城市綜合管廊BIM三維建模方法研究

【摘" " 要】：針對二維設(shè)計平臺難以清晰表達(dá)綜合管廊設(shè)計思路的問題，提出基于BIM技術(shù)的城市綜合管廊三維設(shè)計方法，建立管廊構(gòu)件分類族庫，研究管廊族庫的參數(shù)化建模方法，將建成的地下綜合管廊模型與地面交通及沿線城市建筑物等三維景觀相集成，解決了地下綜合管廊模型的快速拼裝和精準(zhǔn)定位問題，有效提高了建模效率。

【關(guān)鍵詞】：城市綜合管廊；BIM技術(shù)；族庫；參數(shù)化建模

【中圖分類號】：TU990.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）01-70-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.018

Research on 3D Modeling Method of Urban Utility Tunnel Based on BIM

ZHU Pengye，ZHANG Zhicheng

（Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co. Ltd.， Tianjin 300392，China）

【Abstract】： Aiming at the problem of difficulty in clearly expressing the design ideas of comprehensive pipe galleries on two-dimensional design platforms， a three-dimensional design method for urban comprehensive pipe galleries based on BIM technology is proposed. A classification family library of pipe gallery components is established， and the parametric modeling method of pipe gallery family library is studied. The built underground comprehensive pipe gallery model is integrated with the three-dimensional landscape of ground traffic and urban buildings along the line， solved the problems of rapid assembly and precise positioning of underground comprehensive pipe gallery models， effectively improving modeling efficiency.

【Key words】： urban comprehensive pipe corridor；BIM technology；amily of library；parametric modeling

近些年，地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后問題突出，地下管線敷設(shè)、增設(shè)及維修管理得不到有效解決。綜合管廊的出現(xiàn)及應(yīng)用有效解決了地下基礎(chǔ)設(shè)施滯后的突出問題，減少了地面交通擁堵，也方便了電力、通信、燃?xì)?、供排水等市政設(shè)施的維護(hù)和檢修[1～2]。常規(guī)二維設(shè)計平臺因自身技術(shù)條件限制，難以清楚表達(dá)綜合管廊設(shè)計理念，容易出現(xiàn)諸多錯漏碰缺，不利于各專業(yè)間的數(shù)據(jù)匯聚，在與項目其他參與方溝通時產(chǎn)生不便。建筑信息建模（BIM）作為一種設(shè)計施工管理全過程技術(shù)，已在各領(lǐng)域應(yīng)用，可以在項目全生命周期中獲取高效的施工可交付成果[3]。采用BIM對綜合管廊建模，以三維視角提供較為直觀的方案展示，便于規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維等各參與方理解[4]；目前綜合管廊BIM模型創(chuàng)建主要考慮了綜合管廊本體結(jié)構(gòu)及管線模型單一的參數(shù)化建模方法，缺乏綜合管廊在整條線路上的模型自動生成、拼裝、精準(zhǔn)定位和參數(shù)修改等研究[5]；結(jié)合管廊沿線地面交通及建筑物模型進(jìn)行場景搭建，對管廊設(shè)計、施工及運(yùn)維進(jìn)行優(yōu)化的研究仍有待深化。本文采用BIM技術(shù)完成綜合管廊整體模型的搭建，設(shè)計集成三維立體城市景觀的綜合管廊模型，應(yīng)用Revit二次開發(fā)實現(xiàn)城市地面建筑物模型的定位和自動建模，在有效提高建模效率的同時考慮地面交通等環(huán)境因素影響，實現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

1 綜合管廊構(gòu)件分類及族庫創(chuàng)建

研究基于任意管廊截面建模的方法，通過對綜合管廊主體結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施特征及入廊管線種類的特征分析，提出分類編碼管廊構(gòu)件后依照構(gòu)件信息進(jìn)行族庫創(chuàng)建，高效實現(xiàn)綜合管廊主體及管線的建模。

1.1 綜合管廊構(gòu)件分類

針對綜合管廊量多繁雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在進(jìn)行分類編碼構(gòu)件前按系統(tǒng)類別將管廊構(gòu)件細(xì)分。見表1。

