基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法

高建新，姜諳男*，鄭帥，張勇，申發(fā)義

(1.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院道橋所，遼寧 大連 116026；2.吉林省高速公路集團(tuán)有限公司)

BIM技術(shù)是一種作用于項目全生命周期的基礎(chǔ)信息技術(shù),模型包含信息的豐富程度決定模型的利用價值。目前BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了一定的效益，然而BIM技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域應(yīng)用較少，研究BIM技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用是近年來的發(fā)展趨勢，對此也取得了一定的成果。龐思雨利用MicroStation CONNECT Edition 軟件進(jìn)行隧道三維設(shè)計方法的流程及建模過程中的參數(shù)設(shè)置和參數(shù)化單元控制；韓學(xué)沖進(jìn)行了基于BIM技術(shù)的公路隧道襯砌設(shè)計程序的研究；周雅莉進(jìn)行了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的隧道工程信息傳遞研究；李明博介紹了BIM技術(shù)在運(yùn)營隧道病害檢測結(jié)果三維可視化的應(yīng)用。以上研究中均沒有提出一種適用于隧道領(lǐng)域的BIM參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)建模方式，用以提高建模效率以及充分實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)隧道工程全生命周期信息數(shù)據(jù)共享與交換的完整性和有效性。

Revit API提供了一系列命名空間和類庫，利用Revit API實現(xiàn)以程序開發(fā)的方式對Revit軟件功能的擴(kuò)充，實現(xiàn)功能上的縮放，以便滿足更多功能細(xì)節(jié)上的要求，進(jìn)而使開發(fā)者可以更加便捷地對BIM模型的幾何圖元、屬性參數(shù)進(jìn)行訪問，可以利用程序來進(jìn)行創(chuàng)建、刪除、修改模型元素。通過自定義的程序二次開發(fā)可以實現(xiàn)Revit軟件中既有的大多數(shù)功能，同時可以實現(xiàn)手動建模時不易完成的、重復(fù)性的工作，可以提升Revit軟件的利用效率及實現(xiàn)部分建模功能的程序化。

IFC(Industry Foundation Class)是用于定義建筑信息可擴(kuò)展的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，以便在軟件應(yīng)用程序之間進(jìn)行交互。BIM系列軟件都采用IFC數(shù)據(jù)格式作為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，通過基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的BIM 模型進(jìn)行協(xié)同工作是未來建筑工程領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。

IFC標(biāo)準(zhǔn)中對數(shù)據(jù)的描述，是采用一種面向?qū)ο蟮?、?guī)范化的數(shù)據(jù)描述語言EXPRESS語言，通過一系列的類型說明(Type)、實體說明(Entity)、規(guī)則說明(Rule)、函數(shù)說明(Function)與過程說明(Procedure)來進(jìn)行描述。目前IFC標(biāo)準(zhǔn)已推出最新版本IFC4，但I(xiàn)FC標(biāo)準(zhǔn)主要面對建筑領(lǐng)域?qū)嶓w，缺少對隧道領(lǐng)域?qū)嶓w的定義和針對性描述。該文采用IFC標(biāo)準(zhǔn)對隧道構(gòu)件進(jìn)行建模，提出基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法，并結(jié)合甄峰嶺隧道工程對建模方法進(jìn)行驗證。

1 基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法介紹

為提高Revit在創(chuàng)建隧道模型的建模效率，高效完成手動建模時不易完成的、重復(fù)性的工作，以及實現(xiàn)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM隧道模型構(gòu)件在不同BIM軟件間實現(xiàn)交互，提出基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法。在Revit原有功能基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)設(shè)計一套能通過窗口直觀輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)智能創(chuàng)建隧道構(gòu)件模型的程序，在輸入指定參數(shù)后自動生成模型，實現(xiàn)參數(shù)化建模。并對隧道構(gòu)件的IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拓展，改善IFC標(biāo)準(zhǔn)中隧道構(gòu)件定義不足的現(xiàn)狀，實現(xiàn)BIM隧道構(gòu)件的信息交互。基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法流程如圖1所示。

