基于Revit的盾構管片參數化建模應用

王曉東， 喻 鋼， 吳惠明

(1. 上海大學建筑產業化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大學土木工程系， 上海 200072；3. 上海大學悉尼工商學院， 上海 200444； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200030)

0 引言

傳統的建筑設計主要是應用一些二維的建筑設計軟件，而現實中的建筑都是三維的，二維設計很難對三維建設進行準確的表達，設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換成三維模型，此過程很容易將一些關鍵信息混淆。盾構施工法以其機械化程度高、施工速度快、對環境影響小及技術成熟等優勢成為軟土地區隧道建設最重要的施工方法[1]。盾構法施工的隧道采用的是預制管片拼裝技術，預制管片的拼裝形式復雜多變，如果單純地使用二維圖紙進行表達，則需要設計者和施工者具有很強的空間想象能力。預制隧道盾構管片有著大量獨立的幾何、材料重量等信息參數，而管片之間可能因個別參數不同就需要單獨建模，使建模重復率高，工作量大且效率低。虹梅南路隧道盾構管片拼裝采用的是錯縫拼裝的形式，由于里程較長，管片數量眾多，若不采用參數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對盾構管片進行參數化建模的方法，提高了管片的設計效率；陸蕾[3]介紹了使用Revit參數關聯建立自由建筑形態，通過修改某一參數而對其他參數值產生影響的方法。當前的研究大多是利用AutoCAD對盾構管片進行模型建立，而AutoCAD的參數化建模需要應用二次開發，且模型表達效果與Revit相比略顯粗糙，盾構管片的環間錯縫拼接也未用到參數關聯的方法，使拼接工作繁重且位置不夠準確。BIM(建筑信息模型)技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目的相關信息[4]。作為一種新型的三維參數化設計工具，Revit是BIM平臺下的最具代表性的設計軟件之一，參數化設計、構件關聯性設計、參數驅動形體設計和協作設計是該軟件的主要特征[5]。運用Revit對隧道盾構管片中的變量參數進行參數化處理，使設計者只需簡單更改標準盾構管片模型的參數即可自動生成所需的盾構管片，運用AutoCAD可以快速將三維盾構管片模型轉化為工程圖紙，并且通過Revit參數相關聯的方法，將盾構組合管片的旋轉角度與參考點到放置點的距離進行參數關聯，高效準確地完成盾構管片的錯縫拼接，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展，盾構法成為隧道施工的主要方法[6-7]。隧道盾構管片為弧形結構，宜采用Revit族來進行創建。參數化建模就是通過分析結構自身的構成規律，通過若干控制參數快速生成結構模型。隧道盾構管片模型具有數量多及種類少的特點，對管片的變量參數進行參數化的處理可以快速創建新的管片模型[8]。虹梅南路隧道管片采用錯縫拼接的形式，每個管片環都有相應角度的旋轉，采用Revit參數關聯的方法可以通過簡單的長度改變帶動旋轉角度的改變，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) 集和相關圖形表示的圖元組[3]。使用Autodesk Revit的一個優點是不必學習復雜的編程語言，便能夠創建自己的構件族。Revit的族分為系統族、標準構件族和內建族。系統族是在Revit中預定義的，不能由外部文件導入到項目中，也不能將其保存到項目之外的位置[9]。

1.2 Revit參數化建模

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

1.2.1 參數設置

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

實現Revit族的參數化，首先要在族編輯器中布局參照平面，對標準隧道管片的寬度、厚度、內外徑和孔洞尺寸位置等參數進行尺寸標注，并為尺寸標注添加標簽，將其進行參數化。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”對話框的相應參數旁的 “公式”列中輸入相應參數的公式即可。

1.2.2 參數相關

在參數化建模的過程中，如角度、單元體大小和相對位移等參數與長度參數相比較很難快速地進行創建和修改，此時可以利用參數相關的方法，將角度、單元體大小和相對位移等參數與長度參數進行綁定，通過對長度參數的操作快速完成對相關參數的創建和修改。參數相關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、相對扭轉角度和相對位移的參數與長度參數關聯起來，使單元體隨長度參數改變，其大小、相對扭轉角度及相對位移發生相應的變化。

2 盾構管片參數化建模方法

隧道盾構預制管片模型種類少，數量多，且拼裝位置復雜，如不采用參數化建模，則需要對隧道模型的每一環盾構組合管片進行單獨建模，工作量很大。將盾構管片各參數用Revit進行參數化處理，只需調整參數即可得到新的管片模型，利用參數關聯的方法，通過將管片環旋轉角度參數與管片環和參照點距離參數進行關聯綁定，對盾構管片進行拼裝，會極大地提高建模的效率。

2.1 隧道預制管片變量參數的選擇

盾構預制管片的參數眾多，除了管片的寬度、厚度、內外徑等參數外，還有眾多的孔洞尺寸參數、位置參數和材質參數等，但是各盾構預制管片間的參數差距并不大，有些甚至只因單個參數改變就會產生新的管片模型。為了提高建模效率，將標準盾構管片中的外徑、厚度、寬度、旋轉角度、各孔洞的尺寸和位置等參數作為變量參數，用Revit進行參數化處理，以便快速得到所需的盾構管片模型，并利用AutoCAD將其轉化成二維圖紙。對于盾構管片的錯縫拼接技術，要考慮每個組合管片環的旋轉角度，如不采用參數化建模則需要對每個環的旋轉角度進行單獨調整，將花費大量的時間和精力。采用Revit參數關聯技術，將組合管片環的旋轉角度和參考點與放置點的距離進行參數相關，利用參數化的建模方法對盾構管片進行錯縫拼裝。

