基于建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的構(gòu)件族庫開發(fā)
——以幕墻族為例

(福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建 福州 350118)

族(family)是Autodesk Revit軟件(以下簡(jiǎn)稱Revit)中包含通用屬性參數(shù)集和相關(guān)圖形表示的圖元組合[1]。作為其中最主要的組成部分，構(gòu)件族是Revit用以搭建BIM模型的基礎(chǔ)元素。近年來，隨著建筑學(xué)設(shè)計(jì)類課程越來越廣泛而深入地應(yīng)用建筑信息模型技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱BIM)，構(gòu)件族資源不足成為具有代表性的新教學(xué)問題之一。

建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用BIM主要采用從方案設(shè)計(jì)到成果交付的全流程均在BIM三維環(huán)境下完成的正向設(shè)計(jì)模式。由于設(shè)計(jì)過程不確定性大，各個(gè)階段面對(duì)的設(shè)計(jì)需求復(fù)雜多變，修改變更次數(shù)多，因此對(duì)構(gòu)件族在數(shù)量和質(zhì)量上都提出了更高的要求。然而，現(xiàn)有族庫資源無法滿足設(shè)計(jì)需求，學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力制作自定義構(gòu)件族，這大大影響了建模效率和設(shè)計(jì)進(jìn)度；又由于學(xué)生工程知識(shí)儲(chǔ)備和對(duì)BIM技術(shù)理解的不足，他們只關(guān)注模型外觀的建模而忽略了其構(gòu)造關(guān)系和屬性信息的完善，模型“徒有其表”，低質(zhì)量、重復(fù)性建?，F(xiàn)象嚴(yán)重，課程訓(xùn)練的目的無法達(dá)到，對(duì)BIM的理解和應(yīng)用停留在較淺層次。所以，基于這些因素，開發(fā)適合建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的構(gòu)件族庫已迫在眉睫。

1 研究現(xiàn)狀

事實(shí)上，族庫開發(fā)一直是建筑行業(yè)BIM應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)之一，但由于相關(guān)國家級(jí)規(guī)范的缺位，盡管開發(fā)主體眾多，教學(xué)中可以借鑒或利用的資源卻十分有限。目前的族庫資源以Revit自帶族庫和第三方商業(yè)族庫的免費(fèi)部分(以族庫大師、構(gòu)件塢、鴻業(yè)族庫等為代表)為主，存在著標(biāo)準(zhǔn)混亂、種類不全、檢索不便、屬性信息不完善等問題。理論研究則主要集中在標(biāo)準(zhǔn)制定、管理工具開發(fā)、具體工程構(gòu)件族建模技術(shù)等方面。任偉等[2]概要性地論述了基本功能、族分類、族命名、族類別定義等勘察設(shè)計(jì)行業(yè)族庫建設(shè)的基本思路，許志堅(jiān)等[3]探討了基于正向設(shè)計(jì)需求的族庫管理工具的開發(fā)要點(diǎn)，陳蕾[4]研究了基于我國標(biāo)準(zhǔn)的族開發(fā)需要添加的部分參數(shù)類型和建模要求。孫小鵬[5]、D.Y.Li[6]等分別提出了基于類型學(xué)方法的中國傳統(tǒng)建筑構(gòu)件的分類和族構(gòu)件建模方法，王鵬[7]、J.Lee[8]等研究了復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀構(gòu)件的參數(shù)化建模方法。James D. Goedert等[9]研究了族屬性參數(shù)整合施工階段信息的步驟和方法。以上研究為基于行業(yè)需求的族庫開發(fā)積累了一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，但基于建筑設(shè)計(jì)教學(xué)特點(diǎn)和需求的族庫開發(fā)思路和建模方法的研究基本空白。因此，本文將從建筑設(shè)計(jì)教學(xué)角度，提出族庫的開發(fā)思路和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并以幕墻族為例闡述具體開發(fā)中的建模方法和技術(shù)性細(xì)節(jié)。

2 基于建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的構(gòu)件族庫開發(fā)