圖1 基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法流程

2 基于BIM的隧道參數(shù)化模型建立

2.1 Revit二次開發(fā)介紹

通過Revit二次開發(fā)技術(shù)，可以拓展Revit軟件功能，發(fā)揮其可拓展性。Revit二次開發(fā)以Revit2018為平臺，編程環(huán)境采用Visual studio2013，編寫語言采用與.Net Framework兼容的C#語言。通過Revit API實現(xiàn)對模型的訪問與創(chuàng)建時，需要引用Revit API.dll和Revit APIUI.dll動態(tài)鏈接庫。Revit API.dll包括了一系列控制Revit的應(yīng)用、文檔、對象和參數(shù)的功能方法，Revit APIUI．dll 包括了 Revit操作和用戶界面功能的自定義API接口。幾何模型創(chuàng)建過程主要運(yùn)用到的是 Revit API.dll 的IExternalDB Application接口、訪問DB級別的Element等，Revit操作用戶界面主要采用Revit APIUI.dll中的IExternal Application相關(guān)接口。

2.2 界面開發(fā)

在界面開發(fā)時，主要通過外部應(yīng)用重載 OnStartup()和 OnShutdown ()兩個方法，完成對工具欄 Ribbon Tab和下拉按鈕PushButtonData的創(chuàng)建。菜單欄中創(chuàng)建了名為“參數(shù)化建?！钡?Ribbon Tab，以及不同構(gòu)件參數(shù)化建模程序?qū)?yīng)的 PushButton。每個命令打開后，即會跳出與命令對應(yīng)的交互窗口，按照提示完成對應(yīng)參數(shù)的輸入，即可創(chuàng)建隧道構(gòu)件的參數(shù)化建模。創(chuàng)建了“IFC文件處理”的Ribbon Tab，點擊即可運(yùn)行相應(yīng)程序。完成在Revit用戶界面上進(jìn)行的界面開發(fā)，如圖2所示。

圖2 Revit用戶界面上進(jìn)行的界面開發(fā)

2.3 參數(shù)化族的創(chuàng)建

雖然構(gòu)件可載入族可以實現(xiàn)在不同項目中的相互調(diào)用，但是由于不同隧道工程項目的差異性導(dǎo)致族構(gòu)件不能直接被引用，需要進(jìn)行一定尺寸上的修改，構(gòu)件尺寸修改存在一處變更，處處變更的問題，且相關(guān)構(gòu)件均需要進(jìn)行改動。這樣工作量巨大，且多為重復(fù)性工作，造成修改模型時效率低下，沒并有發(fā)揮BIM建模優(yōu)勢，故需要采用程序化的方式實現(xiàn)高效的建模，充分發(fā)揮BIM的優(yōu)勢。

采用參數(shù)化建?？梢詫崿F(xiàn)輸入模型相關(guān)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)對三維模型的驅(qū)動，這樣通過輸入或更改參數(shù)數(shù)值，即可按照尺寸自動生成相應(yīng)的三維模型，無需手動更改模型。Revit二次開發(fā)可以實現(xiàn)高效的參數(shù)化建模方式。

參數(shù)化族創(chuàng)建主要包括隧道構(gòu)件如襯砌、仰拱、仰拱填充、系統(tǒng)錨桿等族的創(chuàng)建。通過Revit二次開發(fā)的方式編寫一套不同構(gòu)件的參數(shù)化輸入窗口，以公制常規(guī)模型族樣板為創(chuàng)建樣板。通過外部命令方式進(jìn)行二次開發(fā)的流程圖如圖3所示。參數(shù)化創(chuàng)建模型的部分關(guān)鍵代碼如下：

UIDocument uidoc =app.ActiveUIDocument;

Document doc =uidoc.Document;

Transaction trans =new Transaction(doc,"LS");

trans.Start();

…

Arc arc1 =Arc.Create(Plane.CreateByNormalAnd-Origin(XYZ.BasisX,XYZ.Zero),r1,-a,a + Math.P-I);

