拱蓋法地鐵車站的BIM管理與實(shí)現(xiàn)

胡茗泉 姜諳男 王洪龍 鄭 帥 王 巖 陶 怡

(1.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連 116026；2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司 城市軌道交通工程分公司，上海 200431)

引言

這些年來，BIM建筑信息建模技術(shù)取得了顯著的發(fā)展，充分結(jié)合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)字技術(shù)，將設(shè)計(jì)和施工由過去的二維轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袇?shù)信息的三維模型。然而，BIM技術(shù)在拱蓋法地鐵站上的應(yīng)用只是剛剛開始，相信隨著信息科學(xué)水平的發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代地鐵站信息管理應(yīng)用中。

拱蓋法的地鐵車站存在著大量的斷面。在沒有參數(shù)化建模的情況下，有必要對(duì)隧道的各個(gè)組成部分進(jìn)行單獨(dú)的建模，這是一個(gè)巨大的工作量，大大限制了BIM技術(shù)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用。參數(shù)化建模包括從模型中提取特性和關(guān)鍵元素，并通過編程用于自動(dòng)生成模型的特定算法來適當(dāng)?shù)睾喕@些特征和元素。參數(shù)化建模將是今后隧道建模的趨勢。在現(xiàn)有Revit軟件的基礎(chǔ)上，研究提出了一種通過二次開發(fā)進(jìn)行的地鐵車站參數(shù)建模方法，這將縮短建模時(shí)間，降低建模費(fèi)用，從而能夠迅速地進(jìn)行批量建模。目前，對(duì)拱蓋法地鐵車站參數(shù)建模的研究很少。部分專家學(xué)者在Revit領(lǐng)域中的其他方面進(jìn)行了實(shí)踐性的研究，取得了一定的成績，例如：丁曉宇等[1]研究了二次曲面網(wǎng)殼的參數(shù)化建模，但目前還沒有在特定行業(yè)得到應(yīng)用； 杜一叢等[2]修改和過濾橋梁元件模型。但其運(yùn)用了手工創(chuàng)建的族庫，并未完全實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模； 李正農(nóng)等[3]利用RevitAPI，開發(fā)了用于自動(dòng)生成扣件式鋼管腳手架模型并進(jìn)行數(shù)字模擬的二次開發(fā)插件，以及用于建模支撐參數(shù)和計(jì)算BIM軟件中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的插件，但其并未運(yùn)用在地鐵車站中。

基于上述的一系列研究，緊密圍繞Revit二次開發(fā)對(duì)參數(shù)化建模的研究正在逐步展開，但針對(duì)于拱蓋法地鐵車站的參數(shù)化建模研究較少，就目前而言，大多數(shù)參數(shù)化建模都是圍繞模型本身進(jìn)行的，并且與模型構(gòu)件相關(guān)的專業(yè)屬性信息的快速添加還很少見。因此，本文通過對(duì)拱蓋法車站土建結(jié)構(gòu)、錨桿等在設(shè)計(jì)階段和施工階段的特性研究并運(yùn)用Revit二次開發(fā)，設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了拱蓋法車站構(gòu)件的參數(shù)化創(chuàng)建； 同時(shí)結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件相關(guān)屬性的附加； 最后，以大連地鐵5號(hào)線石葵路車站實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的信息化模型快速建立的可行性。

1 拱蓋法車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PBA工法是通過側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)和拱部初期支護(hù)形成的支撐體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的工法，其主要思想主要為將蓋挖及分布開挖法有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，而地鐵車站拱蓋法是在PBA法的基礎(chǔ)上，以大拱腳來取代邊樁，使主要承載力依附于巖石地基上，在前期已經(jīng)扣拱的情況下，主體結(jié)構(gòu)施工方法采用逆作法或者順作法，解決了PBA法導(dǎo)洞多、工序復(fù)雜、廢棄工程量小等缺點(diǎn)，科學(xué)有效地解決地鐵施工中的軟硬地層問題。

