山地軌道交通隧道Geo-BIM建模方法與應用研究

韓瑀萱，鄧 科，李 想，譚碧舸，馬春馳，李天斌

(1.四川蜀道新制式軌道集團有限責任公司,成都 610041; 2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,成都 610059; 3.四川都金山地軌道交通有限責任公司,四川阿壩藏族羌族自治州 623006)

引言

隨著“智能建設”建造理念的興起和計算機圖形軟件的更新迭代,交通工程的設計、施工與管理也從傳統的二維平面時代逐步越升至三維可視化時代。于是,建筑信息建模(Building Information Modeling,BIM)技術[1]作為交通工程領域的新寵,逐步被引入到各項工程建設中,尤其是在隧道工程領域得到了越來越多的應用,目前已有不少研究成果[2]。由此可見,BIM建模技術對隧道工程的發展具有重大工程應用價值,值得進一步探索與研究。

一般而言,隧道工程屬于線性工程,分布范圍較廣且體量大,且主流BIM建模軟件缺少隧道建模的專屬板塊,這就導致建筑工程BIM建模技術并不適合隧道工程建模[3-4]。為此,不少學者做了大量研究,龐思雨等[5]利用Micro Station CONNECT Edition軟件提出一種參數設置和參數化單元驅動模型生成技術,但其普適性較低。同時,Micro Station軟件要求具有較高的行業專業性,通過二次開發提升BIM參數化建模性能的難度較大[6]。與其相比,Autodesk Revit軟件內置的Dynamo可視化建模插件,具有二次開發的優勢,可有效提高Revit 的參數化建模能力。車冠宇等[7]對Revit建模軟件內置插件Dynamo進行二次開發,建立隧道參數化模型構建體系,實現了對隧道實體部分的精準建模。朱永學等[8-9]采用Civil 3D與Revit相結合的方法實現隧道的參數化建模,其中Civil 3D用于提取隧道三維軸線坐標,從而解決空間三維曲面建模的難題。然而,Civil 3D提取隧道三維曲線的實現方式復雜且費時,嚴重降低建模的效率。傅霆[10]在進行隧道參數化建模研究中,利用Dynamo二次開發的節點,簡便快捷地實現了隧道三維曲線的提取。上述研究在隧道參數化建模方面已經做了大量研究,并取得較為豐富的成果。但是,均無法滿足“數字隧道”模型與數據之間、隧道模型與相應的地質模型之間實時交互的需求[11]。

為此,有學者提出BIM+GIS的概念[12-13],即隧道三維模型與地表模型相結合的理念。李雷烈等[14]總結了BIM+GIS技術的三維隧道建?；究蚣?主要通過衛星遙感、無人機傾斜攝影、激光雷達等作為GIS的主要采集手段。然而,這些方法都無法實現三維全方位可視化和實踐工程應用。另有學者提出一種更新的理念Geo-BIM技術(Geological-Building Information Modeling,Geo-BIM),即地表、地質及建筑信息化模型,可將三維地質體信息可視化模型和建筑信息模型結合起來,實現全方位可視化和信息完整性[15-16]。目前,均是通過Geobim 軟件來實現該功能[17-18],而現在國內Geo-BIM技術發展尚處于起步階段,缺乏實際工程應用。

綜上所述,目前對于山地軌道交通隧道工程的Geo-BIM高效建模研究還較少,且Geo-BIM技術尚處于發展起步階段,同時Geo-BIM模型之間的交互應用方式,全方位可視化和實踐工程應用鮮有研究。

因此,在前人研究的基礎上,對Geo-BIM建模方法與應用做了進一步研究。提出一種山地軌道交通隧道Geo-BIM建模方法,基于Dynamo對Revit進行二次開發,實現交通工程線路擬合、參數化建模及批量屬性定義與寫入完成隧道BIM模型,同時采用Earth Volumetric Studio軟件(以下簡稱“EVS”)完成隧道區域地質體表達,通過Cesium平臺最終將Web-GIS、隧道BIM與地質模型交互,并實現對施家山隧道Geo-BIM模型表達。推動Geo-BIM技術在復雜的山區交通建設項目應用。