綜合管廊中不同系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)量及細(xì)分后的構(gòu)件種類眾多，為便于更加精準(zhǔn)完備地構(gòu)建綜合管廊族庫，設(shè)計了基于需要的一種構(gòu)件分類編碼方法，包括構(gòu)件所屬的系統(tǒng)編碼、構(gòu)件的類型編碼和細(xì)分編碼3部分。其中，系統(tǒng)編碼的編碼原則依據(jù)綜合管廊十大系統(tǒng)劃分，采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行區(qū)分標(biāo)識；類型編碼和細(xì)分編碼均采用字母編碼，分別取前三位和前兩位構(gòu)件拼音首字母進(jìn)行。對于無細(xì)分類別的構(gòu)件使用00來進(jìn)行構(gòu)件細(xì)分編碼。見圖1和表2-表5。

1.2 族庫建模方法

1.2.1 結(jié)構(gòu)主體建模方法

創(chuàng)建真實的綜合管廊三維模型，首先要生成綜合管廊定位線。定位線對綜合管廊主體結(jié)構(gòu)建模及內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)的定位都有重要作用，利用Civil 3D復(fù)現(xiàn)綜合管廊線路，從軟件中提取逐樁坐標(biāo)表并進(jìn)行導(dǎo)出。

考慮實際綜合管廊結(jié)構(gòu)主體在施工中遇到有障礙物或涉及交叉口等關(guān)鍵節(jié)點位置時管廊截面出現(xiàn)變化的情況，不宜采用主體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一建模的方法，而是將管廊結(jié)構(gòu)主體建模分為標(biāo)準(zhǔn)段和關(guān)鍵節(jié)點處建模兩部分。可根據(jù)實際情況對模型進(jìn)行不同空心拉伸開洞等操作。見圖2。

1.2.2 入廊管線建模方法

雖然綜合管廊入廊管線種類繁多、錯綜交匯，但每類管線均可看作由定點位置的管點和沿著相鄰兩管點確定的管段兩部分組成。多個管段連同連接多管段的多個管點構(gòu)成一條入廊管線，多條管線交錯排列，共同構(gòu)成綜合管廊入廊管線系統(tǒng)，因此不同種類的管線模型可通過相同的建模方法完成。為便于精準(zhǔn)高效地構(gòu)建入廊管線模型，可對每段管線進(jìn)行編號，從每條管線的起點至終點依次獲取管點的位置坐標(biāo)和連接方式信息，同時整理對應(yīng)管點類型、尺寸及材質(zhì)等信息存儲在管線信息Excel表中。根據(jù)管線種類，結(jié)合Revit二次開發(fā)技術(shù)，在機(jī)械制圖族樣板中通過添加參數(shù)信息創(chuàng)建不同的族類型。見圖3。

管件族庫都屬于標(biāo)準(zhǔn)的連接件，異形連接件需要進(jìn)行多個標(biāo)準(zhǔn)件的組合使用。在綜合管廊管線連接處，分布著大量的彎頭、三通、四通等管件，這些管件的創(chuàng)建主要在于參數(shù)信息的設(shè)定。以創(chuàng)建彎頭為例，在“公制風(fēng)管彎頭”族樣板中按照規(guī)范要求對彎頭尺寸參數(shù)進(jìn)行添加，參數(shù)添加完成之后，選擇放樣模式繪制彎頭放樣線，然后繪制放樣輪廓，生成彎頭族，通過調(diào)整彎頭角度，可以生成不同角度的彎頭。其他管件，如三通、四通等，可以在對應(yīng)的“公制風(fēng)管T形三通”和“公制風(fēng)管四通”族樣板中創(chuàng)建。將創(chuàng)建好的標(biāo)準(zhǔn)連接件通過連接器及銜接管段依次連接，最終可得到組合成的各類異形連接件。

1.2.3 附屬設(shè)施建模方法

以支撐系統(tǒng)中大量存在的支架構(gòu)件為例，支撐系統(tǒng)中的其他構(gòu)件模型創(chuàng)建方法相同。見圖4。

消防系統(tǒng)中的消防栓、防火門等設(shè)施結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，消防系統(tǒng)中的其他構(gòu)件模型創(chuàng)建方法相同。見圖5。