拱蓋法車站通常由導(dǎo)洞、拱蓋初支、拱蓋二襯、基坑側(cè)墻等構(gòu)件進(jìn)行組成，整體地鐵車站各斷面模型變化不大，但地鐵施工的復(fù)雜性在于其深埋地下，圍巖信息等因素復(fù)雜多變，斷面尺寸存在變化，且相關(guān)屬性附加較為復(fù)雜，若對(duì)整體地鐵拱蓋法車站進(jìn)行建模，則需要針對(duì)不同尺寸的斷面進(jìn)行分別建模，完成建模后進(jìn)行拼裝，工作量較為龐大。若將車站各部分組建通過參數(shù)化建模，并結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫對(duì)各斷面組成部分的施工信息進(jìn)行附加，就可以提高信息化模型的建模效率，減輕建模人員的工作量。

2 BIM管理功能開發(fā)

本文通過使用WinForm窗體進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)建參數(shù)化建模界面，進(jìn)行開發(fā)前引入RevitAPI.dll及RevitAPIUI.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過添加外部接口與Revit進(jìn)行關(guān)聯(lián)，待添加外部接口后，依附于外部應(yīng)用的框架，在外部命令中添加相應(yīng)的功能代碼，完成類結(jié)構(gòu)的定義，待其重載后，通過外部命令執(zhí)行程序，Revit的二次開發(fā)過程如圖1所示。

3 地鐵車站構(gòu)件信息化建模

3.1 參數(shù)化創(chuàng)建與布置

拱蓋法車站斷面涉及構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由初支、導(dǎo)洞、中隔墻、底板等構(gòu)成。本文為此根據(jù)現(xiàn)場的施工流程分別對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行了參數(shù)化建模。根據(jù)CAD圖，將車站斷面構(gòu)件分別看作一個(gè)整體，具體分為小導(dǎo)洞、初支、底板等9個(gè)參數(shù)化建模構(gòu)件。其主體結(jié)構(gòu)主要由鋼筋與混凝土組成，考慮到建模精度及實(shí)際建模過程的復(fù)雜性，本文對(duì)部分模型及曲線進(jìn)行了適當(dāng)簡化，并僅對(duì)混凝土主體部分建模，其最終車站斷面示意圖如圖2所示。

圖1 二次開發(fā)流程

圖2 車站斷面示意圖

本文所建立的參數(shù)化模型是基于族文檔中的公制常規(guī)族模型，公制族模型的設(shè)計(jì)功能可以滿足絕大部分結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)需要，且操作較為簡單，在高效建模方面具有非常好的運(yùn)用。由于各個(gè)斷面之間尺寸存在變化，因此本文基于各個(gè)構(gòu)件的具體尺寸(如弧度、厚度、拉伸長度等)作為具體參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行二次開發(fā)。點(diǎn)、線、面、體是構(gòu)成三維BIM模型的基礎(chǔ)，由兩點(diǎn)生成一線，線生成閉合的面，面生成閉合的體的幾何構(gòu)成關(guān)系，公制常規(guī)族API通過對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)信息的控制，構(gòu)成了各個(gè)構(gòu)件的三維路線，確保了模型點(diǎn)、線、面的幾何構(gòu)成關(guān)系，使其最終能夠形成立體模型輪廓，各個(gè)構(gòu)件之間的尺寸根據(jù)圖紙進(jìn)行確定，確保最后拼裝時(shí)不存在誤差。公制常規(guī)族API封裝了一系列繪制三維BIM模型的幾何基元類和繪制函數(shù)。構(gòu)建基于Revit的拱蓋法暗挖地鐵車站土建結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型常用的幾何基元類和繪制函數(shù)如下：

XYZ：三維坐標(biāo)點(diǎn)，用來表示一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)或一個(gè)向量。

public XYZ

(

double x，

double y，

double z

)

Curve：參數(shù)曲線，包括直線、s曲線等。

直線(Line)。

public static Line CreateBound

(

XYZ endpoint1，

XYZ endpoint2

)

曲線(Arc)。

public static Arc Create

(

XYZ center，

double radius，

double startAngle，

double endAngle，

XYZ xAxis，

XYZ yAxis

)

Plane：幾何平面對(duì)象，構(gòu)建平面對(duì)象。

public static Plane CreateByNormalAndOrigin

(

XYZ normal，

XYZ origin

)

SketchPlane：工作平面，SketchPlane對(duì)象用作創(chuàng)建草圖參考元素(例如“模型曲線”)或草圖擁有元素(例如“通用形式”)的輸入。SketchPlane可以從現(xiàn)有元素獲得，也可以從幾何平面或平面創(chuàng)建。

