基于BIM的參數(shù)化設(shè)計策略研究

李 純 龐思雨

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 研究背景

BIM 技術(shù)不只是簡單的信息模型，而是通過建立、使用、分享建筑物全生命周期數(shù)據(jù)信息，來改良設(shè)計、施工、運(yùn)維的工作流程[1]。伴隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展，設(shè)計領(lǐng)域正在經(jīng)歷從二維設(shè)計到三維設(shè)計再到 BIM 協(xié)同設(shè)計的發(fā)展過程。傳統(tǒng)的二維設(shè)計只是在特定視圖角度來表達(dá)設(shè)計構(gòu)思，而基于計算機(jī)的輔助設(shè)計，是以構(gòu)件為對象的參數(shù)化設(shè)計，能夠提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。

許多學(xué)者對參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行了探索，肖汝誠等把幾何實體的尺寸定義為相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，在幾何實體之間建立拓?fù)浼s束關(guān)系，得到由初始參數(shù)操控的幾何模型[2-4]。馬巖松利用參數(shù)精確控制建筑物的旋轉(zhuǎn)角度[5]。王風(fēng)濤等基于高級幾何學(xué)的原理，對復(fù)雜建筑設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)—計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的參數(shù)化、算法等進(jìn)行了深入研究[6]。

目前，參數(shù)化設(shè)計相對來說是一個全新的概念[7-10]，高校研究大多停留在理論階段。在BIM設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往不了解軟件的運(yùn)行機(jī)制，導(dǎo)致所建立的信息模型無法實現(xiàn)參數(shù)控制，并且很難用于下階段工作。以京張高鐵為例，介紹基于BIM的參數(shù)化設(shè)計策略，以期為參數(shù)化設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用提供借鑒和幫助。

2 參數(shù)化設(shè)計工具

2.1 參數(shù)化設(shè)計軟件

廣義上的參數(shù)化設(shè)計軟件包含以 AutoCAD 為代表的一系列傳統(tǒng)制圖軟件，其內(nèi)部運(yùn)行方式已經(jīng)實現(xiàn)了參數(shù)控制(點、線、面元素在軟件內(nèi)部都以參數(shù)的形式存儲，并按一定的邏輯執(zhí)行)。然而，這些傳統(tǒng)制圖軟件仍然需要依靠設(shè)計人員的主觀判斷來完成設(shè)計任務(wù)，計算機(jī)只是作為設(shè)計工作的最終環(huán)節(jié)(執(zhí)行繪圖)，沒有參與到真正意義的設(shè)計過程當(dāng)中[11]。

根據(jù)不同的開發(fā)層次和面向?qū)ο?，不同的參?shù)化設(shè)計軟件也有著不同的邏輯和操作界面。從邏輯層面，可將參數(shù)化設(shè)計軟件分為三類(如圖1所示)。

圖1 從邏輯層面分類參數(shù)化設(shè)計軟件

其中，流程關(guān)系是指基于信息傳遞的拓?fù)潢P(guān)系。樹形層級結(jié)構(gòu)是指建模過程中，將建模邏輯通過樹形的分支結(jié)構(gòu)和層層展開的關(guān)系用于幾何體的構(gòu)建。屬性關(guān)聯(lián)邏輯是通過軟件定義的模型屬性，如Revit軟件將建筑領(lǐng)域的軸線、墻體、門窗、結(jié)構(gòu)等構(gòu)件的屬性開放給設(shè)計者，其幾何邏輯已經(jīng)被隱藏在建筑構(gòu)件的屬性之中[6]。

雖然可以利用軟件表達(dá)原有的二維設(shè)計參數(shù)，但是由于專業(yè)的差異化，這種方式并不具有普適性。利用自主研發(fā)等方式開展參數(shù)化設(shè)計需要設(shè)計人員具備豐富的設(shè)計經(jīng)驗、圖形圖像學(xué)及計算機(jī)IT技術(shù)，實現(xiàn)的門檻較高。而可視化編程技術(shù)可較好地解決這一矛盾。這種設(shè)計方式不僅具備傳統(tǒng)制圖軟件的繪圖能力，還可以演繹包含數(shù)學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)和各種算法的設(shè)計邏輯拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)計人可以據(jù)此建立和控制具有復(fù)雜幾何關(guān)系、包含各類參數(shù)信息的數(shù)字幾何模型。利用可視化編程工具可以直觀反映信息的傳遞路徑，準(zhǔn)確操控模型生成。

