基于Revit的盾構通用管片參數化建模及排版過程研究

張紅薇

(中國鐵路設計集團有限公司 天津 300142)

1 引言

盾構法施工作為隧道建設中的重要施工方法，具有自動化程度高、不影響地面交通、噪聲小等諸多優勢[1]，在城市地鐵區間隧道中被廣泛應用。目前國內地鐵盾構隧道襯砌管片形式主要有普通環形式和通用環形式，由于生產施工簡便、施工動態調整方便、有利于隧道軸線質量控制等優點，通用型盾構管片被越來越多地運用于城市軌道交通地下工程建設中。

隨著BIM技術的快速發展，建筑信息模型的概念逐漸深入人心，中國很多城市及地區已經開展BIM三維建模設計，但絕大多數模型只是在二維圖紙的基礎上為了進行三維展示做的翻模，沒有真正參與到設計流程中，也無法從根本上解決盾構區間里程較長，管片數量眾多[2]，工作量大、工序復雜等問題。

針對上述現象，李永明等[3]提出了基于CATIA軟件的楔形盾構隧道管片參數化建模方法，但其可更改參數僅包括管片外徑、厚度、幅寬和楔形量等最基本的參數，只實現了部分參數化建模，針對螺栓孔數量以及各類防水結構形式的參數化所需運算量較大.還需要通過建立眾多不同模板來實現。劉曹宇等[4]提出使用Revit軟件自適應公制常規模型族樣板建立自適應管片族。其原理是根據構件的所有端點，參數化自動生成實體構件，過程是先進行區間盾構管片排版，再連接其12個端點生成管片模型。這樣本末倒置，為了擬合線路和排版而生成的管片大多異形，與真實加工出的管片出入較大，且排版并非真實的最優排版，在指導施工中困難重重。陳桂香等[5]提出利用Revit的公制體量族創建參數化盾構管片，對管片環內徑、外徑、管片厚度、圓心角以及各孔洞尺寸等變量參數進行參數化處理，但其缺少針對結構最為復雜的封頂塊及鄰接塊的參數化建模過程的探討，針對如何實現手孔排布的變化也并未詳盡說明。

可見盡管有一些學者對通用型管片的參數化設計進行了探討，從一定程度上提高了部分設計效率，但其精度和深度不夠。本文借助Autodesk Revit(以下簡稱Revit)這個BIM平臺下最具代表性的設計軟件之一，利用其參數化、構件關聯性、參數驅動形體設計和協作設計[6]的特征，以我國城市地鐵區間使用較多的6塊分塊，分別為一個封頂塊(K塊)、兩個鄰接塊(L1、L2)、三個標準塊(B1、B2、B3)的通用型管片作為研究對象，探討始于方案設計，持續到施工圖完成，貫穿項目整個生命周期的盾構管片參數化設計及區間排版方法。

2 基于Revit的管片參數化設計

2.1 管片分塊參數化建模方法及步驟

盾構區間隧道結構主體是由雙面楔形的通用管片錯縫拼裝而成，利用Revit中的公制常規模型族文件對管片進行建模，創建實心拉伸，其中用到的參數為環寬，管片內、外半徑。創建參照平面，利用公式定義α角來對楔形量進行參數化表達，創建空心實體對管環進行剪切，得到可任意調節楔形量Δ、管片內、外半徑及環寬的參數化管環。

接著對管環進行分塊，設置標準塊B1圓心角、鄰接塊L1圓心角兩個參數。由于 B1、B2、B3塊相同，L1、L2塊相同，故所有管片分塊的圓心角均可通過公式得到，實現參數化。此原理不僅適用于6塊分塊，若管環半徑增大，增加分塊數量，因封頂塊只有1塊，鄰接塊分布在封頂塊的兩側，有兩塊。因此，分塊數量的不同，實際是指標準塊的數量不同，由于標準塊的圓心角均相同，故只需定義一個標準塊和一個鄰接塊的圓心角即可通過公式得到所有分塊的角度，修改這兩個參數便可滿足多種管片分塊形式。標準塊的形狀規則，只需利用空心拉伸對管環進行剪切即可得到。

