基于Revit的盾構(gòu)管片參數(shù)化建模應(yīng)用

王曉東， 喻 鋼， 吳惠明

(1. 上海大學(xué)建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072；3. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院， 上海 200444； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)

0 引言

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計主要是應(yīng)用一些二維的建筑設(shè)計軟件，而現(xiàn)實中的建筑都是三維的，二維設(shè)計很難對三維建設(shè)進(jìn)行準(zhǔn)確的表達(dá)，設(shè)計師將三維模型變成二維圖紙交給施工人員，而施工人員又要將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維模型，此過程很容易將一些關(guān)鍵信息混淆。盾構(gòu)施工法以其機(jī)械化程度高、施工速度快、對環(huán)境影響小及技術(shù)成熟等優(yōu)勢成為軟土地區(qū)隧道建設(shè)最重要的施工方法[1]。盾構(gòu)法施工的隧道采用的是預(yù)制管片拼裝技術(shù)，預(yù)制管片的拼裝形式復(fù)雜多變，如果單純地使用二維圖紙進(jìn)行表達(dá)，則需要設(shè)計者和施工者具有很強(qiáng)的空間想象能力。預(yù)制隧道盾構(gòu)管片有著大量獨立的幾何、材料重量等信息參數(shù)，而管片之間可能因個別參數(shù)不同就需要單獨建模，使建模重復(fù)率高，工作量大且效率低。虹梅南路隧道盾構(gòu)管片拼裝采用的是錯縫拼裝的形式，由于里程較長，管片數(shù)量眾多，若不采用參數(shù)化建模則會存在很大的工作量。

對于以上存在的問題，劉濤[2]介紹了通過AutoCAD對盾構(gòu)管片進(jìn)行參數(shù)化建模的方法，提高了管片的設(shè)計效率；陸蕾[3]介紹了使用Revit參數(shù)關(guān)聯(lián)建立自由建筑形態(tài)，通過修改某一參數(shù)而對其他參數(shù)值產(chǎn)生影響的方法。當(dāng)前的研究大多是利用AutoCAD對盾構(gòu)管片進(jìn)行模型建立，而AutoCAD的參數(shù)化建模需要應(yīng)用二次開發(fā)，且模型表達(dá)效果與Revit相比略顯粗糙，盾構(gòu)管片的環(huán)間錯縫拼接也未用到參數(shù)關(guān)聯(lián)的方法，使拼接工作繁重且位置不夠準(zhǔn)確。BIM(建筑信息模型)技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息[4]。作為一種新型的三維參數(shù)化設(shè)計工具，Revit是BIM平臺下的最具代表性的設(shè)計軟件之一，參數(shù)化設(shè)計、構(gòu)件關(guān)聯(lián)性設(shè)計、參數(shù)驅(qū)動形體設(shè)計和協(xié)作設(shè)計是該軟件的主要特征[5]。運用Revit對隧道盾構(gòu)管片中的變量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化處理，使設(shè)計者只需簡單更改標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)管片模型的參數(shù)即可自動生成所需的盾構(gòu)管片，運用AutoCAD可以快速將三維盾構(gòu)管片模型轉(zhuǎn)化為工程圖紙，并且通過Revit參數(shù)相關(guān)聯(lián)的方法，將盾構(gòu)組合管片的旋轉(zhuǎn)角度與參考點到放置點的距離進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)，高效準(zhǔn)確地完成盾構(gòu)管片的錯縫拼接，從而大大縮短建模時間，提高工作效率。

1 基于Revit族的參數(shù)化建模方法

近年來，隨著地下管廊、城市軌道交通和鐵路隧道的快速發(fā)展，盾構(gòu)法成為隧道施工的主要方法[6-7]。隧道盾構(gòu)管片為弧形結(jié)構(gòu)，宜采用Revit族來進(jìn)行創(chuàng)建。參數(shù)化建模就是通過分析結(jié)構(gòu)自身的構(gòu)成規(guī)律，通過若干控制參數(shù)快速生成結(jié)構(gòu)模型。隧道盾構(gòu)管片模型具有數(shù)量多及種類少的特點，對管片的變量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化的處理可以快速創(chuàng)建新的管片模型[8]。虹梅南路隧道管片采用錯縫拼接的形式，每個管片環(huán)都有相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)，采用Revit參數(shù)關(guān)聯(lián)的方法可以通過簡單的長度改變帶動旋轉(zhuǎn)角度的改變，從而提高拼裝效率。