2.2 參數(shù)化設(shè)計

首先定義設(shè)計邏輯，形成設(shè)計邏輯拓?fù)潢P(guān)系；繼而通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)，驅(qū)動模型生成或變化。每一處變化都有可能傳遞到其他構(gòu)件，所以需要定義構(gòu)件的更新順序，即信息傳遞順序。傳統(tǒng)設(shè)計需根據(jù)設(shè)計原則進(jìn)行大量的重復(fù)性工作，難免出現(xiàn)差錯。傳統(tǒng)的設(shè)、校、審流程是在結(jié)果上糾錯，其效率較低；而參數(shù)化設(shè)計定義了信息的傳遞順序，相當(dāng)于在建模規(guī)則的制定過程中加入糾錯環(huán)節(jié)，大大降低了出錯概率。

以LOD300級隧道工程模型中系統(tǒng)錨桿模型為例，對參數(shù)化設(shè)計流程進(jìn)行介紹(見圖2)。

圖2 參數(shù)化設(shè)計開展

①Set range：設(shè)置工作范圍；

②Load Section.xls：參考Excel文件，導(dǎo)入隧道斷面信息及支護(hù)參數(shù)信息；

③Cul lim L：通過支護(hù)參數(shù)和斷面信息計算系統(tǒng)錨桿布置參數(shù)；

④Get SB asCell：生成單個斷面的系統(tǒng)錨桿，建立對應(yīng)單元文件；

⑤Load CEN：導(dǎo)入隧道中線信息，計算控制里程；

⑥Creat Systembolt：建立系統(tǒng)錨桿模型；

⑦Export：輸出系統(tǒng)錨桿文件。

2.3 信息的定義和傳遞

圖3 箭線圖

由節(jié)點和連線及箭頭組成的圖形可以稱之為“箭線圖”(見圖3)。連接箭尾部的前節(jié)點和箭頭部后節(jié)點，所形成的路徑或鏈條可展示節(jié)點觸發(fā)的順序(即信息傳遞流程)。

參數(shù)化建模中，節(jié)點包含了名字和屬性信息。如“p.X”表示點p的X(屬性)值，可利用約束表達(dá)式得到對應(yīng)值(如表1所示)。

表1 約束表達(dá)式

約束表達(dá)式使得節(jié)點屬性繼承了其上序節(jié)點所包含的相關(guān)屬性。因此，用某個屬性或?qū)?yīng)表達(dá)式都可以指向該屬性值，這就是“箭線圖”中“連線”的含義。系統(tǒng)讓屬性及其表達(dá)式隨著屬性值的變化而變化，系統(tǒng)隨時會求解每個屬性中表達(dá)式的值，來保持箭線圖中各節(jié)點的一致性。在這個過程中，應(yīng)按順序先求解出所有的上序節(jié)點，再求解目標(biāo)節(jié)點[12]。

錨桿模型參數(shù)化設(shè)計的簡化箭線圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)錨桿模型箭線圖

3 策略研究

3.1 邏輯復(fù)制

(1)必要性分析

如果把目前的設(shè)計成果定格在某一節(jié)點，之前的設(shè)計過程可以稱為“歷史上的設(shè)計”，之后設(shè)計上的變化稱為“未來的設(shè)計”。復(fù)制其設(shè)計邏輯的拓?fù)潢P(guān)系可稱為捕捉“歷史上的設(shè)計”，即將這一過程還原成可編輯的形式，通過修改變量參數(shù)重新演繹設(shè)計過程。因此，“未來的設(shè)計”可以通過“歷史上的設(shè)計”推演而來[12]。