Curve c2 =Line.CreateBound(new XYZ(0,-y1,-z1),new XYZ(0,-y2,-z2));

Arc arc2 =Arc.Create(Plane.CreateByNormalAndOr-igin(-XYZ.BasisX,XYZ.Zero),r2,-a,a + Math.PI);

CurveArray curveArray =new CurveArray();

CurveArrArray curveArr =new CurveArrArray();

curveArray.Append(arc1);

curveArray.Append(c2);

curveArray.Append(arc2);

curveArray.Append(c1);

curveArr.Append(curveArray);

副溶血弧菌(V.parahaenzolyticus)和溶藻弧菌(V.alginolyticus)由集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院病理實驗室從感染這兩種弧菌的凡納濱對蝦體內(nèi)分離得到。嗜水氣單胞菌（Aeromonas hydrophila，Ah）由集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院營養(yǎng)與飼料教研室提供。金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ATCC25923由林州中農(nóng)穎泰有限公司提供。

doc.FamilyCreate.NewExtrusion(true,curveArr,Sk-etchPlane.Create(doc,Plane.CreateByNormalAndOrigin(XYZ.BasisX,XYZ.Zero)),l);

trans.Commit();

圖3 外部命令方式進(jìn)行二次開發(fā)的流程圖

在Revit控制面板上二次開發(fā)的下拉菜單欄中選擇相應(yīng)隧道構(gòu)件的建模功能程序，在彈出的參數(shù)輸入窗口中指定位置參考實際工程圖紙中的構(gòu)件尺寸輸入相關(guān)尺寸參數(shù)，如半徑、角度、厚度、長度等參數(shù)信息，輸入完成后在族樣板中即可自動生成相應(yīng)的三維模型構(gòu)件，無需手動繪制或更改模型，利用Revit二次開發(fā)的方式實現(xiàn)參數(shù)化建?？梢愿咝Ь珳?zhǔn)地完成建模工作。襯砌、仰拱、仰拱填充建模窗口與效果分別如圖4～9所示。

圖4 襯砌建模輸入框

圖5 襯砌族模型

圖6 仰拱建模輸入框

圖7 仰拱族模型

3 IFC標(biāo)準(zhǔn)隧道實體擴(kuò)充

目前 IFC 標(biāo)準(zhǔn)中缺乏隧道領(lǐng)域的相關(guān)定義描述，為實現(xiàn)基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法的形成，彌補(bǔ)BIM 技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域建筑信息模型應(yīng)用中存在的缺陷，故定義和創(chuàng)建隧道領(lǐng)域的 IFC 實體來進(jìn)行描述。這樣可以避免構(gòu)建的BIM隧道模型存在冗余或超出范圍的類，造成指代信息不明，難以加以識別，對信息交互造成困難的模型結(jié)論。

圖8 仰拱填充建模輸入框

圖9 仰拱填充族模型

3.1 基于IFC的隧道空間結(jié)構(gòu)表達(dá)

IFC標(biāo)準(zhǔn)中IfcSpatialStructureElement是描述建筑領(lǐng)域空間結(jié)構(gòu)的超類，它派生為IfcBuilding(建筑)、IfcBuildingStorey(樓層)、IfcSite(場地)和IfcSpace(空間)等空間描述子類。但I(xiàn)FC標(biāo)準(zhǔn)中不包含隧道領(lǐng)域的相關(guān)描述類，通過借鑒現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)對建筑領(lǐng)域空間結(jié)構(gòu)類的描述方式，在現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)中空間結(jié)構(gòu)的超類所派生的空間描述子類基礎(chǔ)上，增添表示隧道整體空間的實體IfcTunnel和表示隧道分部空間的實體IfcTunnelPart，用來專門描述隧道空間結(jié)構(gòu)。

