基于Revit的兩種隧道建模方法的對比分析★

楊曉強，賈 開，李仁山，王少鵬，岳增明，鐘慶豐

(1.西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710049； 2.西安交通大學人居環境與建筑工程學院，陜西 西安 710049；3.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000； 4.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000)

如前所述，地鐵工程的建設無論從規模還是數量上，都在急劇上升。而在地鐵工程的施工過程中，會產生大量的施工圖紙和數據。傳統的二維圖紙所呈現的信息錯綜復雜，再加上現場工作人員的技術水平不一，如若對二維圖紙的理解有所差錯，則會造成不必要的返工和資源浪費，使得施工效率低下[1]。為了有效解決上述問題，基于計算機模擬應用的建筑信息模型技術，即BIM技術被逐漸應用到了隧道工程中。與傳統的二維圖紙不同，BIM技術可以將繁雜的圖紙信息直觀地用三維模型呈現，其特點就是所見即所得，這樣即使非專業人士也能夠迅速地理解和獲取到工程的相關信息。所以BIM 技術的應用不僅提高了地鐵工程的建設效率，也可以降低施工成本的投入，為相關產業帶來更高的經濟價值[2-4]。

基于西安地鐵1號線三期工程，在隧道模型部分，使用兩種不同的方法進行隧道建模，并對這兩種方法的優缺點進行對比分析，為類似的工程項目提供一定的參考依據。

1 工程概述及建模思路

1.1 項目概況

西安市地鐵1號線三期工程中華西路站—安谷路站區間起于安谷路站，盾構井設于安谷站項目部內，線路出安谷路站后以23.729‰的坡度穿越宇宏健康花城，然后進入渭河河段，穿出渭河后沿彩虹二路地下敷設，先以25‰和5.961‰下坡并側穿過書香河畔小區，最后到達中華西路站。

中安區間總平面圖見圖1。

1.2 區間隧道概況

中—安區間隧道左、右線長分別為2 027.495 m和2 054.380 m，區間隧道左、右線各有平面彎曲兩次，最小曲線半徑為400 m；區間隧道軌面的最小埋深約為15.45 m，該處的拱頂覆土約9.75 m，軌面的最大埋深約35.7 m，該處的拱頂覆土約29.38 m，左右線的線間距約為13 m～18 m。整個中—安區間的場地地形總體較平坦，地面高程384.0 m～396.3 m，高差1 m～12 m，場地相對空曠，地面建筑較少，下穿宇宏地塊在建場地內有基坑開挖，起伏較大，埋深變化大。區間隧道的線路縱坡整體呈“V”字型，最大縱坡為25‰。下穿渭河段隧道平行于渭河3號橋敷設，與3號橋水平凈距約34 m。

區間于YCK4+159.00～YCK3+494.00處下穿渭河。渭河是黃河最大的一級支流，下穿段堤距約600 m，結構拱頂距河底豎向凈距約15.3 m，距最低沖刷線約5.4 m。地貌由北向南依次通過渭河北岸二級階地(段落里程YCK2+830～YCK3+460)、渭河河漫灘(段落里程YCK3+460～YCK4+140)、渭河南岸一級階地(段落里程YCK4+140～YCK4+887.5)三個地貌單元。區間隧道洞身范圍內地層自上到下分別為粗砂、粉質黏土、粗砂、中砂、粗砂，隧道主要穿越的地層為中砂和粉質黏土層。

1.3 建模思路

Autodesk Revit軟件中族文件的使用，可以大大提高建模的效率，因為Revit族文件數據庫中的構件模型可以直接調取出來并導入項目文件中，所以對該類文件的靈活應用可以顯著地提高建模的速度，為BIM技術在各類工程中的應用提出了新的選擇方案。但Revit自帶族庫的族文件種類有限，需要不斷地進行開發和完善，而且目前在Revit中還沒有專屬的隧道工程模塊，對于缺少的族文件只能自行開發補充，所以針對于復雜的地鐵模型不僅建模比較困難，還加大了建模工作量。因此，本文通過前期查閱相關資料以及研究類似工程的成功案例，我們發現有以下幾個較為可行的思路：

日本大學從民間獲取的資金主要包括共同研究費、受托研究費、臨床實驗費、知識產權轉讓費。2011—2016年日本大學從民間獲取的這4項經費的數量逐年增加，2016年達到約848億日元（見表3）。雖然大學從民間獲取的經費有所增加，但從國際比較來看，日本大學從民間獲得經費的比例還比較低：2010年時，經濟合作與發展組織（OECD）國家大學研發經費中民間經費的平均占比為5%，而日本2013年時的這一占比只有2.6%，比經濟合作與發展組織國家中較高的德國（14%）、韓國（12.3%）、加拿大（7.2%）、西班牙（6.6%）等低很多，也不及低于平均水平的美國（4.8%）、英國（4.1%）。