1.1 Revit族

族是一個包含通用屬性(即參數(shù)) 集和相關(guān)圖形表示的圖元組[3]。使用Autodesk Revit的一個優(yōu)點是不必學(xué)習(xí)復(fù)雜的編程語言，便能夠創(chuàng)建自己的構(gòu)件族。Revit的族分為系統(tǒng)族、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族和內(nèi)建族。系統(tǒng)族是在Revit中預(yù)定義的，不能由外部文件導(dǎo)入到項目中，也不能將其保存到項目之外的位置[9]。

1.2 Revit參數(shù)化建模

“參數(shù)化”是Revit族的重要屬性，沒有參數(shù)化的族不具有通用性，不能從中提取模型的有效信息，無法適應(yīng)不同設(shè)計環(huán)境的需求，也就違背了BIM提出的三維協(xié)同設(shè)計理念的初衷[10]。參數(shù)化建筑通過增加管理模型元素之間的關(guān)系，來合并表現(xiàn)模型與設(shè)計模式，整個建筑模型和全套設(shè)計文檔都在一個綜合數(shù)據(jù)庫中，這里的一切都是和參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的[11]。

1.2.1 參數(shù)設(shè)置

Revit可以通過參數(shù)來控制模型的外形、材質(zhì)和可見性。先定義各約束要素的參數(shù)類型，尺寸、可見性和角度參數(shù)數(shù)據(jù)可以選擇“族參數(shù)”類型，這些數(shù)據(jù)只能作為族內(nèi)部數(shù)據(jù)使用；材質(zhì)、體積和面積參數(shù)數(shù)據(jù)可以選擇“共享參數(shù)”類型，這些數(shù)據(jù)可以由多個項目和族共享，并可用于生成工程量明細(xì)表。再定義需要約束的參數(shù)名稱，并對各參數(shù)賦初值或公式。

實現(xiàn)Revit族的參數(shù)化，首先要在族編輯器中布局參照平面，對標(biāo)準(zhǔn)隧道管片的寬度、厚度、內(nèi)外徑和孔洞尺寸位置等參數(shù)進(jìn)行尺寸標(biāo)注，并為尺寸標(biāo)注添加標(biāo)簽，將其進(jìn)行參數(shù)化。然后添加幾何圖形，并將該幾何圖形鎖定到參照平面中。在“族屬性”面板上，單擊“類型”，在“族類型”對話框的相應(yīng)參數(shù)旁的 “公式”列中輸入相應(yīng)參數(shù)的公式即可。

1.2.2 參數(shù)相關(guān)

在參數(shù)化建模的過程中，如角度、單元體大小和相對位移等參數(shù)與長度參數(shù)相比較很難快速地進(jìn)行創(chuàng)建和修改，此時可以利用參數(shù)相關(guān)的方法，將角度、單元體大小和相對位移等參數(shù)與長度參數(shù)進(jìn)行綁定，通過對長度參數(shù)的操作快速完成對相關(guān)參數(shù)的創(chuàng)建和修改。參數(shù)相關(guān)的方法可以通過在族編輯器中編寫“族語言”，即通過編寫公式和條件語句的方式，將之前定義的控制單元體大小、相對扭轉(zhuǎn)角度和相對位移的參數(shù)與長度參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，使單元體隨長度參數(shù)改變，其大小、相對扭轉(zhuǎn)角度及相對位移發(fā)生相應(yīng)的變化。

2 盾構(gòu)管片參數(shù)化建模方法

隧道盾構(gòu)預(yù)制管片模型種類少，數(shù)量多，且拼裝位置復(fù)雜，如不采用參數(shù)化建模，則需要對隧道模型的每一環(huán)盾構(gòu)組合管片進(jìn)行單獨建模，工作量很大。將盾構(gòu)管片各參數(shù)用Revit進(jìn)行參數(shù)化處理，只需調(diào)整參數(shù)即可得到新的管片模型，利用參數(shù)關(guān)聯(lián)的方法，通過將管片環(huán)旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)與管片環(huán)和參照點距離參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，對盾構(gòu)管片進(jìn)行拼裝，會極大地提高建模的效率。

