置分割点中放置标准环。隧道结构自动建模流程如图5所示。

图5 隧道结构建模简化流程

通过某一标段盾构隧道的设计资料，进行参数化拟定和建模节点链设计，得到该隧道结构的BIM模型效果，如图6所示。

图6 隧道结构模型

2 地质实体建模

Civil3D创建大场景的地质实体模型非常便捷，并且可导出为IFC标准类文件与Revit软件进行数据通信，但导入实体不能进行二次编辑，隧道的形态参数改变便会发生隧道模型和地质实体模型的碰撞冲突，不能实现参数的联动机制，为后期自动化建模的样板制定带来不便。在统一的平台下进行地质实体参数化建模，可在创建地质实体模型时随时调用隧道模型参数，参数定制，处处联动。在Dynamo平台下，首先通过excel表输入地质勘察数据，不同高程的地质勘察点生成不同的地质曲面，拉伸地质曲面水平投影得到不规则柱体，用地质曲面截切柱体，得到每个地质层实体。然后在地质实体模型中进行隧道开洞，以拾取的隧道中心线为路径，在起点法平面上绘制圆形，圆形半径为管环的外半径，继而进行放样得到隧道的简化模型。最后通过地质实体与放样实体的布尔差集运算得到开洞的地质实体，如图7所示。

图7 地质开洞模型

在Dyanmo平台上将建立隧道管环模型的节点链设置为1组，将建立地质开洞实体模型的节点链设置为1组，将输入型参数节点设置为1组，并辅以输入参数说明，则可将此工作空间定义为隧道BIM模型自动化参数化建模的设计样板。输入的部分数据和构建的盾构隧道一体化模型如图8所示。

图8 盾构隧道一体化模型

3 结语

本项目通过定制盾构隧道的管片族、管环嵌套族和细节体族，在Revit内置的Dynamo可视化编程平台，设计搭建自动构建隧道管环模型的节点链，设计通过地质勘察数据和中心里程桩坐标构建地质开洞实体模型，实现了隧道和外部地质环境的一体化建模。并且通过输入型参数可快速得到不同的隧道设计方案和可视化模型，推进先建模后出图的设计理念。本文在统一的平台进行建模，实现了工程信息的闭合，模型的传输也可实行统一规则，保障数据信息的唯一性和准确性。但隧道的精细化模型还需进一步完善，尤其存在大量弧形和异形钢筋模型将是模型细化的一个难点。