CAD采用了復(fù)制、剪切和粘貼等一般概念，可以通過設(shè)計元素的復(fù)制和復(fù)位，將構(gòu)件的擦除與添加兩種操作相結(jié)合，以快速應(yīng)對設(shè)計的變動?！皬?fù)制、剪切和粘貼”之所以能在傳統(tǒng)設(shè)計中左右逢源，是因為傳統(tǒng)設(shè)計中各個構(gòu)件是獨立的。然而，傳統(tǒng)設(shè)計中的模型不易修改，而且越復(fù)雜的模型，改動的工作越繁重(即使改變一處尺寸，也需要調(diào)整很多其他的構(gòu)件)，極大地限制了設(shè)計工作的開展。

參數(shù)化設(shè)計方式可以通過設(shè)定構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成一個系統(tǒng)并輸出設(shè)計內(nèi)容；通過對輸出結(jié)果的觀察和選擇，編輯系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，修改設(shè)計內(nèi)容，將設(shè)計人員從單調(diào)乏味的重復(fù)性工作中解放出來，專注于設(shè)計思維的探索。

(2)可行性分析

以京張鐵路崇禮支線正盤臺隧道為例。正盤臺隧道是典型的山嶺隧道，主洞全長約13 km，根據(jù)地層巖性及隧道埋深，將隧道劃分為支護(hù)參數(shù)不同的100余段。使用“邏輯復(fù)制”策略，按里程遍歷隧道主洞所有圍巖級別，分別生成模型并組裝(如圖5所示)。

圖5 隧道所有圍巖級別系統(tǒng)錨桿模型箭線圖

復(fù)制隧道系統(tǒng)錨桿模型的布設(shè)邏輯，應(yīng)用于如隧道超前小導(dǎo)管模型等其他隧道模型當(dāng)中，形成符合交付要求的完整隧道模型(如圖6、圖7所示)。

圖6 隧道所有圍巖級別組裝模型箭線圖

圖7 隧道系統(tǒng)錨桿模型和超前小導(dǎo)管模型

3.2 延遲深化

(1)必要性分析

在前期設(shè)計過程中，設(shè)計人員更關(guān)心的是個別幾個控制點的數(shù)據(jù)。因此，可以通過參數(shù)化設(shè)計手段先計算控制點的精確數(shù)據(jù)，后期再構(gòu)建精細(xì)模型。

如著名的倫敦滑鐵盧國際終點站，站房頂棚采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)(長400 m，寬30～50 m)，玻璃幕墻屋頂結(jié)構(gòu)包含尺寸不同但結(jié)構(gòu)相似的36個三鉸拱，由于屋頂兩側(cè)為不對稱布置，使得各拱的寬度隨屋頂寬度的變化而變化。設(shè)計者沒有一一設(shè)計各個拱的模型，而是建立了同一類參數(shù)化模型，通過定義參數(shù)變化規(guī)律、確定約束關(guān)系，建立參數(shù)化模型。設(shè)計過程中，可以隨時修改參數(shù)；方案穩(wěn)定之后，再通過對結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確定位，創(chuàng)建尺寸各異的36個三鉸拱的精細(xì)模型(見圖8)。

圖8 倫敦滑鐵盧國際終點站參數(shù)化設(shè)計模型

(2) 可行性分析

以清華園隧道為例。清華園隧道為盾構(gòu)隧道，根據(jù)交付要求，建立LOD200級、LOD300級和LOD400級模型(如圖9所示)。

圖9 清華園隧道LOD200級模型

根據(jù)線路走向及盾構(gòu)井分割，利用參數(shù)化設(shè)計軟件細(xì)化管片排布(如圖10所示)。

圖10 利用參數(shù)化設(shè)計軟件完成管片排布

圖11 管片排布模型

最后，通過更新單元的方式建立精細(xì)化模型。利用參數(shù)化設(shè)計支持延遲深化，按照設(shè)計流程逐步深化模型(見圖11、圖12)。

圖12 清華園隧道精細(xì)化模型

3.3 條件預(yù)判

(1)必要性分析

理論上，參數(shù)化設(shè)計中的條件預(yù)判屬于生成設(shè)計的范疇，它的設(shè)計構(gòu)思來源于約束條件和規(guī)則，而結(jié)果則是通過系統(tǒng)自動生成，具有不可預(yù)測性[13]。生成工具包括三部分：模型、算法、軟件。根據(jù)模型判斷設(shè)計輸入條件，編程語言表達(dá)不同的算法，算法和模型運(yùn)行的結(jié)果又通過軟件以模型的方式呈現(xiàn)，從而在一定程度上實現(xiàn)自動設(shè)計。