2.1 隧道預(yù)制管片變量參數(shù)的選擇

盾構(gòu)預(yù)制管片的參數(shù)眾多，除了管片的寬度、厚度、內(nèi)外徑等參數(shù)外，還有眾多的孔洞尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和材質(zhì)參數(shù)等，但是各盾構(gòu)預(yù)制管片間的參數(shù)差距并不大，有些甚至只因單個參數(shù)改變就會產(chǎn)生新的管片模型。為了提高建模效率，將標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)管片中的外徑、厚度、寬度、旋轉(zhuǎn)角度、各孔洞的尺寸和位置等參數(shù)作為變量參數(shù)，用Revit進(jìn)行參數(shù)化處理，以便快速得到所需的盾構(gòu)管片模型，并利用AutoCAD將其轉(zhuǎn)化成二維圖紙。對于盾構(gòu)管片的錯縫拼接技術(shù)，要考慮每個組合管片環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度，如不采用參數(shù)化建模則需要對每個環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行單獨調(diào)整，將花費大量的時間和精力。采用Revit參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)，將組合管片環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度和參考點與放置點的距離進(jìn)行參數(shù)相關(guān)，利用參數(shù)化的建模方法對盾構(gòu)管片進(jìn)行錯縫拼裝。

2.2 隧道預(yù)制管片三維參數(shù)化建模

隧道盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)為非直線形，在工程圖紙中很難表達(dá)清楚，單純地使用工程圖紙需要設(shè)計人員具有很強(qiáng)的空間想象能力。為了能夠更加清晰直觀地表達(dá)設(shè)計意圖，以標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)預(yù)制管片為例使用Revit創(chuàng)建預(yù)制管片的三維模型，步驟如下。

1)管片整體外輪廓的創(chuàng)建。利用Revit新建族下的放樣命令進(jìn)行創(chuàng)建，第1步在參照平面下繪制側(cè)面輪廓，第2步按照規(guī)定的角度繪制弧形路徑，點擊完成編輯按鈕系統(tǒng)將自動生成三維的整體管片外輪廓。

2)對管片進(jìn)行挖孔。隧道預(yù)制管片上有注漿孔、螺栓孔、游手孔及剪力銷孔等空洞，還有沿管片四周布置的防水條槽、擋砂條槽等需要進(jìn)行挖孔建模。第1步選擇創(chuàng)建菜單下空心形狀中的空心拉伸命令，建立空心模型(此處也可以直接選用拉伸命令創(chuàng)建實心模型，后期可在屬性中更改為空心)，將準(zhǔn)備挖孔的面作為參照平面進(jìn)行孔洞形狀的繪制。由于挖孔最初深度是由系統(tǒng)自定的，所以需要調(diào)節(jié)深度以達(dá)到設(shè)計要求，此時Revit自動形成孔洞。對于形狀復(fù)雜的孔洞可以先對孔槽進(jìn)行單獨建模，再通過平移的手段對管片模型進(jìn)行孔洞開挖。由于無法直接拾取曲面作為參照平面，所以對于曲面中的孔槽應(yīng)先在平面中建立空心模型，將其旋轉(zhuǎn)至與曲面垂直，再通過平移和調(diào)節(jié)深度來形成曲面中的槽孔。隧道預(yù)制管片三維模型如圖1所示。

圖1 隧道預(yù)制管片三維模型

3)對管片模型進(jìn)行參數(shù)化處理。決定隧道預(yù)制管片形狀的參數(shù)眾多，大多數(shù)管片間的變量參數(shù)差異并不大，可以利用Revit對預(yù)制管片中的變量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化處理，通過改變個別參數(shù)來自動生成新的管片模型。為了能夠更高效地得到外形、材質(zhì)等參數(shù)不同的隧道管片模型，將隧道標(biāo)準(zhǔn)管片的外徑、厚度、寬度、旋轉(zhuǎn)角度、各孔洞的尺寸和位置等變量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化的處理。隧道預(yù)制管片參數(shù)化設(shè)置見圖2。參數(shù)化建模過程中應(yīng)注意單位保持一致，不能混合使用單位，可以使用無單位常數(shù)；公式中的參數(shù)名是區(qū)分大小寫的；建議在命名參數(shù)時不要使用劃線“-”。對于不同項目中的隧道管片，只需對此標(biāo)準(zhǔn)管片的參數(shù)進(jìn)行修改，即可迅速得到理想的三維管片模型，充分體現(xiàn)出使用參數(shù)化方法事半功倍的效果。

