Revit+Dynamo在螺旋隧道參數(shù)化建模中的研究與應(yīng)用

李中元 程熙竣

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

引言

Revit于2004年進(jìn)入中國(guó)，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(shí)，不同行業(yè)對(duì)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(wú)法適應(yīng)公路工程路線長(zhǎng)、空間曲線復(fù)雜、信息大、變更量大的特點(diǎn)[1]。

Dynamo是一款可用在Revit平臺(tái)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(guò)不同的算法組合來(lái)實(shí)現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)建，Dynamo秉持“所見(jiàn)即所得”的原則，讓腳本與結(jié)果實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)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(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)路面橫坡的連續(xù)變化，為完善隧道BIM正向設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 工程概況

紅河州建水(個(gè)舊)至元陽(yáng)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(xiàng)目位于建水縣、元陽(yáng)縣、個(gè)舊市，建設(shè)歷程全長(zhǎng)約124.798km，是中國(guó)電建集團(tuán)轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵時(shí)期承擔(dān)建設(shè)規(guī)模單體最大的高速公路項(xiàng)目。其控制性重點(diǎn)工程之一的咪的村隧道屬于深埋特長(zhǎng)隧道，最大埋深366m，右線長(zhǎng)4 004.621m，左線長(zhǎng)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(jí)圍巖所對(duì)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(gè)舊)至元陽(yáng)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(jì)圖紙建立控制性重點(diǎn)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(jì)，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(guò)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(diǎn)，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(guò)Civil 3D獲取隧道中心線的平縱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源，主要是坐標(biāo)和高程信息，將數(shù)據(jù)通過(guò)特定節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入Dynamo并重構(gòu)三維空間設(shè)計(jì)線。根據(jù)隧道信息表整理的縱斷面設(shè)計(jì)信息，Dynamo對(duì)設(shè)計(jì)線實(shí)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(xiàng)目沿線地質(zhì)復(fù)雜多變呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，咪的村隧道整體呈現(xiàn)長(zhǎng)螺旋深埋分布，因此該隧道橫斷面設(shè)計(jì)覆蓋了I～V級(jí)圍巖所對(duì)應(yīng)的全體圍巖襯砌類型。隧道精細(xì)化建模需要真實(shí)地展現(xiàn)不同樁號(hào)段落對(duì)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(lái)看，此舉有助于同步校核施工圖設(shè)計(jì)成果，對(duì)現(xiàn)階段失誤和不足留下修正的空間； 從長(zhǎng)期來(lái)看，此舉為今后可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)變更聯(lián)動(dòng)更新與迭代。

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

設(shè)定標(biāo)定點(diǎn)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(hào)、對(duì)應(yīng)襯砌段落、對(duì)應(yīng)剪切里程樁號(hào)、橫通道起訖方向及襯砌結(jié)構(gòu)類型。其中，對(duì)應(yīng)剪切里程樁號(hào)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(hào)； 對(duì)應(yīng)襯砌段落是指橫通道中心線與左右線的交點(diǎn)樁號(hào)對(duì)應(yīng)于左右線隧道詳細(xì)信息表中按樁號(hào)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(jì)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(zhǎng)一定距離，并計(jì)算各段襯砌結(jié)構(gòu)起訖樁號(hào)距離該標(biāo)定點(diǎn)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(yùn)算出錯(cuò)的可能，需要把兩端的起始和結(jié)束襯砌適當(dāng)延長(zhǎng)。具有代表性的V級(jí)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(xiàng)目隧道設(shè)計(jì)一律采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)包含：帶仰拱隧道內(nèi)輪廓、無(wú)仰拱隧道內(nèi)輪廓、帶仰拱緊急停車帶內(nèi)輪廓、無(wú)仰拱緊急停車帶內(nèi)輪廓、帶仰拱人行橫通道內(nèi)輪廓、無(wú)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(wú)仰拱車行橫通道內(nèi)輪廓。

外輪廓設(shè)計(jì)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(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)，各類型與內(nèi)外輪廓構(gòu)件對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3～表4所示。

圖2 V級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)

表3 襯砌與外輪廓構(gòu)件對(duì)應(yīng)關(guān)系表

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

2.3 中心數(shù)據(jù)源獲取

運(yùn)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(shí)的三維空間定位線無(wú)法被Dynamo識(shí)別，需要經(jīng)過(guò)移軸、投影至XY平面以及向兩端延長(zhǎng)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(diǎn)說(shuō)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?yàn)槠侣蕿閰?shù)化斷面輪廓的一個(gè)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(jì)文件中僅提高橫坡坡率隨樁號(hào)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?yàn)闄M坡坡率是橫斷面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。

調(diào)用Dynamo系列節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空間曲線對(duì)應(yīng)樁號(hào)點(diǎn)的精確定位和斷面輪廓載入，前后斷面保持一致時(shí)使用Solid.BySweep節(jié)點(diǎn)； 前后斷面不一致比如存在變寬段時(shí)使用Solid.ByLoft節(jié)點(diǎn)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(diǎn)說(shuō)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(yùn)算從而實(shí)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(yùn)算

將逐段創(chuàng)建的三維模型通過(guò)Springs節(jié)點(diǎn)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(gè)舊)至元陽(yáng)高速公路控制性工程咪的村隧道為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用三維設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了從Civil 3D到Dynamo的隧道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要素架構(gòu)，從Dynamo到Revit的真三維隧道實(shí)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(gè)舊)至元陽(yáng)高速公路BIM建設(shè)管理信息系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)創(chuàng)建所需的施工圖階段控制性重點(diǎn)工程的BIM模型的任務(wù)，為工程后續(xù)運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)路線數(shù)據(jù)讀取和樁號(hào)定位，從而真實(shí)地反應(yīng)設(shè)計(jì)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(wú)有效手段消除中心數(shù)據(jù)源獲取時(shí)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(shí)，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(jì)；

(3)Revit無(wú)法直接讀取Civil 3D的路線中心數(shù)據(jù)源，但通過(guò)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(guò)Springs節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為Revit最常見(jiàn)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(guò)本次研究，在高速公路工程設(shè)計(jì)中有針對(duì)性地運(yùn)用BIM技術(shù)解決了實(shí)際應(yīng)用難題，并且對(duì)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(shí)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。