考慮到施工中管片的拼裝，封頂塊沿隧道軸線方向上設計成楔形，通常情況下還會將封頂塊與鄰接塊的交界面沿管片環向中心軸旋轉一個很小的角度以減小外弧的長度，增加內弧的長度，便于施工。因此多設置兩個參數，分別為楔形角和K塊的旋轉角度，因其結構復雜，要得到兩個鄰接塊和K塊需要采用空心放樣融合創建空心實體對管環進行多次剪切才能得到。這里引入一個重要的概念，即Revit的輪廓族。輪廓族是二維平面族，是在Revit中比較簡單的一個族，同時也是非常重要的一個族，可以在輪廓族中繪制復雜的結構輪廓及定義諸多參數等，然后便可化繁為簡，在三維族文件中完成放樣融合路徑繪制后，選擇放樣融合輪廓，點擊載入輪廓，分別將繪制的兩個輪廓族載入，并將輪廓族的參數與管片族進行關聯，完成空心放樣融合實體的創建。鄰接塊L1可通過四個輪廓族，兩個空心放樣融合體對管環進行剪切得到。

同理，以此得到K塊和鄰接塊L2，實現對管環的參數化分塊建模。輸入的參數不同，輪廓族隨之聯動，得到不同的管片分塊。管片建模參數見圖1。

圖1 管片建模參數

2.2 手孔及螺栓連接參數化建模方法及步驟

管片上游手孔、螺栓孔、剪力銷孔、注漿孔等需要準確表達[7]。以最難實現的螺栓手孔為例進行詳細論述:新建一個公制常規模型族文件，對管片螺栓手孔及螺栓孔進行建模，其中的難點是管片縱縫處的手孔及螺栓孔建模，不同地區不同工程的管片手孔位置、底面半徑、手孔擴散角及螺栓孔直徑，擴大端高度等均不同，將這些變量設置為參數，如圖2所示。

圖2 螺栓手孔建模參數

螺栓手孔及螺栓孔參數化過程為:

(1)繪制螺栓孔軸線，圓弧半徑定義為參數R，約束圓弧端點與管環圓心距離為L2。

(2)繪制參照平面和參照線，定義角度α大，使管環內輪廓與螺栓孔軸線發生聯動，用圓心角α大表示手孔與接縫中面的距離L3，修改參數L3的數值，角度α大隨之變化，與手孔圓柱段相接位置發生改變。手孔圓柱段長度為L4。要實現多個參數共同變化且模型不發生錯誤，需要充分利用Revit中的鎖定關系，恰到好處地將點、線、面進行鎖定，避免過約束現象產生。

(3)定義h1，建立半徑R與手孔擴散角α2的關系。利用如圖3所示的兩個輪廓生成的實體進行剪切，該方式能夠實現對參數化手孔的創建。再將手孔設置為空心實體對管片進行剪切。

(4)定義螺栓孔直徑D1、梯形擴大處底邊直徑D2、梯形擴大處的梯形高度L5等參數，通過空心放樣和空心放樣融合創建實體，如圖3所示。將放樣路徑與螺栓所在圓進行鎖定，改變管片內半徑數值，螺栓孔及手孔位置均隨之聯動。環縫螺栓手孔的創建方法與縱縫相同。

圖3 螺栓手孔空心放樣輪廓及手孔實體

(5)將族參數改為加載時剪切的空心，由于Revit不支持兩個族之間進行剪切，故創建一個項目文件，按照同一個原點放置，將管片分塊與螺栓手孔的可載入族分別載入到項目中，按照管片分塊角度對手孔進行排布，并用管片剪切螺栓手孔，創建一個輪廓為圓的空心拉伸，半徑定義為參數管片內半徑，剪切掉手孔圓柱段凸出管環的部分。

2.3 管片接縫參數化建模步驟

新建一個公制常規模型族文件，通過放樣創建空心實體，采用輪廓族創建放樣輪廓，將空心實體載入到項目文件中，對管環進行剪切，得到模型如圖4所示。創建全局參數，將三個族文件的參數與全局參數創建關聯，只需要在項目中修改全局參數即實現對所有參數的驅動，模型也隨之改變。

圖4 參數化管片模型

3 通用環管片排版算法及流程

將理論盾構隧道中心線分割成多段線導入到Revit，按照里程順序存儲多段線各節點坐標，定義向量旋轉函數:X′＝F(X，R，θ)，單位向量X{x，y，z}繞單位向量R{a，b，c}旋轉θ角后，得到單位向量X′{x′，y′，z′}[8]。

