基于BIM的隧道建模技術

郭 鵬,黃河清

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430063)

BIM技術是新一代的設計技術,包含的軟件程序較多,不同廠家的BIM設計軟件都能實現整個傳統的設計過程,并滿足包括三維建模在內的大部分BIM應用需求[1]。目前隧道建模方式多樣,基本以Autodesk系列軟件、Bentley系列軟件和Dassault系列軟件為主。明茂剛等[2]利用“Dyanmo+Revit”的方式進行隧道建模,并根據項目實際需求進行了一定程度的自定義功能開發;陳一飛等[3]利用“AutoCAD+Photoshop+3ds Max”三種軟件實現隧道的虛擬建模和模型貼圖;陶海波等[4]使用Civil 3D軟件的原生功能建立了隧道模型,在不考慮效率的情況下基本滿足項目需求;程秋雨等[5]利用Bentley平臺的MicroStation進行盾構隧道的參數化設計;覃延春[6]使用結合Bentley結合Catia的方式實現了隧道的快速建模。縱觀現有相關研究成果,大多是利用軟件已有功能去實現相關需求,但是基本都存在手動工作量大、軟件自身原因不適用實際工作坐標系、多平臺數據不互通等問題。基于Bentley系列軟件和Dassault系列軟件的隧道建模方法本質邏輯與Autodesk系列軟件是一致的,通過研究Autodesk平臺,選擇滿足實際工程需求的軟件,在軟件已有功能的基礎上提升隧道建模效率。

Civil 3D是專業的工程土木BIM軟件,能夠實現公路工程完整的設計過程并與AutoCAD數據無損互通,保證與現有設計習慣、設計成果的銜接,契合隧道“帶狀工程”特點,在隧道三維建模領域占據較高的地位[7-8]。利用Civil 3D的傳統建模方法流程較多,前期準備時間較長,中期手動操作量較大,不利于發揮其專業優勢[9]。因此,在了解Civil 3D隧道建模常規方法的基礎上,希望通過一系列具體功能的二次開發,探討Civil 3D在隧道建模方面二次開發的主要流程和若干技術細節。

1 利用Civil 3D進行隧道建模的常規方法

常規方法一般包含3個步驟:(1)Civil 3D中生成路線項目文件;(2)制作包含項目所需的隧道襯砌斷面部件;(3)在Civil 3D中設置道路并提取實體,如圖1所示。

圖1 Civil 3D中隧道常規建模步驟

1.1 在Civil 3D中生成路線

使用Civil 3D設計模塊下的“路線創建”和“縱斷面創建”命令,分別確定項目路線的平縱參數。根據設計規范,選中已有路線后,使用“計算/編輯超高”命令,完成對路線橫坡的確定,如圖2所示。

圖2 路線超高設計

1.2 隧道襯砌部件制作

實際項目中隧道襯砌形式多樣,需要利用Subassembly Composer(部件編輯器)對不同襯砌形式進行參數化設置,結合設計圖紙將不同襯砌形式整合到一個或者多個部件中,以備后期使用。具體如下:(1)定義隧道襯砌基本參數;(2)定義隧道襯砌拾取參數;(3)判斷分離式隧道(左右洞);(4)確定三心圓的特征點;(5)根據圖紙繪制襯砌輪廓;(6)根據圖紙繪制仰拱輪廓;(7)根據圖紙繪制路面及排水溝等設施斷面輪廓;(8)將輪廓閉合成“型”(Shape),最終形成隧道襯砌的部件。

1.3 設置道路并生成模型

將隧道襯砌部件導入到Civil 3D中形成“裝配”,以路線的平曲線、縱斷面以及超高信息作為控制參數,生成Civil 3D的“道路”對象,并從“道路”對象提取隧道實體模型,如圖3所示。

圖3 隧道模型提取

2 基于Civil 3D的二次開發實現隧道快速三維化

Civil 3D開放了豐富的功能接口,并提供不同的編程語言版本,能夠滿足使用者的絕大部分開發需求。本文基于Civil 3D的.NET API(.NET Application Programming Interface,即.NET框架下的應用程序編程接口),使用C#編程語言進行二次開發,二次開發環境如表1所示。