2.1 開發(fā)思路

基于建筑設(shè)計(jì)教學(xué)兼具正向設(shè)計(jì)和教學(xué)展示需求的特點(diǎn)，構(gòu)件族庫開發(fā)思路如下：

1.類型完整性。族庫應(yīng)能涵蓋建筑設(shè)計(jì)涉及的主要構(gòu)件類型，尤其是設(shè)計(jì)教學(xué)中需求量較大的、與方案設(shè)計(jì)和造型相關(guān)的構(gòu)件的種類和數(shù)量應(yīng)相對(duì)齊全，在設(shè)計(jì)中經(jīng)過簡(jiǎn)單參數(shù)設(shè)置后即可調(diào)用，從而提高建模效率，降低軟件使用門檻，讓學(xué)生將更多的精力用于解決設(shè)計(jì)問題。

2.使用便捷性。首先，族的分類和命名方式應(yīng)簡(jiǎn)潔明了并有一定的規(guī)律，能簡(jiǎn)明描述構(gòu)件主要特征，便于快速檢索與查看；其次，族在族樣板選擇、類型劃分、參數(shù)設(shè)置等方面應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)和建模習(xí)慣，并將常用類型預(yù)設(shè)在族中，方便族載入項(xiàng)目后直接調(diào)用，減少操作步驟；第三，復(fù)雜構(gòu)件應(yīng)由若干標(biāo)準(zhǔn)化的零部件嵌套組成，通過排列組合、參數(shù)約束滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求；第四，族的三維與二維表達(dá)應(yīng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保圖模一致，減少二次加工。

3.模型重用率。模型完成后應(yīng)能直接用于出圖、算量、性能分析等多種BIM應(yīng)用場(chǎng)景，避免重復(fù)建模。所以族三維模型和二維圖示的幾何信息應(yīng)圖模一致且符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，非幾何信息的種類和內(nèi)容設(shè)置應(yīng)綜合考慮多個(gè)專業(yè)的應(yīng)用需求。

4.過程集成性。建筑設(shè)計(jì)涉及的構(gòu)件種類龐雜且處在不斷的演變中，不可能通過一次開發(fā)一次性完成，因此族庫建設(shè)必然是一個(gè)不斷集成、完善的過程：首先，集成現(xiàn)有族庫資源，根據(jù)制定的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)完善命名方式和屬性參數(shù)，并擬定待開發(fā)內(nèi)容清單，重點(diǎn)補(bǔ)充缺漏的構(gòu)件類型，形成涵蓋常用建筑構(gòu)件及其基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)構(gòu)件庫，再根據(jù)具體的應(yīng)用需求逐步完善屬性信息或補(bǔ)充新的構(gòu)件類型。

具體流程詳見圖1。

2.2 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 組織架構(gòu)

一般意義上的構(gòu)件族是通過rfa文件格式存儲(chǔ)幾何和非幾何屬性的可載入族。但對(duì)建筑專業(yè)而言，某些重要且經(jīng)常調(diào)用的屬性信息(如材質(zhì)、各部位裝修的工程做法等)無法在rfa文件中體現(xiàn)，不做統(tǒng)一規(guī)劃將極大地影響建模效率和質(zhì)量。因此，族庫開發(fā)內(nèi)容在主體的構(gòu)件族庫基礎(chǔ)上還應(yīng)包含工程做法庫和材質(zhì)庫兩個(gè)部分，并存儲(chǔ)在項(xiàng)目樣板中，方便設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。前者通過設(shè)置墻、板、天花、屋面等系統(tǒng)族的結(jié)構(gòu)參數(shù)表達(dá)內(nèi)外裝修做法的構(gòu)造層次，后者則從材質(zhì)命名、圖示表達(dá)、物理參數(shù)設(shè)置三個(gè)方面進(jìn)行梳理，用以支撐構(gòu)件族和工程做法中材質(zhì)信息的標(biāo)準(zhǔn)化。

在具體分類上，設(shè)計(jì)中常用的建筑構(gòu)件主要包括建筑專業(yè)的門、窗、幕墻、欄桿、建筑柱、家具、衛(wèi)浴裝置、專用設(shè)備、場(chǎng)地設(shè)施等9大類，結(jié)構(gòu)專業(yè)的柱、梁2大類，以及兩個(gè)專業(yè)可共用的輪廓族。各大類下的子類別按照不同幾何屬性細(xì)分，如門類別下的平開門、推拉門、旋轉(zhuǎn)門、卷簾門等，個(gè)別類別(如防火門)則按照設(shè)計(jì)習(xí)慣單獨(dú)列出。工程做法庫按建筑內(nèi)外裝修部位分為墻面、樓地面、頂棚、屋面、室外場(chǎng)地和道路6大類，再按照《工程做法》(2008年建筑結(jié)構(gòu)合訂本)、《室外工程》(12J003)、《平屋面建筑構(gòu)造》(12J201)等標(biāo)準(zhǔn)圖集中的做法分類細(xì)分。材質(zhì)則根據(jù)材質(zhì)類型(如鋼筋混凝土、鋼、木等)和功能部位(如保溫材料、防水材料等)進(jìn)行分類。具體分類見表1。