圖2 隧道預(yù)制管片參數(shù)化設(shè)置

2.3 隧道預(yù)制管片二維圖紙輸出

盾構(gòu)管片種類少，由于個別參數(shù)改變就會產(chǎn)生新的管片模型，從而會產(chǎn)生新的二維圖紙。如果采用傳統(tǒng)由二維圖紙變?nèi)S模型的方法則會產(chǎn)生大量的工作量，故可以先通過改變標(biāo)準(zhǔn)件管片模型參數(shù)產(chǎn)生新的管片三維模型，再由管片三維模型轉(zhuǎn)化為管片二維圖紙，從而減少大量工作量。但由于管片模型是以載入族的形式出現(xiàn)在項目中的，在Revit中無法對其線型進(jìn)行修改，所以先將管片族模型以塊的形式轉(zhuǎn)入到AutoCAD中，再對其進(jìn)行修改，步驟如下。

1)將Revit文件導(dǎo)成CAD格式文件。

2)用AotuCAD打開導(dǎo)出的二維圖紙，此時的管片圖形是以塊的形式存在，點擊管片圖形中的任一線段，整個管片都將被選中，無法對其進(jìn)行修改。點擊管片圖形輸入X并點擊回車，利用explode命令對管片塊進(jìn)行炸開。點擊管片圖形中的任一線段，此線段將被單獨選中，即可對相應(yīng)的線型、顏色及圖層等進(jìn)行修改，使其符合制圖要求。

3)在Revit中將視圖調(diào)至模型所在立面，重復(fù)上述步驟即可完成管片的立面二維圖紙。

2.4 隧道預(yù)制管片拼接設(shè)計

對于隧道管片的拼接設(shè)計，如果不使用參數(shù)化建模，可以通過內(nèi)建族的命令，利用自由曲線來描繪出CAD圖紙中的隧道軌跡線，然后應(yīng)用拉伸、融合、放樣等命令生成參照模型，再將管片單元族依次進(jìn)行放置，此種方法對于管片的放置位置不夠準(zhǔn)確，并且由于中間弧線段有一定的旋轉(zhuǎn)角度，故會花費大量的時間進(jìn)行調(diào)整。對于此類問題，可以應(yīng)用族的參數(shù)化方法進(jìn)行解決，具體步驟如下。

1)創(chuàng)建環(huán)形管片組合模型。在公制常規(guī)模型樣板中新建管片族，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)及空心形狀等命令建立環(huán)形管片組合模型，如圖3所示。

圖3 環(huán)形管片組合模型

2)創(chuàng)建自適應(yīng)點(見圖4)，設(shè)置位置參數(shù)。新建自適應(yīng)公制常規(guī)模型族，在參照標(biāo)高平面中繪制圖4中的1號和2號參照點，將其自適應(yīng)化，成為自適應(yīng)點。選取2號自適應(yīng)點的立面作為參照平面，在2號自適應(yīng)點的上方繪制參照點3，同樣使其自適應(yīng)成為自適應(yīng)點。標(biāo)注1號和2號自適應(yīng)點的距離，并將其進(jìn)行參數(shù)化處理，命名為“L1”，將自適應(yīng)點3的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行參數(shù)化處理，命名為“角度”。

3)放置環(huán)形管片組合模型(見圖5)。令3號自適應(yīng)點的水平面為參照平面，將環(huán)形管片組合模型放入該平面中，并與3號自適應(yīng)點進(jìn)行綁定，使其能夠隨著3號自適應(yīng)點的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生相同角度的轉(zhuǎn)動。

4)進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)置。通過公式將之前設(shè)置的角度參數(shù)和長度參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使1號自適應(yīng)點與2號自適應(yīng)點的距離發(fā)生改變時，3號自適應(yīng)點的旋轉(zhuǎn)角度隨之發(fā)生改變，以帶動環(huán)形管片組合模型發(fā)生旋轉(zhuǎn)。參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)置見圖6。

圖4 自適應(yīng)點的繪制(單位： mm)

圖5 管片環(huán)形放置(單位： mm)

Fig. 5 Arrangement of composite model of annular segment (unit: mm)