1 軟件平臺分析

目前用于BIM建模的軟件主要有Autodesk平臺的Revit軟件、Bentley平臺的MicroStation軟件、Dassault平臺的Catia 軟件以及Nemetschek-Graphisoft平臺的Archi CAD軟件,各類軟件具有不同的特征,適用范圍也有所差異。

其中,MicroStation軟件的使用成本昂貴,由于其專業性較強,不同專業領域需要切換工具,數據參數存在分析差異,使用過程中也不夠穩定;Archi CAD 軟件與MicroStation軟件相似,具有較高的行業專業性,因此較難普及[19];Catia 軟件建模過程較為繁雜,需要參數控制每一個構件的尺寸、位置,其使用和學習成本也較高[20]。同時,以上3款軟件在二次開發時的難度也較大,模型數據與其他軟件不易交互。相比之下,Autodesk平臺的Revit軟件具有以下優點。

(1)Revit借助其內置插件Dynamo,通過可視化編程,開發的門檻更低,更容易被工程人員掌握[21],通過API創建功能模塊,Dynamo可以直接借助模塊編程,達到一勞永逸的效果。

(2)借與同平臺軟件AutoCAD的交互優勢,能直接且快速參考dwg格式的二維圖紙,并用于建模。

(3)學習和使用成本低,操作簡單、兼容性強,可與大多數軟件進行數據交互。

2 基于Revit+Dynamo的參數化建模

選取Autodesk Revit軟件作為建立BIM模型的基礎,同時采用其可視化編程插件Dynamo作為輔助工具。運用python編程語言對Dynamo部分節點進行二次開發,以實現隧道三維曲線的擬合與自動化組建BIM模型。

2.1 三維線路擬合

通常而言,隧道線路是一條處于空間中的曲線,根據不同斷面以平曲線和豎曲線來表示。因此,本節提出一種以交點法和線元法計算統計平曲線線路數據為基礎,結合最小二乘法對豎曲線數據進行插值的三維線路擬合方法。

其中,交點法是利用路線的交點要素和緩和曲線要素來求得坐標,從而實現平曲線線路的擬合。線元法是利用線路的起點坐標、起終點樁號、方位角等節點元素來計算出相應點的坐標,以此實現對直線、圓曲線、緩和曲線等3種基本線性元素復雜組合的平曲線擬合。

最小二乘法曲線擬合過程是測量計算坐標數據與擬合值的插值平方和達到最小為最佳擬合結果?；跍y量數據(xi,yi),i=0,1,2,…,m。采用最小二乘法解得x和y之間的函數關系f(x,A),使得測量數據中的值與函數所對應的值逼近,擬合模型函數f(x,A)中的A=(a0,a1,…,an)為擬合參數。通過實測坐標數據與擬合函數值匹配參數A,使得ek=yi-f(xi,A)的加權平方和值最小,計算公式如下

(1)

(2)

式中,取權重w(xi)≥0以此反映數據所占比重。此種方法建立函數曲線關系稱為最小二乘擬合曲線,三維線路擬合方法的具體實施步驟如下。

(1)根據隧道設計圖紙中的《平曲線要素表》,獲取相應的數據并判斷數據的類型。

(2)通過Excel表平曲線要素表中的數據,在Dynamo中調用相應的節點計算出平面坐標。

(3)隨后將設計圖紙的《豎曲線要素表》中的變坡點里程、高程及豎曲線半徑統計于Excel表,調用Dynamo中的節點,將豎曲線數據按照樁號插值對應平曲線中,即完成三維曲線的初步擬合。

(4)最后,通過Dynamo節點將線路的里程樁號載入步驟(3)得到的三維曲線中,完成隧道線路的最終擬合。

擬合后的線路可直接在Revit軟件中用于隧道BIM建模。同時,將文件保存為.DYN格式,在以后的三維線路擬合只需選擇創建數據源,修改起點和終點樁號即可再次創建。有效減少建模的步驟,提高了三維線路擬合的效率和精度。

2.2 隧道BIM參數化建模技術

一般而言,Revit族是一種參數化建模機制,由幾何元素、幾何約束和尺寸約束共同定義參數化輪廓。其核心是對模型的2D輪廓采用幾何約束和尺寸約束進行參數化定義,并通過拉伸、放樣及融合等幾何構造創建不同的三維模型。其中,幾何約束和幾何元素之間的位置有關,尺寸約束與幾何元素的位置和大小有關,尺寸約束可與族參數關聯,這些參數可定義為靜態值或以代數方程與其他參數關聯[22]。