圖1 族庫開發(fā)流程Fig.1 Development process of the family library

大類子類重點(diǎn)開發(fā)內(nèi)容構(gòu)件門平開門、推拉門、旋轉(zhuǎn)門、折疊門、地彈門、門聯(lián)窗、防火門、卷簾門、裝飾門、門洞、門構(gòu)件門聯(lián)窗窗固定窗、平開窗、推拉窗、組合窗、百葉窗、懸窗、凸窗、天窗、防火窗、裝飾窗、窗洞、天窗、弧形窗幕墻嵌板(普通、門窗)、構(gòu)件除玻璃幕墻外的其他類型嵌板欄桿嵌板、欄桿欄板、支座欄板建筑柱中式、西式家具床、桌、椅、柜、其他衛(wèi)浴裝置常規(guī)衛(wèi)浴、無障礙衛(wèi)浴、衛(wèi)浴附件專用設(shè)備設(shè)施電梯、扶梯、鋼梯、排水溝、集水坑、指示標(biāo)記、電器、其他排水溝、集水坑場(chǎng)地設(shè)施臺(tái)階、坡道、排水溝、散水、市政、停車、體育、配景、其他臺(tái)階、坡道、散水、配景柱鋼筋混凝土、鋼、木梁鋼筋混凝土、鋼、木、輪廓墻(分隔條、裝飾條)、踢腳、屋面(檐溝、封檐板、壓頂)、欄桿扶手、樓板(邊緣、壓型鋼板)、樓梯(前緣、踏板)、幕墻(豎梃、構(gòu)件)、其他欄桿扶手、幕墻輪廓工程做法內(nèi)(外)墻面基墻、清水墻、抹灰、涂料、面磚、石材、裝飾板、壁紙、吸聲樓地面基板、水泥混凝土、水磨石、地磚、橡膠、石材、涂層、木、防靜電、室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、地下室底板、其他頂棚抹灰刮膩?zhàn)?、涂料、吸聲、纖維板、金屬屋面平屋面(卷材涂膜防水、倒置式、種植、蓄水、架空)坡屋面(塊瓦、瀝青瓦、波形瓦)室外場(chǎng)地灰土、沙土、粘土細(xì)砂、爐渣、塑膠、人造草坪、天然草坪道路瀝青、混凝土、花崗巖、燒結(jié)磚、透水磚、花磚、橡膠規(guī)范命名方式、構(gòu)造層次、材質(zhì)及其厚度

續(xù)表1

2.2.2 命名規(guī)則

構(gòu)件的命名主要依據(jù)相關(guān)規(guī)范、國標(biāo)圖集中的制圖深度要求，此方面已有較為成熟的研究成果[10]，在此不再贅述。工程做法的命名以上述標(biāo)準(zhǔn)圖集中的命名方式為基礎(chǔ)，按照“做法編號(hào)(或部位)-做法內(nèi)容-性狀特征”的格式命名，如地6A-彩色混凝土面層-110。材質(zhì)按照“類別-性狀”格式命名，如鋼筋混凝土-C30、乳膠漆-白色。族、嵌套族中的材質(zhì)參數(shù)的命名方式，應(yīng)與項(xiàng)目樣板中的材質(zhì)庫保持一致，才能在載入項(xiàng)目后正常顯示相關(guān)性狀。