圖6 參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)置

5)利用參數(shù)化的方法完成管片拼裝。在公制體量樣板下新建概念體量，在標(biāo)高1的平面中繪制隧道的軸線作為繪制路徑，并對繪制路徑進(jìn)行分割，使分割點間的距離等于盾構(gòu)管片的寬度，通過點擊參照點和分割點對環(huán)形盾構(gòu)管片模型進(jìn)行放置，使其在繪制的路徑上生成所有的管片構(gòu)件。管片放置見圖7。

圖7 管片放置

由于旋轉(zhuǎn)參數(shù)和距離參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)相關(guān)的處理，在放置過程中，隨著L1的不斷改變環(huán)形管片模型也將發(fā)生相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)，滿足了管片錯縫安裝的要求。由于族的參數(shù)化的使用，使工作量大大減少，縮短了工作時間，提高了建模的效率。

3 Revit參數(shù)化建模工程應(yīng)用

3.1 工程概況

虹梅南路—金海路通道越江段工程位于上海市閔行區(qū)和奉賢區(qū)的交界處，北起虹梅路、永德路交叉口，先后穿越多條城市干道及黃浦江，終點至西閘路以南約500 m，全長約5.26 km[12]。根據(jù)公示的“虹梅南路、金海公路道路紅線專項規(guī)劃”，該工程分為2段。一段是虹梅南路，位于徐匯、閔行兩區(qū)，從上中路至東川路，長約10.9 km。原虹梅南路為地面道路，現(xiàn)在規(guī)劃為“高架+地面輔道”，沿線設(shè)外環(huán)線、銀都路、金都路、元江路、S32、放鶴路6組匝道；另一段是金海路，位于奉賢區(qū)，從西閘公路至大葉公路，長約3.4 km，為地面道路。盾構(gòu)段采用的是東西2條平行隧道段，長度均為3.39 km。

3.2 虹梅南路隧道管片創(chuàng)建

虹梅南路隧道盾構(gòu)管片利用Revit參數(shù)化建模的方法建立參數(shù)化管片族，運用AutoCAD將三維管片模型轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計圖紙。虹梅南路隧道管片二維平面見圖8，二維立面見圖9。

圖8 隧道管片二維平面圖

圖9 隧道管片二維立面圖

3.3 虹梅南路隧道管片拼裝設(shè)計

虹梅南路越江隧道盾構(gòu)段外徑為14.5 m，管片厚0.6 m，環(huán)寬2.0 m。管片由標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊和封頂塊組成，采用錯縫拼裝的形式。其中標(biāo)準(zhǔn)塊形式相同，分塊面為徑向；封頂塊的兩側(cè)分塊面設(shè)有楔形量；鄰接塊與封頂塊相連端采用相同的楔形量[2]。采用Revit參數(shù)化關(guān)聯(lián)的方法對虹梅南路盾構(gòu)管片進(jìn)行拼接，此方法大大減少了工作量，而且管片放置位置相對準(zhǔn)確。虹梅南路管片拼接如圖10所示。

圖10 隧道管片拼接

4 結(jié)論與討論

BIM技術(shù)是數(shù)字技術(shù)在建筑業(yè)中的直接應(yīng)用，正在引領(lǐng)建筑行業(yè)的一次史無前例的變革。以上海市虹梅南路地鐵隧道為例，采用BIM技術(shù)對盾構(gòu)預(yù)制管片進(jìn)行模型建立，闡述了運用Revit參數(shù)化設(shè)計創(chuàng)建預(yù)制盾構(gòu)管片三維模型，通過更改參數(shù)迅速得到新的管片模型的方法，結(jié)合AutoCAD將三維盾構(gòu)預(yù)制管片轉(zhuǎn)換成工程圖紙，實行先建模后出圖的設(shè)計理念。運用 Revit參數(shù)關(guān)聯(lián)的方法對盾構(gòu)管片環(huán)進(jìn)行拼接，從而加快管片拼接速度，提高了管片拼接的準(zhǔn)確性，為上海市虹梅南路地鐵隧道的成功建設(shè)發(fā)揮了積極的推動作用。

隧道軸線弧度不同，使每個管片的內(nèi)外寬度都有所變化，雖然參數(shù)化建模在一定程度上增加了建模的效率，但要通過修改參數(shù)對盾構(gòu)管片進(jìn)行一一建模。建議通過Revit二次開發(fā)，利用參數(shù)化技術(shù)，實現(xiàn)盾構(gòu)管片在指定軸線上自動生成的方法，從而極大地提高了隧道盾構(gòu)管片的建模效率。

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