基于Revit的盾构通用管片参数化建模及排版过程研究

张红薇

(中国铁路设计集团有限公司 天津 300142)

1 引言

盾构法施工作为隧道建设中的重要施工方法，具有自动化程度高、不影响地面交通、噪声小等诸多优势[1]，在城市地铁区间隧道中被广泛应用。目前国内地铁盾构隧道衬砌管片形式主要有普通环形式和通用环形式，由于生产施工简便、施工动态调整方便、有利于隧道轴线质量控制等优点，通用型盾构管片被越来越多地运用于城市轨道交通地下工程建设中。

随着BIM技术的快速发展，建筑信息模型的概念逐渐深入人心，中国很多城市及地区已经开展BIM三维建模设计，但绝大多数模型只是在二维图纸的基础上为了进行三维展示做的翻模，没有真正参与到设计流程中，也无法从根本上解决盾构区间里程较长，管片数量众多[2]，工作量大、工序复杂等问题。

针对上述现象，李永明等[3]提出了基于CATIA软件的楔形盾构隧道管片参数化建模方法，但其可更改参数仅包括管片外径、厚度、幅宽和楔形量等最基本的参数，只实现了部分参数化建模，针对螺栓孔数量以及各类防水结构形式的参数化所需运算量较大.还需要通过建立众多不同模板来实现。刘曹宇等[4]提出使用Revit软件自适应公制常规模型族样板建立自适应管片族。其原理是根据构件的所有端点，参数化自动生成实体构件，过程是先进行区间盾构管片排版，再连接其12个端点生成管片模型。这样本末倒置，为了拟合线路和排版而生成的管片大多异形，与真实加工出的管片出入较大，且排版并非真实的最优排版，在指导施工中困难重重。陈桂香等[5]提出利用Revit的公制体量族创建参数化盾构管片，对管片环内径、外径、管片厚度、圆心角以及各孔洞尺寸等变量参数进行参数化处理，但其缺少针对结构最为复杂的封顶块及邻接块的参数化建模过程的探讨，针对如何实现手孔排布的变化也并未详尽说明。

可见尽管有一些学者对通用型管片的参数化设计进行了探讨，从一定程度上提高了部分设计效率，但其精度和深度不够。本文借助Autodesk Revit(以下简称Revit)这个BIM平台下最具代表性的设计软件之一，利用其参数化、构件关联性、参数驱动形体设计和协作设计[6]的特征，以我国城市地铁区间使用较多的6块分块，分别为一个封顶块(K块)、两个邻接块(L1、L2)、三个标准块(B1、B2、B3)的通用型管片作为研究对象，探讨始于方案设计，持续到施工图完成，贯穿项目整个生命周期的盾构管片参数化设计及区间排版方法。

2 基于Revit的管片参数化设计

2.1 管片分块参数化建模方法及步骤

盾构区间隧道结构主体是由双面楔形的通用管片错缝拼装而成，利用Revit中的公制常规模型族文件对管片进行建模，创建实心拉伸，其中用到的参数为环宽，管片内、外半径。创建参照平面，利用公式定义α角来对楔形量进行参数化表达，创建空心实体对管环进行剪切，得到可任意调节楔形量Δ、管片内、外半径及环宽的参数化管环。

接着对管环进行分块，设置标准块B1圆心角、邻接块L1圆心角两个参数。由于 B1、B2、B3块相同，L1、L2块相同，故所有管片分块的圆心角均可通过公式得到，实现参数化。此原理不仅适用于6块分块，若管环半径增大，增加分块数量，因封顶块只有1块，邻接块分布在封顶块的两侧，有两块。因此，分块数量的不同，实际是指标准块的数量不同，由于标准块的圆心角均相同，故只需定义一个标准块和一个邻接块的圆心角即可通过公式得到所有分块的角度，修改这两个参数便可满足多种管片分块形式。标准块的形状规则，只需利用空心拉伸对管环进行剪切即可得到。

考虑到施工中管片的拼装，封顶块沿隧道轴线方向上设计成楔形，通常情况下还会将封顶块与邻接块的交界面沿管片环向中心轴旋转一个很小的角度以减小外弧的长度，增加内弧的长度，便于施工。因此多设置两个参数，分别为楔形角和K块的旋转角度，因其结构复杂，要得到两个邻接块和K块需要采用空心放样融合创建空心实体对管环进行多次剪切才能得到。这里引入一个重要的概念，即Revit的轮廓族。轮廓族是二维平面族，是在Revit中比较简单的一个族，同时也是非常重要的一个族，可以在轮廓族中绘制复杂的结构轮廓及定义诸多参数等，然后便可化繁为简，在三维族文件中完成放样融合路径绘制后，选择放样融合轮廓，点击载入轮廓，分别将绘制的两个轮廓族载入，并将轮廓族的参数与管片族进行关联，完成空心放样融合实体的创建。邻接块L1可通过四个轮廓族，两个空心放样融合体对管环进行剪切得到。

同理，以此得到K块和邻接块L2，实现对管环的参数化分块建模。输入的参数不同，轮廓族随之联动，得到不同的管片分块。管片建模参数见图1。

图1 管片建模参数

2.2 手孔及螺栓连接参数化建模方法及步骤

管片上游手孔、螺栓孔、剪力销孔、注浆孔等需要准确表达[7]。以最难实现的螺栓手孔为例进行详细论述:新建一个公制常规模型族文件，对管片螺栓手孔及螺栓孔进行建模，其中的难点是管片纵缝处的手孔及螺栓孔建模，不同地区不同工程的管片手孔位置、底面半径、手孔扩散角及螺栓孔直径，扩大端高度等均不同，将这些变量设置为参数，如图2所示。