CurveArray：可以包含曲線的數(shù)組。

CurveArrArray：可以包含任何類型的對(duì)象的數(shù)組。

Extrusion：拉伸命令，由二維閉合輪廓拉伸形成三維拉伸體。

public Extrusion NewExtrusion

(

bool isSolid，

CurveArrArray profile，

SketchPlane sketchPlane，

double end

)

RotateElement：圍繞給定的軸和角度旋轉(zhuǎn)元素。

public static void RotateElement

(

Document document，

ElementId elementToRotate，

Line axis，

double angle

)

MoveElement：通過給定的轉(zhuǎn)換移動(dòng)一個(gè)元素。

public static void MoveElement

(

Document document，

ElementId elementToMove，

XYZ translation

)

在Winform窗體內(nèi)按照提示要求輸入相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，程序即可利用關(guān)鍵參數(shù)信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面的繪制，對(duì)于常用的構(gòu)件形成參數(shù)化的族庫文件，在修改模型時(shí)無需傳統(tǒng)手動(dòng)修改，只需在參數(shù)化建模參數(shù)輸入框中輸入更改后的參數(shù)信息，即可生成新的BIM構(gòu)件，避免了大量重復(fù)性工作，大大降低了錯(cuò)誤率。以初支結(jié)構(gòu)為例，參數(shù)化創(chuàng)建車站初支模型時(shí)，選取初支半徑、襯砌厚度、角度、車站初支長度作為隧道襯砌的控制參數(shù)。通過控制初支半徑、襯砌厚度、角度來確定車站初支的幾何外觀，以車站初支長度來確定一個(gè)斷面圖元的長度，來滿足不同種類和不同形態(tài)的車站初支結(jié)構(gòu)構(gòu)建。

在Revit控制面板上二次開發(fā)的下拉菜單欄中選擇初支構(gòu)件的建模功能程序，參考實(shí)際工程圖紙，在彈出的參數(shù)輸入窗口的指定位置中，按照初支構(gòu)件尺寸輸入相關(guān)尺寸參數(shù)、初支半徑、襯砌厚度、角度、初支長度參數(shù)信息，輸入完成后在族樣板中即可自動(dòng)生成相應(yīng)的三維模型構(gòu)件。如圖3～圖4所示。

圖3 初支參數(shù)化界面

圖4 生成初支

在項(xiàng)目中導(dǎo)入族庫內(nèi)的參數(shù)化車站構(gòu)件后，定義標(biāo)高，配合工具欄中的命令，如旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、陣列等，調(diào)整裝配位置，同時(shí)更改族構(gòu)件的尺寸參數(shù)及實(shí)例地鐵車站專業(yè)屬性參數(shù)，依次實(shí)現(xiàn)地鐵車站襯砌、仰拱填充等各構(gòu)件的拼裝，最終完成車站整體模型的構(gòu)建。

3.2 錨桿的參數(shù)化創(chuàng)建與布置

錨桿支護(hù)是隧道施工中普遍存在的支護(hù)加固方法。錨桿的作用為穿過軟弱、松動(dòng)、不穩(wěn)定的巖土體，錨固在穩(wěn)定的巖土體上，通過巖土體內(nèi)部的錨桿改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，提供足夠的拉力，克服滑落巖土體的自重和下滑力，在巖土體周圍形成一個(gè)整體而又穩(wěn)定的巖石帶，利用錨桿與巖土體的共同作用，達(dá)到維護(hù)邊坡穩(wěn)定的目的。錨桿有很多種，如砂漿錨桿、空心注漿錨桿和爆破錨桿等。本文將研究的重點(diǎn)放在了砂漿錨桿的創(chuàng)建層面上。錨桿在設(shè)置時(shí)由于其插入至巖體內(nèi)部，根據(jù)CAD圖，所需關(guān)注的參數(shù)主要有錨桿半徑、錨桿長度、錨桿間距以及錨桿排距等。

在具體到實(shí)際的工程中時(shí)，導(dǎo)孔的每個(gè)錨桿都是沿著車站段拱的周向布置的。進(jìn)行布置時(shí)，需要通過錨桿插入深度，插入角度，錨桿間距以及錨桿排距來確認(rèn)錨桿的實(shí)際位置。通常而言，實(shí)現(xiàn)錨桿快速排列有兩種方法：