2.2.3 模型細(xì)度

當(dāng)前的模型細(xì)度(LOD，level of development)規(guī)范強(qiáng)調(diào)適度原則，即模型只包含會(huì)被實(shí)際應(yīng)用的BIM信息，并在此基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化模型，提高模型運(yùn)行性能。在建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中，課程設(shè)計(jì)的深度要求以方案設(shè)計(jì)為主，畢業(yè)設(shè)計(jì)等部分達(dá)到施工圖深度的設(shè)計(jì)除建筑學(xué)專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)內(nèi)容外，主要涉及需與其他專業(yè)協(xié)同的負(fù)荷計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、工程算量等內(nèi)容。因此本次開發(fā)的總體模型細(xì)度定為L(zhǎng)OD300，但局部細(xì)節(jié)可根據(jù)實(shí)際需求酌情增減。具體而言，重點(diǎn)表達(dá)形狀、尺寸和位置等三維幾何信息，在精細(xì)顯示模式下還應(yīng)表達(dá)必要的內(nèi)部組成及其構(gòu)造關(guān)系，部分構(gòu)造細(xì)節(jié)(如安裝螺栓、滴水等)可酌情忽略或用二維圖示表達(dá)。構(gòu)件的二維視圖不能只是三維構(gòu)件的簡(jiǎn)單投影，應(yīng)根據(jù)《建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定》和《房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，對(duì)不同顯示精度的圖示重新繪制。非幾何信息主要包括表達(dá)構(gòu)件建筑功能的基本參數(shù)(如材料和材質(zhì)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、型號(hào)、防火等級(jí)等)和滿足各種應(yīng)用需求的擴(kuò)展參數(shù)(如結(jié)構(gòu)計(jì)算所需的密度、抗壓、抗拉、抗剪、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，節(jié)能計(jì)算所需的導(dǎo)熱系數(shù)、遮陽系數(shù)等物理參數(shù))。有標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)或構(gòu)造做法的還應(yīng)錄入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或圖集編號(hào)及頁碼，方便查詢驗(yàn)證。

2.3 建模方法——以幕墻族為例

幕墻是工程中常用的外裝修做法，對(duì)建筑造型和外觀起著重要的影響作用，也是建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中最常使用的族構(gòu)件之一。同時(shí)，幕墻是由金屬骨架與多種板材組合而成的復(fù)合構(gòu)件，種類繁多且構(gòu)造復(fù)雜。幕墻族的建模涉及屬性信息處理、族嵌套、復(fù)雜參數(shù)設(shè)定、二維視圖表達(dá)等多種典型性問題，其建模方法對(duì)其他構(gòu)件族開發(fā)具有較強(qiáng)的借鑒意義。

在Revit中，幕墻族被定義為一種特殊類別的墻，由幕墻網(wǎng)格表達(dá)立面分割尺寸，再在此基礎(chǔ)上由豎梃和嵌板族分別表達(dá)幕墻實(shí)體中的橫、豎龍骨和面板。為了表達(dá)更精細(xì)的構(gòu)造關(guān)系，嵌板還會(huì)嵌套一些幕墻構(gòu)件族(如門窗拉手、抓點(diǎn)接駁件等)組成復(fù)合部件。幕墻整體、幕墻網(wǎng)格和豎梃都屬于系統(tǒng)族，無法直接在族環(huán)境中編輯，幕墻形式的改變主要是通過創(chuàng)建和編輯嵌板族、輪廓族(用以改變豎梃形式)和構(gòu)件族這三類族達(dá)到的。

2.3.1 開發(fā)內(nèi)容

現(xiàn)有族庫資源中的幕墻族，以玻璃幕墻系列為主，能基本滿足該類型幕墻的設(shè)計(jì)建模需求。但其它種類幕墻構(gòu)件族基本空白，且幕墻構(gòu)件種類較少，無法達(dá)到LOD300表達(dá)細(xì)度的深度。因此，本次開發(fā)將重點(diǎn)擴(kuò)充除玻璃幕墻外的其他幕墻類型族及其構(gòu)件族的種類和數(shù)量。

除玻璃外，幕墻按照面板材料的不同，可分為金屬幕墻、石材幕墻、人造板材幕墻等類型[11]，工程中常用的幕墻類型可進(jìn)一步細(xì)分為干掛石材幕墻、鋁(蜂窩)板幕墻、纖維增強(qiáng)水泥平板幕墻、陶土板幕墻等[12]。另外，U型玻璃、玻璃磚、木掛板等外裝修做法雖然不屬于嚴(yán)格意義上的幕墻，但也可以通過幕墻族加以模擬。各幕墻外裝修做法類型及其主要參數(shù)指標(biāo)詳見表2。