表1 Civil 3D二次開發環境一覽

2.1 隧道快速三維化需求分析

(1)隧道模型結構分析

隧道模型是典型的“帶狀構造物”,設計人員通過不同的樁號區間將整個隧道劃分為不同的段落,每個段落對應一種襯砌類型。段落與段落之間外表會有突變,但內部的空間是相同或者連續的。通過Excel表格的形式將隧道段落和段落對應的襯砌類型信息收集并保存,以備后續使用。

(2)Civil 3D環境下的三維模型生成原理分析

在Civil 3D環境下,三維模型的生成方式主要有4種方式:①拉伸;②放樣融合;③旋轉;④掃掠。考慮到隧道線形特性,直接拉伸斷面生成三維實體的方式不容易控制拉伸的方向,故舍棄方式①。旋轉方式適用于繞著某條軸線旋轉得到的三維物體,如錐體、柱體以及異形柱體等,與隧道的結構特點不符,故舍棄方式③。掃掠方式能夠基本符合隧道結構特點,也能夠滿足段落較多的情況,但是在掃掠過程中控制掃掠的頻率較為困難,容易生成協調性不夠的三維實體,故舍棄方式④。放樣融合的方式除了能夠滿足隧道結構相應需求外,還能控制方向以符合線路走向,亦能通過加密(或減少)中間點來控制放樣頻率,符合隧道三維化的要求。因此,選取放樣融合的方式進行隧道三維化,三維實體生成方式的優缺點見表2。

表2 不同三維實體生成方式對比表

(3)開發需求分析

通過實際項目驗證出利用Civil 3D結合部件的常規方式效率較低,分析其原因:①部件制作耗時較長,由于部件編輯器自身原因,導致復雜圖形的繪制較為繁瑣,無法與直接在AutoCAD環境下手繪斷面形式相比;②高質量、復用性好的部件制作困難,雖然部件能夠實現一次制作、多次使用的效果,但是前期對公用參數、公用構件、拾取參數等數據的把控較為困難,對使用者的經驗要求較高;③Civil 3D中“道路”的設置不利于多段落隧道,Civil 3D中的“道路”對象需要手動設置多個分段“道路”,每個分段“道路”需要單獨設置樁號范圍、裝配、拾取參數等,手動工作量較大。

基于此,二次開發最重要的兩個需求分別是:①代替傳統的手動輸入隧道段落的相關信息;②結合AutoCAD環境下的手繪斷面,利用放樣融合方式得到準確的隧道三維模型。隧道模型層級如圖4所示,二次開發詳細功能見表3。

表3 二次開發功能一覽

圖4 隧道模型層級圖

圖5 “數據讀取”功能流程圖

圖6 “數據讀取”功能代碼框架

2.2 功能實現過程

根據既定功能需求,制定完善的邏輯思路,再利用合適的功能函數逐一實現。具體地,首先要分析功能對應的實際操作流程,將其抽象為流程邏輯,再根據流程圖進行具體的編程開發,最終實現預期功能。本節就以數據讀取、三維空間變換以及斷面元素放樣融合3個核心功能進行分析,展現開發過程。

(1)數據讀取

數據讀取主要分為兩種數據格式:①包含隧道段落劃分和對應襯砌名稱等信息的Excel文件;②包含某種襯砌斷面所有相關元素的DWG文件。程序需要先選擇指定的Excel文件,讀取該文件內當前工作表的數據轉換為DataTable數據格式并存儲到計算機內存中。其次需要根據讀取得到的隧道包含的所有襯砌類型數據,按照名稱讀取加載對應的襯砌斷面DWG文件,以ObjectCollection的形式存入計算機內存中[10-11]。