除管廊結(jié)構(gòu)主體和入廊管線外，其余系統(tǒng)中各構(gòu)件的建模方法都相同，將創(chuàng)建的族庫相應(yīng)構(gòu)件按照一定的坐標(biāo)進(jìn)行布置，即可完成各個附屬設(shè)施系統(tǒng)模型的創(chuàng)建。

1.3 管廊族庫創(chuàng)建

1）結(jié)構(gòu)主體模型。標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)主體模型創(chuàng)建完成之后，根據(jù)實際要求對綜合管廊的材質(zhì)信息進(jìn)行添加。各部分模型創(chuàng)建完成后，通過原點到原點的方式將模型連接到一起生成完整的綜合管廊結(jié)構(gòu)主體模型。見圖6。

2）入廊管線模型。將管段、標(biāo)準(zhǔn)管件、異型管件等根據(jù)實際情況依次連接，最終完成入廊管線模型的創(chuàng)建。見圖7。

進(jìn)行入廊管線管網(wǎng)建模，基于各類管線布置原則，完成管段、標(biāo)準(zhǔn)管件、異形管件的連接，對錯綜復(fù)雜的入廊管線進(jìn)行碰撞檢測，最終生成綜合管廊入廊管線模型。見圖8。

3）附屬設(shè)施模型。其他系統(tǒng)構(gòu)件均可以采用附屬設(shè)施建模方法進(jìn)行參數(shù)化建模。

族庫構(gòu)建完成后，可以使用Revit API調(diào)用這些構(gòu)件并完成定位拼裝。較長的綜合管廊可以分段處理，然后采用上述建模方法依次對各段綜合管廊進(jìn)行建模，最后通過拼裝的方法實現(xiàn)模型的創(chuàng)建。

將所有項目文件通過原點到原點的方式連接到一起，最終完成綜合管廊模型的創(chuàng)建。見圖9。

2 三維環(huán)境搭建及模型信息集成

考慮城市道路、建筑物等地面環(huán)境對綜合管廊建設(shè)運(yùn)營及維護(hù)階段的重大影響，對地面上城市景觀及地面交通等場景進(jìn)行搭建，利用BIM軟件實現(xiàn)對城市綜合管廊三維立體大場景的漫游，解決二維平臺所不能提供的模型動態(tài)渲染問題。

2.1 城市道路建模

為方便城市綜合管廊的設(shè)計施工及后續(xù)維修養(yǎng)護(hù)，保證管線齊全的與入廊管線相銜接，將地下綜合管廊定位在城市主干道路下方，由地面上道路中心線確定出城市地下綜合管廊定位線。城市道路作為城市交通景觀的一部分，不僅是管廊線形的主導(dǎo)因素，還是城市道路周圍景觀的基準(zhǔn)。對城市道路進(jìn)行建模，首先需要獲取道路中心線的控制點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過管廊定位線坐標(biāo)反算獲取數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)以Excel表進(jìn)行存儲。

采用與綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段相同的方法創(chuàng)建城市道路模型。見圖10。

以道路中心線為放樣線生成道路模型后，為還原逼真的城市道路景觀，需設(shè)置地面標(biāo)志標(biāo)線。對于標(biāo)線圖像來說，遇到曲線部分的道路模型，不宜沿著道路走向進(jìn)行高效耦合，因而采用單獨建立道路標(biāo)線模型的方法達(dá)到還原真實道路的效果。根據(jù)現(xiàn)實情況，創(chuàng)建道路實線和虛線標(biāo)線族。實線標(biāo)線族通過沿道路中心線放樣標(biāo)線斷面輪廓的方法創(chuàng)建；而虛線標(biāo)線族沿中心線直線段自動排列布置，需考慮在曲線段處隔一定距離進(jìn)行旋轉(zhuǎn)布置。

2.2 沿線建筑物模型建立

沿城市主干道分布的城市建筑物較密集，周邊建筑的分布情況同時也對綜合管廊的建設(shè)運(yùn)維及養(yǎng)護(hù)有著較大的影響。為充分利用空間和資源整合，消除地面、地下沖突，保證管廊施工及運(yùn)營安全；同時減少周邊對線路局部走向影響較大的房屋建筑等的拆遷量，降低施工養(yǎng)護(hù)成本，保證得到最優(yōu)的綜合管廊設(shè)計方案，對綜合管廊上部沿線建筑物模型進(jìn)行創(chuàng)建，通過BIM技術(shù)實現(xiàn)與上面城市道路模型相鏈接的效果。