定義參量:管片環寬為L，楔形量為δ，縱向螺栓數量為n，楔形角α＝δ/D，管片單位轉角β＝2π/n[9]，如圖5所示。

圖5 管片拼裝姿態幾何分析

每一環管片小里程方向的面為后面，大里程方向的面為前面，前后兩面法向量方向均為指向線路大里程方向。與下一環相交的面為前一環插入點后面圓心，向量為該環后面法向量和切向量。管片從線路起點開始拼裝，輸入第一環后面的圓心O1后{x1后，y1后，z1后}、 面法向量ω1后{ω1x后，ω1y后，ω1z后}、面切向量μ1后{μ1x后，μ1y后，μ1z后}，即輸入第一環插入點坐標及位置向量。

第i環后面圓心坐標為Oi后{xi后，yi后，zi后}，面法向量ωi后{ωix后，ωiy后，ωiz后}，面切向量μi后{μix后，μiy后，μiz后}，與本環前面圓心、面法向量、面切向量公式為:

第i環的插入點坐標及位置向量，為已拼裝好的i－1環前面的圓心及位置向量。此位置為第i環旋轉起始位置。

第i環從插入起始位置開始，分別繞ωi－1前旋轉β、2β、4β、5β、8β、12β、14β、15β，分別計算各角度前面圓心坐標Oi前{xi前，yi前，zi前}、面法向量ωi前{ωix前，ωiy前，ωiz前}、面切向量μi前{μix前，μiy前，μiz前}公式為:

旋轉各角度k塊位于管片下方90°時無法施工，μi前與X軸夾角 －67.5°～22.5°時K塊位于管片下方90°，因此應刪除該范圍內的點[10]。

第i環在轉動各角度后，后面圓心Oi前{xi前，yi前，zi前}到理論隧道中心線最短距離的旋轉角度即為第i環管片的拼裝角度。判斷方法為:理論隧道中心線節點按里程順序編號儲存坐標，第j點坐標為{xj，yj，zj}，第j＋ 1 點坐標為{xj＋1，yj＋1，zj＋1}，線段Lj，j＋1向量為{xj＋1－xj，yj＋1－yj，zj＋1－zj}，過點j和j＋1的法平面方程分別為:

將圓心Oi前{xi前，yi前，zi前}代入兩平面方程，計算乘積:[(xj＋1－xj)(xi前－xj) ＋(yj＋1－yj)(yi前－yj) ＋(zj＋1－zj)(zi前－zj)] ·[(xj＋1－xj)(xi前－xj＋1) ＋(yj＋1－yj)(yi前－yj＋1) ＋ (zj＋1－zj)(zi前－zj＋1)]。

若其值大于0則循環判斷后續點，到其值小于等于 0 為止。 計算圓心Oi前到線段Lj，j＋1的距離，并記錄此時節點序數j＋1，拼裝第i＋1環時判斷圓心與理論隧道中心線距離時，從j＋1節點開始判斷。拼裝管片循環終止條件是所記錄的節點序數j與中心線終點節點序數小于環寬L/節點間距。每拼接一環管片均進行以上循環，直至整個盾構區間生成。

4 結合Revit二次開發生成盾構區間

結合Revit現有的API接口，編寫程序，利用External Application外部應用[11]，在點擊生成區間按鈕后，自動彈出管片參數、手孔參數等對話框，如圖6所示。設計者在輸入數值后系統自動調用指定文件夾中的管片項目文件，根據所輸參數創建管片，并執行上述算法對管片進行排版，快速生成整個盾構區間。

圖6 Revit管片建模參數輸入界面

5 結束語

運用Revit對隧道盾構管片中的變量進行參數化處理，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。本文詳細闡述了管片參數化建模及排版過程，通過輸入參數迅速得到的管片模型達到了設計及施工的深度和精度，通過修改族參數引起模型作出相應的聯動修改，極大提高工作效率[12]，同時提高了管片信息的準確性，減少設計階段由于管片尺寸變更引起的重復性勞動，通過代碼實現盾構區間快速生成，對于指導施工具有重要意義。