以隧道二襯結構的輪廓為例,選其一半為分析對象,將各圓弧段半徑R、圓弧角度、圓心位置、構件坡度、縱坡角度、長度以及厚度等基本參數作為尺寸約束。建模時,將這些尺寸約束定義為族參數,并采用代數方程將各約束之間相互關聯。隨后,通過放樣建立襯砌結構的族模型,可對其更改相應的族參數改變模型長度、大小及角度,如圖1所示。

圖1 參數化建模步驟

2.3 參數化自動組建BIM模型

參數化構建族模型只能通過修改幾何參數以達到快速創建多種不同尺寸、形態族構件的目的。想要實現參數化建模減輕建模工作量,關鍵在于實現參數化構建族的自動拼接。

基于前述擬合隧道三維線路的方法,對Dynamo節點包進行二次開發,實現構建族在三維線路上的自動拼接,其主要實施步驟如下。

(1)將建立好的參數化構件族載入BIM建模項目中,根據項目資料統計各構件的類型及基本參數后,調整構件族參數生成不同類型的構建族,并將族文件統一命名格式。

(2)根據設計資料,采用Excel表格統計各構件族的樁號參數、基本參數及構件族類型。

(3)采用編制好的Dynamo文件讀取Excel表格數據庫,通過樁號與族文件對應關系函數調用寫入屬性內容的族模型,實現構件形狀、角度的調整,按照線路和樁號數據放置、組建成一個完整的隧道。

下文將在應用實例中,詳細展示上述實施步驟。

3 地質體建模

采用可視化地質建模軟件EVS(Earth Volumetric Studio,EVS)對隧道的地質體進行三維建模。EVS是基于鉆孔數據驅動和多種空間插值算法,點選、拖曳建模功能模塊,以流程線連接建成三維地質體模型。EVS建成的三維地質模型既能表達地質對象的拓撲結構、幾何結構還具備多種源數據的屬性寫入、共享功能。

3.1 地層建模

對EVS件綜合考量后,本節采用基于克里金插值法的地層層序法來實現三維地質體的建模。地層層序法適用于地層層序劃分清晰明確、鉆孔數據分布均勻、數據量較多的情況。根據鉆孔層序和地層分界位置創建出平滑界面地層,通過克里金插值法填充未探明區域。EVS軟件中提供的地層建模功能主要由krig_3d_geology和3d_geology_map兩個模塊實現,其中krig_3d_geology模塊主要負責將離散的點數據利用克里金插值法來建立地層層面模型?？死锝鸩逯捣ㄕJ定地質空間有不規律連續變化的特性,因此,采用EVS中的krig_3d_geology模塊來實現地層的建模[23]。

如圖2所示,地層模型的具體建立步驟如下。

圖2 地層建模流程

(1)首先通過插值法建立地層層面的網格模型,待估點位于自定義的X、Y平面上二維網格中的網格節點上。

(2)通過克里金插值法計算出不同層面在網格節點處的高程值,處理鉆孔數據并劃分地層層序。

(3)將劃分后的地層層序數據傳入至3d_geology_map模塊,根據自定義的Z方向精度由輸入的地質界面來生成實體地層。

(4)最后將數據傳至下游模塊以實現地層模型的三維展示、剖切、空間分析。

3.2 巖性建模

巖性建模適用于鉆孔地層分布復雜,巖性交錯出現無法清晰劃分地層的情況。巖性建模無需建模人員對鉆孔數據進行識別分層,采用原始鉆孔數據驅動建模。根據鉆孔中巖性分布以地質統計學的原理推算出地質體中含有巖性的分布概率,從而建成三維地質體模型。

巖性建模主要是由indicator_geology模塊實現,該模塊提供了2種插值方法,一是基于最近鄰插值法的快速建模功能,二是基于指示克里金插值法的嚴格概率方法的巖性建模。本節采用指示克里金插值法來實現巖性建模,巖性建模的具體建立步驟如下(圖3)。