(2)三維空間變換

在隧道襯砌斷面的DWG文件中,斷面元素的基點為原點,x坐標與y坐標對應Civil 3D路線的平曲線點,z坐標對應路線縱斷面點。如何將原點的襯砌斷面放置到對應樁號位置的路線點上去是本功能需要解決的問題。在數學中,利用三維空間變換矩陣能夠實現元素的平移、旋轉、縮放等,但是該方法相對計算復雜,不適合在實際項目中應用。通過查閱Civil 3D二次開發手冊,選擇Matrix 3D(三維矩陣)類進行相關的開發來實現既定目標。Matrix3D類需要8個參數,分別是①原始點坐標(From_Point3d);②目標點坐標(To_Point3d);③原始點x方向向量(Vector3d_FromX);④原始點y方向向量(Vector3d_FromY);⑤原始點z方向向量(Vector3d_FromZ);⑥目標點x方向向量(Vector3d_ToX);⑦目標點y方向向量(Vector3d_ToY);⑧目標點z方向向量(Vector3d_ToZ),其中原始點和目標點的三相向量都必須符合右手法則,并相互垂直。原始點的三相向量是容易的,可直接定義為正常工程坐標系下的三相向量;目標點的向量是相對復雜的,必須考慮路線的平、縱、橫三個維度的對應,通過利用Civil 3D路線類(Alignment)的相關方法獲得。

目標點(A)坐標通過Alignment類下的PointLocation函數形參傳出e、n的值(即是x,y坐標),同時通過Profile類下的GetElevationAt函數傳回該點高程值(即是z坐標),此時獲得完整的目標點坐標信息。同樣利用PointLocation函數,變化其中的Offset(偏移)變量值,獲得偏移路線以外的點(B)的x、y坐標,其z坐標按照水平處理,使用點(A)的z坐標作為點(B)的高程,由此獲得向量Vector_X。向量Vector_Y可利用Profile類下的GetFirstDerivative(初階導數,現實意義為縱斷面在某處的切線向量)獲得。最后利用向量叉乘(CrossProduct)函數求取向量Vector_Z[12],至此目標點的相關參數全部求解完畢,空間變換矩陣也隨之得到,實現元素的空間位置變換,如圖7所示。

圖7 “三維空間變換”示意圖

(3)放樣融合

利用空間變化矩陣,將擬放樣元素放置到目標位置上,此時需要明確起點放樣元素和終點放樣元素。當放樣元素較多時,如何讓起點放樣元素對應到正確的終點放樣元素,不至于出現放樣路徑交織的現象成為本節研究的重點。經過研究發現,Civil 3D環境如圖層能夠包含足夠豐富的信息,利用圖層來歸類、區別不同的放樣元素,讓起點放樣元素自動找尋自己對應的終點放樣元素,從而實現元素的正確放樣。

3 工程實例應用

以重慶市晏家隧道工程為例,工程位于重慶市江北區,雙線城市快速路隧道,全長4.46 km。項目地質情況復雜,設計襯砌類型11種,雙線不同的襯砌節段合計174個。若按常規方法對晏家隧道建模,前期需要制作11種部件(不同的襯砌復雜程度不同,需要的時間也不同,一般都需要1 h以上),中期需要設置174個“道路”節段(每個“道路”節段都需要設置起訖樁號、“裝配”以及其他相關參數),時間消耗大。不同于常規的Civil 3D建模,通過隧道襯砌類型信息的快速統計成表,程序直接讀取表格數據以劃分不同模型節段,代替重復創建174個“道路”,實現了創建道路過程化繁為簡,襯砌信息表格如表4所示。

表4 晏家隧道襯砌信息統計表(部分)

同時,摒棄傳統部件編輯器復雜的部件編輯工作,直接利用設計文件快速創建斷面輪廓文件,實現前期準備過程的效率提升。統計該工程正常建模和利用二次開發功能建模的時長,如圖9所示。

圖9 晏家隧道工程中常規操作與二次開發功能效率對比

4 結 語

本研究基于.NET API,在Civil 3D環境下開發了隧道工程快速三維化功能,用以提升隧道建模效率;經實踐,隧道建模效率在該二次開發功能輔助下得到顯著提升。但是目前只考慮了隧道工程的土建模型,隧道機電、隧道鋼結構等部分還未涉及,在后續研究中應當將機電和鋼結構等構造物建模納入考慮范圍內。

Civil 3D軟件不但本身能夠很好地支持土木工程行業,還提供了豐富的二次開發接口以供使用者更加深入、靈活地使用該軟件。隨著計算機技術的不斷發展,基于軟件的二次開發會變得愈發廣泛,從業人員能夠為交通行業BIM的應用提供更大的助力。