基于達(dá)索平臺的鐵路隧道BIM建模效率提高的方法

王 浩

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 城市軌道交通設(shè)計研究院，天津 300251）

近些年，越來越多的建設(shè)項目開始引入建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)來輔助設(shè)計、施工和管理[1]，例如廣州白云國際機場綜合交通樞紐，京張高鐵清華園隧道，西成客運專線，泰和贛江特大橋等多個建設(shè)項目[2-5]。目前，各個行業(yè)的BIM研發(fā)主要集中在擴展應(yīng)用上，如工程量計算，在線問題溝通，風(fēng)險控制，數(shù)值分析等[6-9]。

隨著鐵路建設(shè)項目對BIM技術(shù)的應(yīng)用要求逐漸由試驗工點轉(zhuǎn)變?yōu)槿范巍⑷珜I(yè)的趨勢，其帶來的直接結(jié)果是各個設(shè)計團(tuán)隊面臨大量的BIM建模工作，特別是在傳統(tǒng)二維繪圖工作并沒有減少工作量的情況下，BIM建模工作占用了較大的人力。因此，提高BIM建模效率，讓設(shè)計人員有更充裕的時間進(jìn)行方案比選和優(yōu)化就成為了BIM研發(fā)工作的重點。

1 建模流程

以中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司為例，采用達(dá)索平臺，建模流程如圖1所示，主要由5步構(gòu)成[10]：（1）建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；（2）參數(shù)化工程模板的建立；（3）批量生成隧道骨架線；（4）批量實例化工程模板；（5）實例化模型的修改。

圖1 建模流程

在上述建模流程中，真正占用設(shè)計人員大量時間又對提高設(shè)計質(zhì)量幫助較小的工作為第5步工作，實例化模型的修改。該部分工作瑣碎、重復(fù)量大、自動化程度低。達(dá)索提供的EKL語言可以批量生成模型，但是無法批量修改模型。因此，采用C++語言進(jìn)行二次開發(fā)減少第5步工作的時間十分必要。本文以鐵路隧道洞室模型生成后如何快速的對正洞模型進(jìn)行修剪為例，初步探索了采用二次開發(fā)的方式提高建模效率。

2 開發(fā)規(guī)劃

2.1 開發(fā)需求

中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司BIM建模采用的達(dá)索平臺最初是一款應(yīng)用于機械制造行業(yè)的設(shè)計-建模軟件。該軟件采用“骨架-模板”的建模思路[11]，通過模板建立相似類型的模型，從而減少建模工作量。鐵路總公司成立BIM聯(lián)盟后，達(dá)索平臺開始進(jìn)入鐵路設(shè)計建模領(lǐng)域。

隧道工程中包含大量的綜合洞室以及各專業(yè)的專用洞室，這些洞室在修建過程中需要在隧道側(cè)壁開洞，而在隧道建模過程中由于洞室建模需要參考正洞模型的內(nèi)表面，所以洞室建模需要在正洞完成之后。隨之帶來的問題就是，正洞建模過程中由于洞室模型尚未完成無法依據(jù)洞室模型預(yù)留開孔位置。而在洞室建模過程中EKL語言難以修改已經(jīng)建立好的模型，無法再修剪正洞。因此，在洞室建模完成后設(shè)計者需要手動對正洞構(gòu)件下初支、二襯、仰供等部分進(jìn)行修剪，消耗大量時間和精力。

如圖2所示，洞室被暗洞拱墻部分的初支、二襯完全堵住，不符合工程建設(shè)中的實際情況。在實際工程中，一條長度在5 km左右的高速鐵路隧道，僅此類修改消耗的時間大約在一天左右，極大地降低了設(shè)計效率。

2.2 開發(fā)思路

采用C++編程方式將原本由設(shè)計者進(jìn)行的判斷和操作用計算機完成。計算機自動獲取暗洞和洞室的結(jié)構(gòu)，判斷修剪位置，并按照工程實際修剪相應(yīng)部分。圖3為修剪完成后的暗洞-洞室模型，暗洞-洞室位置關(guān)系比較簡單，但還有其他多種位置關(guān)系。

如圖4所示，圖中 A、B、C、D、E 表示暗洞段落，1、2、3、4表示洞室，可以看到，正洞與洞室的位置主要有4種：

圖2 修剪前的暗洞-洞室模型

圖3 修剪后的暗洞-洞室模型

圖4 暗洞-洞室位置關(guān)系圖

（1）如1-A，一個隧道暗洞段與一個洞室相交。直接采用洞室1對正洞段A進(jìn)行修剪。

（2）如2-B、2-C，洞室位于襯砌段落分界處，要用B、C兩段暗洞段分別與洞室2做布爾運算。根據(jù)設(shè)計要求，洞室不能位于該位置，但是在初次設(shè)計當(dāng)中難以避免此種相交方式，除非在建模前進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，將原本此類的相交方式篩選并調(diào)整后進(jìn)行建模。