IfcTunnel類對應(yīng)一座隧道整體，包含整個隧道的位置、空間幾何信息等屬性，隧道的形式類型，功能類型的基本特征。隧道的形式類型特征、功能類型特征通過IfcTunnelType和IfcTunnelFunctionType來進(jìn)行表達(dá)，IfcTunnelType的類型為IfcTunnelTypeEnum，其定義為 TYPE IfcTunnelTypeEnum =ENUMERATION OF(CI-RCULARTUNNEL,CURVEDWALLANDARCHCROW-NTUNNEL,STRAI-GHTWALLANDARCHCROWNTUN-NEL,RECTANGULARTUNNEL,THESHEDTUNNEL,T-HEOPENCUTTUNNEL,USERDEFINED,NOTDEFINE-D);END_TYPE。

IfcTunnelPart類對應(yīng)隧道組成空間，在空間上由若干個隧道組成空間隧道整體，描述了隧道的各個組成空間的位置、空間幾何信息等屬性，功能類型的基本特征則通過IfcTunnelPartType來表達(dá)，IfcTunnelPartType的類型為IfcTunnelPartTypeEnum ，其定義為TYPE IfcTunnelPartTypeEnum =ENUMERATION OF(PORT-AL,OPEN-CUTTUNNEL,UNDER-CUTTUNNEL,TUN-NELCHAMBER,SHEDTUNNEL,USERDEFINED,NOT-DEFINED);END_TYPE。

3.2 基于IFC的隧道物理元素表達(dá)

現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)中IfcElement是描述物理結(jié)構(gòu)元素的超類，它派生的IfcBuildingElement是用來描述建筑領(lǐng)域結(jié)構(gòu)元素抽象超類。由于隧道工程領(lǐng)域的隧道結(jié)構(gòu)實體類同樣包含通用元素、外形表達(dá)等信息，通過借鑒現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)元素抽象超類的描述方式，添加隧道領(lǐng)域結(jié)構(gòu)抽象超類IfcCivilElement，其仍然繼承于IfcElement，與IFC標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)有的IfcBuildingElement并列位于IFC框架機(jī)制中相同層次。IfcCivilElement是所有隧道結(jié)構(gòu)元素的抽象超類，主要包含圍巖(IfcTunnelSuroundingRock)、錨桿(IfcSystemAnchorBolt)、鋼拱架(IfcSystem-SteelFrame)、初襯(IfcInitialSupportShotcrete)、二襯(IfcTunnelLiningStructure)、超前支護(hù)(IfcTunnelAdvanceSupport)、仰拱充填(IfcTunnelInvertFilling)等隧道結(jié)構(gòu)物理元素。其他隧道結(jié)構(gòu)物理元素(如二襯鋼筋、排水溝等)并不是表征隧道結(jié)構(gòu)特征所特有的構(gòu)件，用己有的IFC實體中的建筑領(lǐng)域IfcBuildingElement派生的子類表達(dá)即可。圖10為IFC標(biāo)準(zhǔn)各部分關(guān)系的EXPRESS-G視圖。表1為隧道主要組成構(gòu)件類型枚舉定義。

3.3 IFC標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)铀淼缹嶓w定義

在未對IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)拓展時，隧道領(lǐng)域構(gòu)件的超類均由IFCBUILDINGELEMENTPROXY來表示，這就造成了IFC中不同隧道實體內(nèi)容上的混亂，不能滿足不同實體對應(yīng)不同名稱的類，在讀取IFC文件時產(chǎn)生無法區(qū)分構(gòu)件實體的困擾，即造成了信息交互的困難與障礙。而進(jìn)行IFC標(biāo)準(zhǔn)拓展后，對相應(yīng)隧道構(gòu)件實體的超類IFCBUILDINGELEMENTPROXY替換成拓展的相應(yīng)隧道實體的類，由于IFC標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)存在新增添的相關(guān)定義，所以在替換后可以實現(xiàn)類似于現(xiàn)有建筑領(lǐng)域IFC文件中不同類別的構(gòu)件對應(yīng)不同的類的水準(zhǔn)。實現(xiàn)批量替換這個過程借助于Revit面板功能擴(kuò)充的“IFC文件處理”模塊，利用程序?qū)FC中性文件進(jìn)行檢索，通過識別相關(guān)實例編號與描述語句，實現(xiàn)對IFCBUILDINGELEMENTPROXY超類的高效精準(zhǔn)替換。