1)根據(jù)連桿CAD圖生成并排列所有錨桿；

2)在Revit中通過弧線分別在Y軸與Z軸給予錨桿角度實(shí)施插入工作，保證其插入角度與CAD圖紙一致。首先對(duì)錨桿的基本坐標(biāo)進(jìn)行聲明，形成錨桿三維模型所需三維跡線，生成后繪制錨桿布置弧線，根據(jù)該模型的排列方式，對(duì)每個(gè)錨桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)至其插入角度。

因此，方法2)以最快速度布置錨桿，錨桿生成函數(shù)信息的代碼如下：

Helper.txt1=comboBox1.Text.Trim()； //關(guān)鍵參數(shù)輸入

Helper.txt2=comboBox2.Text.Trim()； //關(guān)鍵參數(shù)輸入

Helper.txt3=comboBox3.Text.Trim()； //關(guān)鍵參數(shù)輸入

Helper.txt4=comboBox4.Text.Trim()； //關(guān)鍵參數(shù)輸入

public class Helper

{

public static string txt1=""；

public static string txt2=""；

public static string txt3=""；

public static string txt4=""；

}

double n1=Convert.ToDouble(Form1.Helper.txt4)*(Math.PI/180)； //繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度

double n2=Convert.ToDouble(Form1.Helper.txt3)*(Math.PI/180)； //繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度

double R=Convert.ToDouble(Form1.Helper.txt1)/304.8； //錨桿半徑

double L=Convert.ToDouble(Form1.Helper.txt2)/304.8； //錨桿長

Arc arc1=Arc.Create(Plane.CreateByNormalAndOrigin(XYZ.BasisX， XYZ.Zero)， R， 0， 2 * Math. PI)； //創(chuàng)建弧線

CurveArray curveArray=new CurveArray()；

CurveArrArray curveArr=new CurveArrArray()；

curveArray.Append(arc1)；

curveArr.Append(curveArray)； //創(chuàng)建二維輪廓

Extrusion ex=doc.FamilyCreate.NewExtrusion(true， curveArr， SketchPlane.Create(doc，Plane.CreateByNormalAndOrigin(XYZ.BasisX， XYZ.Zero))； //拉伸形成三維圖形

根據(jù)以下流程來生成錨桿：

1)將其三維坐標(biāo)繪制完畢，并輸入相應(yīng)的錨桿生成參數(shù)；

2)根據(jù)錨桿三維角度布置坐標(biāo)軸，并根據(jù)坐標(biāo)軸對(duì)錨桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)命令的編寫，待在傳統(tǒng)的族環(huán)境中，直接輸入?yún)?shù)可以生成單錨桿模型；

3)導(dǎo)入至項(xiàng)目文件中后，通過旋轉(zhuǎn)、陣列等操作命令，獲得最終位置的錨桿模型。

參照上面的流程，程序必須提供一個(gè)輸入界面，使用戶能夠容易地輸入錨桿的半徑和長度，繞Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)。設(shè)置界面如圖5所示。單擊“確定”，項(xiàng)目文件中錨桿模型自動(dòng)生成。

圖5 錨桿參數(shù)化界面

圖6 生成錨桿效果

此外，在將單一錨桿引入工程項(xiàng)目中之后，由于每一榀錨桿的插入深度一致，因此需要了解錨桿如何能夠沿著任意設(shè)計(jì)的弧線以圓形的方式插入，其整體性構(gòu)思如下：

1)將錨桿移動(dòng)到拱蓋最初分支的弧中心；

2)將錨桿朝向規(guī)定方向(如向上)移動(dòng)圓弧半徑的距離，并建立一條與錨桿軸線重合的線段，以確定線段是否與圓弧相交；

3)相交時(shí)，根據(jù)圓心的一側(cè)，如逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)超過最后0.001弧度(同時(shí)考慮模型的精度和插件的效率)，直到相交曲線的位置不再旋轉(zhuǎn)，然后回到0.001弧度，此位置將被視為端點(diǎn)一側(cè)的曲線，然后將錨桿旋轉(zhuǎn)到該位置； 沿著錨桿的另一側(cè)形成一組圓弧(例如：順時(shí)針方向)以獲得錨桿。