圖3 巖性建模流程

(1)向EVS中導入鉆孔數據。

(2)根據地表DEM規定插值的范圍。

(3)建立需要分析區域的三維實體網格。

(4)利用指示克里金法計算不同巖性在每個網格所代表的空間區域中出現的概率,并將出現概率最高的巖性賦予網格。

通過以上兩種基本建模方法均能實現對山區三維地質體的建模,從而表達山區地表以下的地質情況,對隧道BIM模型周邊圍巖進行全方位展示并傳遞數據和信息。

4 應用實例

4.1 工程概況

本文將前述研究內容應用于都江堰至四姑娘山山地軌道交通工程的施家山隧道,項目位于成都市都江堰市龍池鎮虹口鄉。本隧道按照最高行車速度120 km/h電氣化(接觸軌供電)山地軌道交通雙線隧道設計。起止里程為DK11+045～DK15+528,隧道全長4 483 m,為單洞雙線隧道,施家山隧道全線線路位置如圖4所示。全線隧道圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主,其中,Ⅳ級圍巖占比31.85%,Ⅴ級圍巖占比68.15%,隧道內襯砌設計采用Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa、Ⅴb和Vc 5種類型。

圖4 都四線全線線路及施家山隧道位置示意

4.2 施家山隧道BIM建模

4.2.1 隧道線路擬合

根據設計文件,采用交點法擬合隧道樁號范圍內的平曲線,數據見表1。同時,在設計文件的豎曲線表格中獲取隧道樁號范圍內的變坡點里程、變坡點高程、豎曲線圓弧半徑等數據,見表2。用最小二乘法插值平曲線擬合出真實的施家山隧道三維線路,并設置樁號屬性。

表1 施家山隧道平曲線數據

表2 施家山隧道豎曲線數據

采用前文所述三維線路擬合方法,將Excel數據表格直接導入編寫好的Dynamo文件中,修改平曲線中交點起止樁號即可自動生成施家山三維線路,如圖5所示。

4.2.2 建立隧道構件族及屬性定義

施家山隧道主要有Ⅳ級和Ⅴ級兩種圍巖,復合式襯砌結構的類型有5種,若對每種類型單獨建模,勢必增大時間和費用成本;而參數化模型可重復使用,顯著提高建模效率,因此使用參數化建模十分必要。本文主要針對施家山隧道的初期支護、錨桿、鋼拱架以及二次襯砌等構件進行參數化建模,而對于隧道中其他無變化模型采用手動拾取靜態輪廓的方式建模。

施家山隧道的二次襯砌內、外輪廓主要由五心圓畫弧相切組成,采用BIM參數化建模技術將內外輪廓各圓弧的半徑、構件坡度、縱坡角度及構件長度作為主要調節參數,以此實現調節不同參數驅動生成不同的構件族,如圖6所示。

圖6 施家山隧道二襯參數化建族

對于初期支護、錨桿、鋼拱架等構件,按照同樣的方式,分別設置對應的主要調節參數,見圖7～圖9。

圖7 施家山隧道初期支護參數化建族

圖8 施家山隧道錨桿參數化建族

圖9 施家山隧道鋼拱架參數化建模

隧道內側溝、排水溝、軌道、軌枕、道砟等內部常規構筑物并無尺寸及結構變化,附屬結構無明顯的幾何參數特征,不具備通用性和二次利用價值。故采用手動拾取靜態輪廓的方式,將上述構筑物作為整體建立族構件,通過圖紙直接放樣即可完成,如圖10所示。同樣地,采用BIM參數化建模技術,將施家山隧道BIM模型族構件通過Dynamo編程進行快速、批量的定義每一個構件族屬性,實現過程和結果如圖11所示。

圖10 施家山隧道靜態輪廓族

圖11 批量定義隧道BIM族屬性

4.2.3 參數化組建隧道模型

根據施家山隧道施工設計圖,采用Excel表格作為數據庫,統計隧道各類型構件族所對應的里程樁號、基本參數以及屬性資料等信息。同時,更新參數化構件族的信息,同樣是需要建立相應的Excel數據庫。

以施家山隧道全線初期支護結構的創建為例,詳述整個建模的流程。施家山隧道總共4 483 m,沿線襯砌類型變化26次且各段襯砌長度不一,在Excel表中控制參數化族放樣的長度設置為1 m,即將4 483個初期支護按照線路走向和樁號在程序中完成組裝。利用Dynamo與Excel可進行交互的優勢,通過Dynamo節點模塊將Excel表格中所有統計的數據寫入并按照構件屬性類型進行分類陣列,如圖12所示。