（3）如D，暗洞段不與任何一個洞室相交，不需做修剪直接跳過進(jìn)入下一暗洞段。

（4）如3-E、4-E，一個暗洞段與兩個或兩個以上洞室相交，需要用3、4兩個洞室對暗洞段E進(jìn)行修剪。

根據(jù)上述情況，軟件運行邏輯圖如圖5所示，具體如下：

（1）獲取暗洞總結(jié)點下的一個暗洞段，同時獲取洞室總結(jié)點下的一個洞室。

（2）判斷獲取的暗洞段是否與獲取的洞室相交。如果相交，用洞室修剪暗洞，如果不相交，獲取下一個洞室。

（3）每次獲取洞室后依據(jù)返回值是否為空判斷是否已經(jīng)遍歷結(jié)束，遍歷未結(jié)束，重復(fù)第2步，遍歷結(jié)束，獲取下一暗洞段。

（4）每當(dāng)獲取一個新的暗洞段，自動重新獲取洞室總節(jié)點下第一個洞室。保證每個暗洞段和所有洞室進(jìn)行判斷。

圖5 軟件運行邏輯圖

3 開發(fā)成果及應(yīng)用

3.1 開發(fā)成果

通過開發(fā)，設(shè)計人員只需要簡單地選擇暗洞總結(jié)點和洞室，后續(xù)工作全部由計算機完成，極大地縮短了建模時間。本文所述開發(fā)成果已經(jīng)在牡佳客運專線BIM項目中得到應(yīng)用。圖6為軟件界面，圖7為多段落暗洞段與洞室修剪對比。

圖6 軟件界面

3.2 應(yīng)用案例

牡佳客運專線線路全長371.622 km，新建線路長度為367.190 km，共有隧道34座，總長約63.732 km，均為雙線隧道，占線路長度的17.36%。其中，長度在5 km以上的隧道共3座。

圖7 多段落暗洞段與洞室修剪對比

項目建模前期，由于程序尚未開發(fā)完成，為了按時完成建模任務(wù)，設(shè)計團(tuán)隊采用手動修剪方式完成工作。前期建模的約20座隧道修剪耗費時間在一周左右。后期程序開發(fā)調(diào)試完成，剩余10余座隧道修剪僅耗費半天時間。

4 存在問題

盡管通過開發(fā)已經(jīng)極大地減少了設(shè)計人員的工作量，提高了設(shè)計效率，但由于軟件開發(fā)經(jīng)驗不足，開發(fā)時間較短等原因，該程序還存在著許多的缺點和不足。

（1）對不規(guī)則結(jié)構(gòu)樹適應(yīng)性較差。由于程序遍歷結(jié)構(gòu)樹的規(guī)則較為固定，因此要求隧道專業(yè)暗洞段與洞室部分結(jié)構(gòu)樹嚴(yán)格按照軟件要求組織。在實際生產(chǎn)項目中，由于建模人員對軟件的不熟悉或溝通理解問題，經(jīng)常會有部分隧道由于結(jié)構(gòu)樹不規(guī)范無法使用該程序。

（2）生成的結(jié)構(gòu)為無參實體，不能隨著輸入條件的修改而自動改變。為了追求開發(fā)速度和程序運行效率，程序內(nèi)生成的結(jié)果全部去參數(shù)化，無法隨著輸入條件修改而改變。因此，此類生成去參實體的二次開發(fā)程序建議在建模結(jié)束階段，不必面臨大量修改時使用。

（3）操作不易撤銷。由于程序最終目的為修改每個暗洞段結(jié)構(gòu)，最終生成的結(jié)果分別位于各個暗洞段結(jié)構(gòu)下。因此除了在執(zhí)行完后立即執(zhí)行撤銷操作外，沒有便捷的方式迅速將模型恢復(fù)到程序執(zhí)行前。而撤消操作在執(zhí)行了后續(xù)其他操作后由于操作記錄被覆蓋也無法執(zhí)行，所以在程序執(zhí)行完成后必須第一時間檢查結(jié)果，如果發(fā)生錯誤立即撤銷。

（4）構(gòu)件類型識別依靠構(gòu)件名稱。由于程序開發(fā)時工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）類型尚未部署完成，只能通過構(gòu)件名稱來確定是否需要修剪，對于構(gòu)件命名不規(guī)則情況可能會發(fā)生修剪錯誤。

5 結(jié)束語

本文通過C++語言進(jìn)行CAA二次開發(fā)的方式極大地提高了鐵路隧道BIM建模的效率，在工程應(yīng)用中節(jié)約了寶貴的時間和人力資源。本次開發(fā)仍然具有較大的局限性，未來的研究重點將放在以下幾個方面：（1）程序編寫盡量采用遞歸調(diào)用方式，提高適用性。（2）程序盡量與IFC屬性相結(jié)合，減少對模型命名的約束。（3）盡量采用自定義特征的方式編寫程序，輔助建模，實現(xiàn)信息在軟件內(nèi)部的聯(lián)動。（4）后續(xù)開發(fā)著重探索優(yōu)化建模流程，從而縮減建模工作量。