(2)可行性分析

以京張鐵路隧道襯砌設(shè)計為例，根據(jù)參數(shù)化的邏輯拓?fù)潢P(guān)系，結(jié)合線路模型、地質(zhì)模型(如圖13所示)進(jìn)行條件預(yù)判，形成設(shè)計輸入條件。

圖13 沿線路模型建立的地質(zhì)模型

在地質(zhì)專業(yè)建模過程中，依據(jù)二維地質(zhì)資料建立三維地質(zhì)模型(加入了地層屬性及參數(shù)信息)，再根據(jù)線路模型，在地質(zhì)模型中提取所需位置的地質(zhì)參數(shù)信息并進(jìn)行設(shè)計。操作過程是將線路中線投影至原地面，利用投影線和線路中線建立縱斷面曲面模型，提取地層信息，自動計算埋深，在參數(shù)化設(shè)計軟件中自動計算隧道襯砌厚度，并根據(jù)線路模型和限界條件生成隧道襯砌模型。

3.4 控制簡化

(1)必要性分析

模型的參數(shù)控制就是通過一個簡單、獨立的模型來控制整個模型或是模型的一部分，以方便設(shè)計人員更改模型。

模型參數(shù)控制簡化的關(guān)鍵在于對主要模型的分離。將分離模型的輸出項連接到主要模型的輸入項，這樣的分離模型就是所謂的控制器。控制器可直接調(diào)節(jié)想要改變的模型參數(shù)(可以是模型中的提取出的參數(shù)，也可以是變量形式的參數(shù))。提煉參數(shù)控制器是主要模型的簡化版，可以控制一些次要的細(xì)節(jié)；變形參數(shù)控制器可改變設(shè)計者與模型交互的方式。當(dāng)模型的某一個屬性改變時，設(shè)計者可以用控制器將這個變化與模型關(guān)聯(lián)起來。另外，控制器與模型僅存在最低限度的關(guān)聯(lián)，并且可以根據(jù)需要隨時切斷連接或是恢復(fù)連接?？刂破骱啙嵉姆蛛x性是其最顯著的特點(見圖14)。

圖14 控制器箭線圖示意

(2)可行性分析

以京張鐵路橋梁工程為例，橋面上將布置擋砟墻、豎墻、遮板、人行道蓋板，以及接觸網(wǎng)支柱、聲屏障基礎(chǔ)等附屬設(shè)施。京張鐵路橋梁工點眾多，可以按照同一個設(shè)計邏輯的拓?fù)潢P(guān)系，分別建立不同種類的附屬設(shè)施模型，但工作量巨大。

在參數(shù)化軟件中添加一個控制器，掛接不同附屬設(shè)施模型的單元及布設(shè)參數(shù)，可以利用一套設(shè)計邏輯拓?fù)潢P(guān)系將多種附屬設(shè)施單元文件分別放在不同的里程處，完成橋梁附屬設(shè)施模型構(gòu)建(見圖15)。

圖15 利用參數(shù)化設(shè)計軟件建立控制器

同時，可以設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)變化，實現(xiàn)設(shè)計過程的調(diào)整參數(shù)(如圖16所示)。

4 結(jié)束語

利用參數(shù)化設(shè)計策略，不但可以準(zhǔn)確地展示設(shè)計意圖，而且可以有效地提高設(shè)計效率。參數(shù)化設(shè)計正逐漸成為推動三維協(xié)同設(shè)計發(fā)展的重要技術(shù)手段。

圖16 設(shè)計過程中的參數(shù)調(diào)整