3.3 構(gòu)件模型的信息化

本文通過SQL Sever構(gòu)建一個(gè)基于BIM的地鐵車站模型的數(shù)據(jù)庫。這樣的構(gòu)建方式，降低了信息存儲(chǔ)的難度。無需改動(dòng)數(shù)據(jù)庫本身，便可以任意添加數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、完整的存儲(chǔ)施工信息。

在數(shù)據(jù)庫建立完成后，通過Revit軟件打開參數(shù)化拱蓋法暗挖地鐵車站模型，以二次開發(fā)的方式，添加外部接口，將插件與Revit平臺(tái)相鏈接載入Excute代碼獲取模型所有屬性，通過構(gòu)件的拓?fù)潢P(guān)系，以Revit.UI.Selection獲取構(gòu)件唯一ID； 然后，對(duì)SQL數(shù)據(jù)連接參數(shù)進(jìn)行定義并創(chuàng)建連接實(shí)例。當(dāng)數(shù)據(jù)庫連接后，定義數(shù)據(jù)庫適配器與數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建DBOoperate數(shù)據(jù)庫操作對(duì)象，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作指令，實(shí)現(xiàn)篩選對(duì)應(yīng)構(gòu)件屬性表內(nèi)數(shù)據(jù)字段，并運(yùn)用foreach語句逐行識(shí)別主鍵字段。主鍵字段識(shí)別后，調(diào)出數(shù)據(jù)表內(nèi)對(duì)應(yīng)主鍵ID的其他字段，將各列字符串分別輸出至對(duì)應(yīng)的label內(nèi)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)選車站構(gòu)件屬性信息的查詢功能。

4 最終應(yīng)用效果

4.1 工程概況

石葵路站位于解放路與石葵路交叉口北側(cè)，沿解放路南北向布置。場地內(nèi)地形起伏較大，車站范圍內(nèi)地面絕對(duì)標(biāo)高32.8～40.0m，地勢南低北高。場地周邊為密集住宅及商業(yè)區(qū)，道路車流量大，地下鋪設(shè)管線及空中架設(shè)管線較多，是人流、車流的密集區(qū)域。

石葵路站采用拱蓋法進(jìn)行施工，即先開挖上部拱蓋，通過初期支護(hù)和臨時(shí)中支撐進(jìn)行加固。拆除臨時(shí)支撐后，拱部二襯結(jié)構(gòu)模筑成型。由于施工工序較為復(fù)雜，工序轉(zhuǎn)換次數(shù)與接頭數(shù)量較多，致使二襯結(jié)構(gòu)交替施工，導(dǎo)致拱蓋法車站族構(gòu)件尺寸存在變化，較為復(fù)雜。因此，通過參數(shù)化建模創(chuàng)建拱蓋法車站是必要的。

4.2 應(yīng)用效果

通過參數(shù)化建模完成石葵路站模型后，完成效果如圖7所示。參數(shù)化模型建立完成后，通過數(shù)據(jù)庫對(duì)模型施工信息進(jìn)行附加，完善信息化模型的建立。通過點(diǎn)擊車站斷面內(nèi)構(gòu)件，將對(duì)應(yīng)車站斷面的圍巖信息、支護(hù)信息等以窗體界面的形式進(jìn)行顯示，顯示效果如圖8～圖9所示。

圖7 拱蓋法車站模型

圖8 車站圍巖信息查詢

圖9 車站支護(hù)信息查詢

5 結(jié)論

通過本文研究，得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1)通過對(duì)拱蓋法構(gòu)件詳細(xì)深入地分析，了解到了拱蓋法車站建模的特點(diǎn)，歸納并總結(jié)了構(gòu)件建模所需的參數(shù)和繪圖功能，并用RevitAPI編寫了與之相適應(yīng)的程序，將各構(gòu)件的參數(shù)化建模予以匹配。

(2)結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫，在參數(shù)模型中添加信息，在設(shè)計(jì)和建造過程中添加相關(guān)信息，完成信息模型的創(chuàng)建。

(3)對(duì)比以前的建模方法，所創(chuàng)建的插件不僅可以快速、批量地建立站點(diǎn)組件的模型，還可以通過結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫對(duì)構(gòu)件信息進(jìn)行快速添加，大大提高了建模效率，有效地防止了相關(guān)人員的大量重復(fù)工作，保證了相關(guān)人員更加重視BIM系統(tǒng)的功能開發(fā)和性能優(yōu)化，使其應(yīng)用價(jià)值得到了進(jìn)一步的印證。