圖12 參數化組建構件族

通過樁號與族文件對應關系函數,調用寫入屬性內容的族模型,實現構件形狀、角度調整,按照線路和樁號數據放置,從而完成隧道三維模型創建和屬性寫入,最終得到施家山隧道BIM模型,見圖13、圖14,并將模型輸出為IFC格式。

圖13 施家山隧道BIM模型

圖14 隧道BIM部分支護構件及屬性展示

4.3 施家山隧道地質體建模

首先,利用Infraworks軟件鏈接Open street Map地圖,以施家山隧道經緯坐標為參考下載該地區數字地表模型、地面圖像、區域內矢量路網水域及城鎮規劃,并完成地表模型插值重構,地表模型見圖15。

圖15 施家山隧道地表模型

結合地層建模方法,在施家山隧道項目中,通過實地勘測鉆孔獲取鉆孔數據,人為劃分地層層序,并結合施家山隧道縱剖面圖,在EVS軟件中進行三維地質體建模,如圖16所示。

圖16 施家山三維地質體模型

4.4 施家山隧道Geo-BIM模型展示及應用

以團隊自主研發的“隧道工程多元信息集成與三維可視化子系統”為基礎,實現施家山隧道的Geo-BIM模型展示及應用。

該系統是基于Cesium框架實現隧道BIM模型、地質模型與Web-GIS的集成,并針對隧道工程研究虛擬場景與地下空間瀏覽等功能,構建起隧道工程基礎的可視化平臺。該平臺可全方位展示隧道結構、隧道建設區域地表和隧道穿越區域的地下情況。

將施家山隧道BIM模型、三維地表模型以及地質體模型,通過Cesium軟件轉換并導入至平臺,交互形成Geo-BIM模型。施家山隧道Geo-BIM模型在Web平臺中可視化展示,如圖17所示。

圖17 施家山隧道Geo-BIM整體模型

在系統中可對施家山隧道Geo-BIM模型實施的應用功能如下。

(1)在Cesium平臺中導入工程所在地的交通工點KML矢量線路,在地表模型中可通過漫游的方式查閱工點線路穿越區域的地表情況,立體呈現工點周圍的自然環境和人文環境,如圖18所示。

圖18 施家山隧道區域地表模型

(2)可直接點選隧道模型中每一個構件,通過右側窗口以圖、文形式展示該結構、構件的相關屬性,以剖切方式查看隧道內部和隱蔽工程,能夠全面、直觀地查看隧道,如圖19所示。

圖19 施家山隧道族模型及屬性

(3)可直接反映區域內地質結構、隧道內圍巖及掌子面信息,達到透視“地下”的效果。輔助隧道設計、施工和信息管理,如圖20所示。

圖20 施家山隧道工點地質體及屬性

綜合而言,Geo-BIM模型可以實現隧道、地表及隧道穿越區域可視化,借助云端實現自身屬性表達和非幾何信息共享,對隧道工程做到全壽命周期信息管理。

5 結論

基于Revit內置Dynamo插件二次開發可有效解決目前隧道BIM建模中的問題,結合EVS軟件可真實反映出隧道建設的真實環境狀況,在隧道工程管理與建設中具有較高的應用價值,主要體現在以下幾方面。

(1)基于Revit內置Dynamo插件二次開發的參數化建模方法,建立隧道BIM建模的標準流程,有效解決線路偏差大、構件復雜繁多和屬性添加效率低等問題。

(2)建立基于EVS軟件地層建模和巖性建模的實現方法和標準流程,實現山地軌道交通隧道地質體的可視化。

(3)基于Cesium框架為基礎,實現了施家山隧道的BIM模型、地質模型與Web-GIS的集成,實現三維可視化模型與數據信息之間交互式展示,取得良好的應用效果,可為類似工程開展BIM應用研究提供借鑒和參考。

致謝：

特別感謝蜀道投資集團有限責任公司對本文研究項目的支持,所提供的都四線軌道交通工程項目資料,促成本文研究成果的實際應用。