1)在Revit中導入隧道設計圖紙，通過勾勒輪廓線、拾取模型線、拉伸實體模型等操作，可以建立出隧道的整體物理結構模型，其速度較快但可調控性差，只能處理長直段的隧道模型，對于隧道的彎道區段、特別是空間曲線模型的建立較為困難，所以很難與實際工程相契合。

2)內建體量法，該方法使用的是Revit自帶的體量族功能，無需引入輔助插件，主要原理是將隧道設計圖紙導入Revit中，通過拾取隧道軸線，并在路徑線上設置放樣點，然后選取某一放樣點作為工作平面繪制隧道斷面細節，最后生成體量的方式建立隧道模型。該方法的優點是可調節性強，可以根據隧道的設計圖紙建立空間曲線模型以契合工程實際。此外，該方法對電腦配置要求不高，建模速度較快，時間成本低。但是該方法的不足在于需要手動調整放樣點，所以可能會與工程實際之間存在略微的誤差，其次是對模型細節的體現不足。

3)Dynamo+Revit方法，在Revit中引入第三方插件Dynamo，利用Dynamo可視化編程的特性，將編寫好的程序文件導入Revit后，輸入管片相關參數并選中隧道設計路線排布管片即可生成隧道模型。其優點是模型精度較高，可視化質量較好，不需要手動調整模型，同樣可以建立空間曲線模型。但編寫Dynamo程序文件的工作煩瑣且任務量大，耗時較長。此外該方法還對建模電腦的配置要求很高，否則建模的響應時間非常久，使得建模的時間成本提高。

通過實際操作和應用后，本項目中主要使用了后兩種方法，因此本文僅探討、對比后兩種方法。

2 內建體量法

內建體量法本質上是創建具有體量大、形狀不規則、特異性較強等特點的族文件模型，是一項可以滿足用戶的個性化需求的功能，因此其可操作性較強。因為隧道軸線是一條空間曲線，其曲率及曲率變化量均為變量，Revit容易實現平面曲線的放樣，但空間曲線的放樣比較困難，所以基礎模塊難以解決上述問題。而Revit內建體量模塊中的樣條曲線可以在各個維度上調整其線形，使其在平面和縱斷面上分別和實際工程相契合，所以建立出的模型線實質上是一條空間曲線。因此我們可以利用樣條曲線的這一特點，來很好的解決隧道在彎道區段的建模問題。運用Revit內建體量法建模的基本步驟如下：

1)基礎數據準備。首先根據設計資料確定隧道設計軸線的途經路線，分別導出區間隧道左、右線線路軸線的平面圖和縱斷面圖。

2)然后基于路線圖設置放樣點(見圖2)。首先在Revit界面的俯視圖中導入隧道軸線的平面圖，再使用樣條曲線功能來拾取路徑線，并基于所需的精度要求來設置放樣點的數量。精度要求越高，則需要設置的放樣點就越多，建模耗時就越長；若對模型細節的精度要求較低，則可以通過適當減少放樣點數量，來提高建模的速度。在設置好放樣點之后，反復調整放樣點到更加合適的位置上，直到模型線與隧道軸線平面圖相吻合。

3)待樣條曲線與隧道軸線的平面圖基本吻合后，在最兩端的放樣點中任選其一，然后點擊查看工作平面，調取出繪制隧道斷面細節的對話框，然后以該點處的工作平面為基準平面，根據隧道橫斷面設計圖做出隧道斷面及其他構造細節(見圖3)。不過由于Revit在該模塊的功能不夠完善，該工作平面內的繪圖工具較少、操作空間也比較局限，所以隧道斷面的設計不宜復雜。

4)上述步驟完成后，在模型的側視圖中導入處理好的隧道縱斷面圖來調整各放樣點的標高，同樣調整各放樣點到合適的位置(見圖4)，使模型線與隧道的縱斷面圖相吻合。調整完成后再回到模型的俯視圖來檢查平面線形是否發生變化，若有微小偏離手動調整即可，然后再回到縱斷面視圖核對各點標高是否正確，重復上述操作，反復調整直到樣條曲線的平、縱斷面線形和區間隧道的設計軸線一致。

5)最后框選所有放樣點，然后點擊創建實心形狀就可以生成隧道模型，而該過程的耗時時長就取決于放樣點的數量和隧道斷面的復雜程度。隧道左、右線模型的創建步驟一致，均如上所述，在左線創建完成后，按照相同的步驟創建隧道右線即可生成整體隧道模型，見圖5。

6)最后導入地質勘測資料，根據巖土勘測報告中給出的土層信息，自上而下分層建模，先拾取土層輪廓然后拉伸實心形狀，形成土層模型，然后用不同的顏色來表示不同的土質(見圖6)。