表2 常用幕墻外裝修做法幾何形狀信息匯總表

2.3.2 幕墻族的創(chuàng)建

幕墻構(gòu)件的幾何形狀、規(guī)格、材料種類繁多，借助參數(shù)化思維和方法，可將其簡(jiǎn)化為幾何和非幾何兩類屬性信息分別處理。首先將幾何形狀信息歸納為若干具有代表性的幾何原型，選擇適當(dāng)?shù)淖鍢影鍎?chuàng)建基礎(chǔ)三維構(gòu)件及其二維圖形表達(dá)，并與相關(guān)尺寸建立約束驅(qū)動(dòng)關(guān)系；然后，根據(jù)嵌板參數(shù)的規(guī)律和種類劃分若干類型，將對(duì)應(yīng)的幾何信息和非幾何信息以設(shè)置或關(guān)聯(lián)的形式分類錄入，即可形成各類構(gòu)件族。以下以較復(fù)雜的嵌板族為例具體說明。

2.3.2.1 幾何模型的創(chuàng)建

由于立面規(guī)格已由幕墻網(wǎng)格表達(dá)，因此嵌板最重要的幾何信息是截面形狀和相關(guān)尺寸。由表1可知，嵌板的截面形狀可歸納為矩型、中空矩型、波浪型、披疊板、U型五大類。前四類使用拉伸建模工具，創(chuàng)建截面形狀并關(guān)聯(lián)寬度、厚度等參數(shù)后即可生成幾何構(gòu)件。U型玻璃則較為復(fù)雜，按照構(gòu)件組合方式共有六種外墻類型，見圖2。綜合權(quán)衡使用便捷性和建?？刹僮餍缘纫蛩?，分單排和雙排兩種幾何原型建模。其中，單排以相鄰兩塊U型玻璃做為一個(gè)嵌板單元，通過添加可見性參數(shù)控制正反兩個(gè)方向U型玻璃的可見性，并以上下和左右偏移參數(shù)控制玻璃單元的相對(duì)位置。雙排則以上下兩塊相對(duì)的U型玻璃為一個(gè)嵌板單元，通過在上下和左右偏移參數(shù)的公式中使用條件語句if，配合代表類型的參數(shù)模擬三種構(gòu)件組合方式(見圖3)。端頭處嵌板創(chuàng)建方式與對(duì)應(yīng)的常規(guī)嵌板方法類似，僅需將構(gòu)件斷面由U型改為L(zhǎng)型，此處不做贅述。

二維表達(dá)上，粗略和中等顯示模式下的平、立、剖面按照制圖習(xí)慣表達(dá)， U型玻璃和玻璃磚按玻璃表達(dá)，石材、金屬等實(shí)體面板幕墻僅表達(dá)完成面的外邊界，不顯示龍骨和構(gòu)件；精細(xì)模式面板、龍骨和構(gòu)件均按三維實(shí)體輪廓顯示，用于墻身和節(jié)點(diǎn)大樣。

圖2 U型玻璃外墻構(gòu)造類型Fig.2 Structure types of U-shaped glass exterior walls

圖3 U型玻璃嵌板族參變示意Fig.3 Parametric indication of U-shaped glass panels

2.3.2.2 幾何模型的參數(shù)化

設(shè)計(jì)中幕墻類型的選擇常以面板材料和截面尺寸作為依據(jù)，因此族類型也以這兩種參數(shù)進(jìn)行劃分和命名。幕墻選型在前期需進(jìn)行消防、結(jié)構(gòu)、節(jié)能等計(jì)算流程，后期會(huì)涉及施工算量、材料統(tǒng)計(jì)、造價(jià)分析等應(yīng)用，因此具體參數(shù)詳見表3。可使用類型目錄存儲(chǔ)常用族類型，便于在使用時(shí)只載入需要的類型，減少模型冗余。

表3 嵌板常用參數(shù)表

續(xù)表3

3 結(jié)語

開發(fā)基于建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的構(gòu)件族庫的意義，不僅局限在為特定的設(shè)計(jì)教學(xué)提供技術(shù)性支撐，其三維可視化、動(dòng)態(tài)參數(shù)化的特點(diǎn)，能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)圖紙和實(shí)體模型類教學(xué)案例不直觀或信息量少的不足，作為一種新型的教學(xué)案例資源為整個(gè)建筑學(xué)教學(xué)所共享。隨著族庫應(yīng)用的深入，可以將族庫的開發(fā)與課程教學(xué)更緊密地結(jié)合，通過機(jī)制設(shè)計(jì)使以教師為主的開發(fā)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒餐_發(fā)的模式，讓學(xué)生從被動(dòng)的選擇型應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的開發(fā)型應(yīng)用，在設(shè)計(jì)與族開發(fā)的深度融合中體會(huì)BIM技術(shù)的內(nèi)涵，將課程成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)族庫良性的可持續(xù)更新。