圖10 IFC標(biāo)準(zhǔn)各部分關(guān)系的EXPRESS-G視圖

表1 隧道主要組成構(gòu)件類型枚舉定義

4 案例應(yīng)用

甄峰嶺2號隧道入口位于吉林省和龍市北部西城鎮(zhèn)境內(nèi)，出口位于安圖縣松江鎮(zhèn)境內(nèi)，屬長白山系北側(cè)，隧道分左右兩幅。選取隧道右洞樁號為K95+125～K95+175區(qū)段進(jìn)行基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法的工程應(yīng)用。

參照甄峰嶺2號隧道的設(shè)計圖紙，首先利用參數(shù)化建模程序進(jìn)行參數(shù)化族的創(chuàng)建，按照圖紙上的參數(shù)尺寸將其輸入到參數(shù)化建模窗口中，即以自動化的形式高效率創(chuàng)建了襯砌、仰拱、仰拱填充、錨桿等隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件族。將族載入到項目模板中，拼裝形成甄峰嶺工程項目K95+125～K95+175區(qū)段的BIM模型。如圖11所示。

圖11 甄峰嶺2號隧道K95+125～K95+175區(qū)段BIM模型

隨后將BIM模型導(dǎo)出至IFC格式，將相應(yīng)隧道構(gòu)件實體的超類IFCBUILDINGELEMENTPROXY替換成拓展的相應(yīng)隧道實體的類，替換過程利用Revit面板功能擴(kuò)充的“IFC文件處理”模塊進(jìn)行，實現(xiàn)批量高效精準(zhǔn)替換。至此完成了基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法的全流程。

利用RDF公司的免費(fèi)IFC 數(shù)據(jù)解析工具 IFC Engine DLL 以及三維圖形引擎 Direct3D對IFC文件進(jìn)行讀取驗證，其中IFC Engine DLL進(jìn)行IFC數(shù)據(jù)的幾何與非幾何信息的解析，引擎Direct3D用于對解析結(jié)果進(jìn)行渲染顯示模型，從而對IFC數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化交互操作。解析結(jié)果如圖12所示，即可以實現(xiàn)BIM模型幾何顯示以及實體屬性的識別，實現(xiàn)了BIM模型的信息交互，可以在不同BIM系統(tǒng)中進(jìn)行共享與交流。

圖12 IFC數(shù)據(jù)的可視化交互解析

5 結(jié)論

BIM技術(shù)在隧道領(lǐng)域應(yīng)用過程中，為提高建模效率以及充分實現(xiàn)信息交互，提出了基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法。得到以下結(jié)論：

(1)通過Revit二次開發(fā)進(jìn)行對Revit固有功能的拓展，設(shè)計一套能通過窗口直觀輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)智能創(chuàng)建隧道構(gòu)件模型的程序，在輸入指定參數(shù)后自動生成模型，實現(xiàn)參數(shù)化建模，提高Revit在創(chuàng)建隧道模型的建模效率，以及高效完成手動建模時不易完成的、重復(fù)性的工作。

(2)通過對隧道構(gòu)件的IFC標(biāo)準(zhǔn)的拓展來實現(xiàn)BIM隧道構(gòu)件的交互，改善IFC標(biāo)準(zhǔn)中隧道構(gòu)件定義不足的現(xiàn)狀，實現(xiàn)類似于現(xiàn)有建筑領(lǐng)域IFC文件中不同類別的構(gòu)件對應(yīng)不同的類的水準(zhǔn)。

(3)開發(fā)了直觀的操作界面，使操作更直觀便捷，提升了基于BIM的參數(shù)化隧道標(biāo)準(zhǔn)建模方法實際應(yīng)用性。