3 Dynamo+Revit法

前文我們提到Revit的基礎模塊較難建立異形結構及曲面模型，而Dynamo插件便是Autodesk 公司針對Revit曲面建模能力的不足而推出的補充產品[5]。Dynamo可視化編程的模式，可以讓設計人員直觀、方便地進行可視化設計，另外該插件對用戶的編程能力要求也不高，因為其自帶的內置節點可基本滿足用戶的需求，當然用戶也可以通過Python自行編輯節點以滿足特殊的設計需求[6]。通過Dynamo驅動自適應族來實現參數化的隧道模型，其基本原理是在Dynamo中把管片環半徑、管片寬度、標準塊、連接塊、封頂塊的角度參數作為基本參數，經數據處理之后，就能確定每個管片的關鍵點，用來定位管片自適應族。這樣一來對隧道通用管片進行建模時，曲面、復雜孔洞等問題就得以解決。

Dynamo驅動自適應族建模的具體內容，首先是通過自適應方式分別創建鄰接塊、標準塊、封頂塊的自適應管片族，然后通過嵌套的方式形成管片構件。自適應管片族可根據區間隧道設計軸線的坐標，適應不同斷面尺寸和變坡點，自動擬合閉環。通過改變參數值，可以快速構建新的管片模型，有效增強自適應管片模型的適用性，并滿足管片各類錯縫安裝的設計及施工要求，以及逐步完善企業構件庫。管片族可分為直線環及左右轉彎環，由區間隧道總平面圖可推導如何選擇不同楔形量的管片。依據隧道線路中心線的弧度確認使用直線環或者左右轉彎環；依據中心線長度，確認選取管片的數量，并結合隧道設計軸線形成隧道管片拼裝。使用Dynamo+Revit方法建模的基本步驟如下：

1)基礎數據準備。根據隧道斷面的設計圖紙，以襯砌管片標準塊為底圖，然后制作以管片各角點和各長邊中點等共12個點為自適應點的自適應族構件(見圖7)，節點編號按逆時針順序依次增大，然后以上下底面為約束面創建實心形狀，完成自適應管片族文件的建立，并存為rfa文件格式以備調用。

2)在Dynamo中進行可視化編程，設置節點和連接將代碼塊連接在一起以構成具備特定功能的自定義節點組，如創建隧道斷面、分割斷面設置自適應點、設置管片參數、設置錯峰類型、按照隧道軸線排布管片等等命令，然后將所有的節點組組合在一起，從而編制可以驅動自適應管片族來實現參數化隧道建模的程序文件。

3)導入處理好的隧道設計線的平面圖及縱斷面圖作為隧道軸線底圖，同樣采用空間樣條曲線進行路徑線放樣，放樣的步驟與第二節描述的方法一樣。然后在Dynamo中選擇已經繪制好的隧道軸線，如若成功選中模型單元，則代碼塊會變色，并會顯示已經選中的單元編號，如圖8～圖10所示。

4)然后在Dynamo中導入步驟一中制作好的自適應管片族文件，然后根據工程實際設置好隧道管片外半徑、管片厚度、管片寬度以及管片的圓弧角度參數，因為管片前后斷面的角度參數并不一致，所以需要分別對其進行設置(見圖11，圖12)。另外需要注意，同一斷面處管片鄰接塊的內外圓弧角大小也不一樣，因此也需要分別設置。

5)最后選擇錯縫布置類型及環間螺栓個數(如圖13所示)。在錯縫布置類型的選擇框中，數字0代表通縫，即隧道各管環間不錯縫，但工程中一般會避免這種情況的出現；數字1代表相鄰管環沿逆時針方向錯縫；數字2代表相鄰管環沿順時針方向錯縫；數字3代表相鄰管環在封頂塊附近左右擺動錯縫；數字4代表相鄰管環沿環向360°均勻錯縫。在選擇好隧道管環間的錯縫布置類型和環間螺栓數量后，運行Dynamo生成隧道模型(如圖14所示)。

隧道圍巖體、土層的建模步驟，以及周邊地物地貌的建模結果與內建體量法一致，此處不再贅述。

4 結語

通過使用Revit軟件進行了隧道模型的建立，并使用了兩種隧道建模的方法。文中所述的兩種建模方法各自有各自的優點與不足，內建體量法無需編程，對建模電腦的配置要求也低，所以無論在時間上還是費用上，其建模成本都較低。雖然其模型質量一般、細節體現不足，但在隧道的設計規劃階段，該方法不失為一種成本低、時效快的好方法。Dynamo+Revit的建模方法，其優點很突出，但隨之而來的問題就是需要一定的編程工作，且對建模電腦的配置要求很高，當然該方法在最終成果的產出時，可以考慮使用。所以這兩種方法在項目建設的不同階段中有著不同的優勢，可以結合二者各自的優點綜合應用。綜上，本文結合實際工程對前文所述的兩種建模方法進行應用并分析對比，可為其他類似的工程項目提供一定的參考。