要進(jìn)行地上道路周邊建筑物建模，首先要了解周邊建筑物的分布情況，依據(jù)建筑物的類型，提取CAD圖中的建筑物輪廓，將CAD中所屬不同圖層的建筑物分別導(dǎo)入Revit中，可以避免管廊沿線建筑物數(shù)量過多導(dǎo)致的手工建模效率低且精度不足的問題，本文采用Revit二次開發(fā)來完成綜合管廊地面沿線建筑物的自動建模。見圖11。

2.3 地面水系模型建立

通過對地面水系模型的建立，準(zhǔn)確地將線路與水系連同建筑物相對位置關(guān)系進(jìn)行直觀表達(dá)，有利于不同專業(yè)之間設(shè)計的協(xié)調(diào)配合。水系主要包括呈封閉面狀的湖泊和呈長帶狀的河流，河流還有干流與支流之分。采用不同建模方法進(jìn)行模型邊界線處理，通過參數(shù)化實現(xiàn)這兩種水系的建模。

由于邊界控制點數(shù)量對邊界線形狀影響較大，數(shù)據(jù)點不足將影響模型的精確表達(dá)，故為提高模型精度，對控制點進(jìn)行內(nèi)插。見圖12和圖13。

相較于湖泊建模，河流邊界線受流域內(nèi)地形特征的影響，邊界線高程隨地勢高低起伏變化，對河流邊界線的處理要重點解決干流和支流之間數(shù)據(jù)融合和模型的銜接。同樣對河流邊界點進(jìn)行三次埃爾米特插值，但加密過程中會遇到數(shù)據(jù)點重合問題，需要進(jìn)行加密后數(shù)據(jù)點的選擇性剔除。為實現(xiàn)河流整體的快速建模，需要將干流和支流的所有有效數(shù)據(jù)點整合在一起。由于河流呈長大帶狀，無需考慮河岸坡度等局部信息，將河面相對高程、水深及地面相對高程使用同一套平面坐標(biāo)整合在Excel中。見圖14。

2.4 三維環(huán)境一體化搭建

綜合管廊運(yùn)維管理與管廊上部沿線城市場景息息相關(guān)。為提高道路建筑物模型真實性，研究道路模型快速建模方法和基于建筑物輪廓線的建筑物模型快速建模方法，完成城市綜合管廊集成城市場景模型的搭建，最終搭建的實景環(huán)境建模整體效果。見圖15。

3 結(jié)論

1）實現(xiàn)綜合管廊BIM模型的快速創(chuàng)建、拼裝、修改、樣式調(diào)整和精確定位的過程需參考實際管廊施工圖紙，結(jié)合現(xiàn)場勘察，根據(jù)管廊設(shè)計規(guī)范和真實數(shù)據(jù)對綜合管廊中的分類構(gòu)件進(jìn)行編碼和族庫參數(shù)化創(chuàng)建。

2）利用Revit二次開發(fā)和Dynamo相關(guān)插件完成綜合管廊整體模型的搭建，研究了各類管線布置與管廊主體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施模型的適配能力，通過管線與管線之間的碰撞檢測，實現(xiàn)了管廊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

3）應(yīng)用BIM技術(shù)集成三維立體城市景觀，搭建綜合管廊城市道路沿線建筑物三維模型需要將CAD輪廓線轉(zhuǎn)換化為Revit模型線，應(yīng)用Revit二次開發(fā)實現(xiàn)不同類別的建筑物模型自動建模，有效地提高了建模效率。

4）以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，對信息設(shè)置和篩選，提出集成城市三維場景的綜合管廊的三維建模的研究方法，此方法在管廊設(shè)計中具有很好的適用性。

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收稿日期：2024-03-21

作者簡介：朱鵬燁（1995 - ）， 男， 碩士， 河北定州人， 工程師， 從事鐵路及軌道交通工程設(shè)計工作。