2.2 隧道預制管片三維參數化建模

隧道盾構管片結構為非直線形，在工程圖紙中很難表達清楚，單純地使用工程圖紙需要設計人員具有很強的空間想象能力。為了能夠更加清晰直觀地表達設計意圖，以標準盾構預制管片為例使用Revit創建預制管片的三維模型，步驟如下。

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

2)對管片進行挖孔。隧道預制管片上有注漿孔、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、擋砂條槽等需要進行挖孔建模。第1步選擇創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建實心模型，后期可在屬性中更改為空心)，將準備挖孔的面作為參照平面進行孔洞形狀的繪制。由于挖孔最初深度是由系統自定的，所以需要調節深度以達到設計要求，此時Revit自動形成孔洞。對于形狀復雜的孔洞可以先對孔槽進行單獨建模，再通過平移的手段對管片模型進行孔洞開挖。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先在平面中建立空心模型，將其旋轉至與曲面垂直，再通過平移和調節深度來形成曲面中的槽孔。隧道預制管片三維模型如圖1所示。

圖1 隧道預制管片三維模型

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

圖2 隧道預制管片參數化設置

2.3 隧道預制管片二維圖紙輸出

盾構管片種類少，由于個別參數改變就會產生新的管片模型，從而會產生新的二維圖紙。如果采用傳統由二維圖紙變三維模型的方法則會產生大量的工作量，故可以先通過改變標準件管片模型參數產生新的管片三維模型，再由管片三維模型轉化為管片二維圖紙，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在項目中的，在Revit中無法對其線型進行修改，所以先將管片族模型以塊的形式轉入到AutoCAD中，再對其進行修改，步驟如下。

1)將Revit文件導成CAD格式文件。

2)用AotuCAD打開導出的二維圖紙，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，即可對相應的線型、顏色及圖層等進行修改，使其符合制圖要求。

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

2.4 隧道預制管片拼接設計

對于隧道管片的拼接設計，如果不使用參數化建模，可以通過內建族的命令，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行放置，此種方法對于管片的放置位置不夠準確，并且由于中間弧線段有一定的旋轉角度，故會花費大量的時間進行調整。對于此類問題，可以應用族的參數化方法進行解決，具體步驟如下。

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

圖3 環形管片組合模型

2)創建自適應點(見圖4)，設置位置參數。新建自適應公制常規模型族，在參照標高平面中繪制圖4中的1號和2號參照點，將其自適應化，成為自適應點。選取2號自適應點的立面作為參照平面，在2號自適應點的上方繪制參照點3，同樣使其自適應成為自適應點。標注1號和2號自適應點的距離，并將其進行參數化處理，命名為“L1”，將自適應點3的旋轉角度進行參數化處理，命名為“角度”。

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

4)進行參數關聯設置。通過公式將之前設置的角度參數和長度參數進行關聯，使1號自適應點與2號自適應點的距離發生改變時，3號自適應點的旋轉角度隨之發生改變，以帶動環形管片組合模型發生旋轉。參數關聯設置見圖6。

圖4 自適應點的繪制(單位： mm)

圖5 管片環形放置(單位： mm)

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

圖6 參數關聯設置

5)利用參數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，并對繪制路徑進行分割，使分割點間的距離等于盾構管片的寬度，通過點擊參照點和分割點對環形盾構管片模型進行放置，使其在繪制的路徑上生成所有的管片構件。管片放置見圖7。

圖7 管片放置

由于旋轉參數和距離參數進行了參數相關的處理，在放置過程中，隨著L1的不斷改變環形管片模型也將發生相應角度的旋轉，滿足了管片錯縫安裝的要求。由于族的參數化的使用，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參數化建模工程應用

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和奉賢區的交界處，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]。根據公示的“虹梅南路、金海公路道路紅線專項規劃”，該工程分為2段。一段是虹梅南路，位于徐匯、閔行兩區，從上中路至東川路，長約10.9 km。原虹梅南路為地面道路，現在規劃為“高架+地面輔道”，沿線設外環線、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，從西閘公路至大葉公路，長約3.4 km，為地面道路。盾構段采用的是東西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建

虹梅南路隧道盾構管片利用Revit參數化建模的方法建立參數化管片族，運用AutoCAD將三維管片模型轉化為三維設計圖紙。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計

虹梅南路越江隧道盾構段外徑為14.5 m，管片厚0.6 m，環寬2.0 m。管片由標準塊、鄰接塊和封頂塊組成，采用錯縫拼裝的形式。其中標準塊形式相同，分塊面為徑向；封頂塊的兩側分塊面設有楔形量；鄰接塊與封頂塊相連端采用相同的楔形量[2]。采用Revit參數化關聯的方法對虹梅南路盾構管片進行拼接，此方法大大減少了工作量，而且管片放置位置相對準確。虹梅南路管片拼接如圖10所示。

圖10 隧道管片拼接

4 結論與討論

BIM技術是數字技術在建筑業中的直接應用，正在引領建筑行業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技術對盾構預制管片進行模型建立，闡述了運用Revit參數化設計創建預制盾構管片三維模型，通過更改參數迅速得到新的管片模型的方法，結合AutoCAD將三維盾構預制管片轉換成工程圖紙，實行先建模后出圖的設計理念。運用 Revit參數關聯的方法對盾構管片環進行拼接，從而加快管片拼接速度，提高了管片拼接的準確性，為上海市虹梅南路地鐵隧道的成功建設發揮了積極的推動作用。

隧道軸線弧度不同，使每個管片的內外寬度都有所變化，雖然參數化建模在一定程度上增加了建模的效率，但要通過修改參數對盾構管片進行一一建模。建議通過Revit二次開發，利用參數化技術，實現盾構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管片的建模效率。

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