图2 螺栓手孔建模参数

螺栓手孔及螺栓孔参数化过程为:

(1)绘制螺栓孔轴线，圆弧半径定义为参数R，约束圆弧端点与管环圆心距离为L2。

(2)绘制参照平面和参照线，定义角度α大，使管环内轮廓与螺栓孔轴线发生联动，用圆心角α大表示手孔与接缝中面的距离L3，修改参数L3的数值，角度α大随之变化，与手孔圆柱段相接位置发生改变。手孔圆柱段长度为L4。要实现多个参数共同变化且模型不发生错误，需要充分利用Revit中的锁定关系，恰到好处地将点、线、面进行锁定，避免过约束现象产生。

(3)定义h1，建立半径R与手孔扩散角α2的关系。利用如图3所示的两个轮廓生成的实体进行剪切，该方式能够实现对参数化手孔的创建。再将手孔设置为空心实体对管片进行剪切。

(4)定义螺栓孔直径D1、梯形扩大处底边直径D2、梯形扩大处的梯形高度L5等参数，通过空心放样和空心放样融合创建实体，如图3所示。将放样路径与螺栓所在圆进行锁定，改变管片内半径数值，螺栓孔及手孔位置均随之联动。环缝螺栓手孔的创建方法与纵缝相同。

图3 螺栓手孔空心放样轮廓及手孔实体

(5)将族参数改为加载时剪切的空心，由于Revit不支持两个族之间进行剪切，故创建一个项目文件，按照同一个原点放置，将管片分块与螺栓手孔的可载入族分别载入到项目中，按照管片分块角度对手孔进行排布，并用管片剪切螺栓手孔，创建一个轮廓为圆的空心拉伸，半径定义为参数管片内半径，剪切掉手孔圆柱段凸出管环的部分。

2.3 管片接缝参数化建模步骤

新建一个公制常规模型族文件，通过放样创建空心实体，采用轮廓族创建放样轮廓，将空心实体载入到项目文件中，对管环进行剪切，得到模型如图4所示。创建全局参数，将三个族文件的参数与全局参数创建关联，只需要在项目中修改全局参数即实现对所有参数的驱动，模型也随之改变。

图4 参数化管片模型

3 通用环管片排版算法及流程

将理论盾构隧道中心线分割成多段线导入到Revit，按照里程顺序存储多段线各节点坐标，定义向量旋转函数:X′＝F(X，R，θ)，单位向量X{x，y，z}绕单位向量R{a，b，c}旋转θ角后，得到单位向量X′{x′，y′，z′}[8]。

定义参量:管片环宽为L，楔形量为δ，纵向螺栓数量为n，楔形角α＝δ/D，管片单位转角β＝2π/n[9]，如图5所示。

图5 管片拼装姿态几何分析

每一环管片小里程方向的面为后面，大里程方向的面为前面，前后两面法向量方向均为指向线路大里程方向。与下一环相交的面为前一环插入点后面圆心，向量为该环后面法向量和切向量。管片从线路起点开始拼装，输入第一环后面的圆心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}，即输入第一环插入点坐标及位置向量。

第i环后面圆心坐标为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}，与本环前面圆心、面法向量、面切向量公式为:

第i环的插入点坐标及位置向量，为已拼装好的i－1环前面的圆心及位置向量。此位置为第i环旋转起始位置。

第i环从插入起始位置开始，分别绕ωi－1前旋转β、2β、4β、5β、8β、12β、14β、15β，分别计算各角度前面圆心坐标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}公式为:

旋转各角度k块位于管片下方90°时无法施工，μi前与X轴夹角 －67.5°～22.5°时K块位于管片下方90°，因此应删除该范围内的点[10]。

第i环在转动各角度后，后面圆心Oi前{xi前，yi前，zi前}到理论隧道中心线最短距离的旋转角度即为第i环管片的拼装角度。判断方法为:理论隧道中心线节点按里程顺序编号储存坐标，第j点坐标为{xj，yj，zj}，第j＋ 1 点坐标为{xj＋1，yj＋1，zj＋1}，线段Lj，j＋1向量为{xj＋1－xj，yj＋1－yj，zj＋1－zj}，过点j和j＋1的法平面方程分别为:

将圆心Oi前{xi前，yi前，zi前}代入两平面方程，计算乘积:[(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则循环判断后续点，到其值小于等于 0 为止。 计算圆心Oi前到线段Lj，j＋1的距离，并记录此时节点序数j＋1，拼装第i＋1环时判断圆心与理论隧道中心线距离时，从j＋1节点开始判断。拼装管片循环终止条件是所记录的节点序数j与中心线终点节点序数小于环宽L/节点间距。每拼接一环管片均进行以上循环，直至整个盾构区间生成。

4 结合Revit二次开发生成盾构区间

结合Revit现有的API接口，编写程序，利用External Application外部应用[11]，在点击生成区间按钮后，自动弹出管片参数、手孔参数等对话框，如图6所示。设计者在输入数值后系统自动调用指定文件夹中的管片项目文件，根据所输参数创建管片，并执行上述算法对管片进行排版，快速生成整个盾构区间。

图6 Revit管片建模参数输入界面

5 结束语

运用Revit对隧道盾构管片中的变量进行参数化处理，使设计者只需简单更改标准盾构管片模型的参数即可自动生成所需的盾构管片。本文详细阐述了管片参数化建模及排版过程，通过输入参数迅速得到的管片模型达到了设计及施工的深度和精度，通过修改族参数引起模型作出相应的联动修改，极大提高工作效率[12]，同时提高了管片信息的准确性，减少设计阶段由于管片尺寸变更引起的重复性劳动，通过代码实现盾构区间快速生成，对于指导施工具有重要意义。