BIM模型在專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

李立功，牛麗娟，張學(xué)鋼，朱仁義

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054）

2016-09-19，國家住建部發(fā)布了《2016-2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》（建質(zhì)函[2016]183 號(hào)），對(duì)“十三五”期間，建筑業(yè)信息化進(jìn)程做出了全盤規(guī)劃。旨在增強(qiáng)發(fā)展能力、優(yōu)化發(fā)展環(huán)境、加快信息技術(shù)與行業(yè)深度融合、塑造新業(yè)態(tài)為導(dǎo)向，構(gòu)建建筑業(yè)信息化的發(fā)展格局。自此，我國建筑業(yè)掀起了以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為突破口，數(shù)據(jù)資源利用水平和信息服務(wù)能力提升為基本特征，突出BIM、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能化技術(shù)等在建筑行業(yè)的應(yīng)用為重點(diǎn)的熱潮。

各建筑企業(yè)及單位都在特色項(xiàng)目及重點(diǎn)項(xiàng)目上進(jìn)行了BIM 技術(shù)應(yīng)用的嘗試和運(yùn)用，為BIM 技術(shù)后期的大面積推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。BIM 技術(shù)是“十三五”建筑業(yè)信息技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，從理念的提出、實(shí)踐發(fā)展，一直到目前步入全過程應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為建筑業(yè)的亮點(diǎn)，BIM 技術(shù)未來的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的信息共享[1-2]。

BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用可概括為3 個(gè)方面：BIM 模型的創(chuàng)建、BIM 模型的應(yīng)用及BIM 技術(shù)的推廣，這3 個(gè)方面貫穿于建筑建設(shè)的全生命周期，模型創(chuàng)建方面主要使用的是歐特克公司的revit 建模軟件。目前通過大量項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用，我國的BIM 技術(shù)也已較為成熟，產(chǎn)生了像魯班、廣聯(lián)達(dá)等較強(qiáng)的BIM 系統(tǒng)，提供全面解決建筑行業(yè)問題的BIM 技術(shù)系統(tǒng)軟件，而魯班BIM 系統(tǒng)平臺(tái)更是在迪士尼、上海中心、蘇州中心、樂清灣大橋等700 多個(gè)大型房建與基建項(xiàng)目進(jìn)行了深入的應(yīng)用，成效顯著。在建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，必須不斷加強(qiáng)加快建設(shè)“BIM+大數(shù)據(jù)+人工智能”的企業(yè)數(shù)字大腦，構(gòu)建數(shù)字神經(jīng)，不斷夯實(shí)小前端、大后臺(tái)的運(yùn)營能力，從而實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的目標(biāo)[3]。

盡管BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用廣泛，工程級(jí)BIM 應(yīng)用基礎(chǔ)已打牢，集團(tuán)級(jí)BIM 應(yīng)用發(fā)展時(shí)機(jī)已成熟，但是BIM 技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，大都關(guān)注在經(jīng)濟(jì)效益、三維展示、工程及材料量的獲取及結(jié)構(gòu)物間的碰撞檢查等方面，對(duì)于BIM 技術(shù)在其他方面的應(yīng)用鮮有探索和研究，如何發(fā)揮BIM 模型直觀形象的特點(diǎn)，拓展BIM 技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，將BIM 模型的應(yīng)用推廣到專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域，是需要思考的問題[4]。

本文以工程中常用的revit 建模軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合高職工程測(cè)量技術(shù)專業(yè)的教學(xué)需求，依托2 個(gè)具體模型的創(chuàng)建過程，對(duì)BIM 模型在專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，從數(shù)據(jù)獲取方式、模型創(chuàng)建的方法及模型的具體應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，考慮到模型應(yīng)該具有一定的普通性，故選取了一個(gè)不規(guī)則的雕塑作為一個(gè)案例來進(jìn)行研究；又考慮到建模軟件模型創(chuàng)建的方法不同，選取了水準(zhǔn)儀為另一個(gè)案例來進(jìn)行對(duì)比研究，研究思路如圖1 所示。

圖1 文章研究思路圖

1 雕塑模型的創(chuàng)建

本文選擇研究的第一個(gè)對(duì)象如圖2 所示，整個(gè)雕塑為古代四足鼎的造型，全鼎所用材料為某鐵路工務(wù)段的廢舊路料，為一尊雕塑。

研究對(duì)象一的結(jié)構(gòu)可以從上到下分為：鼎、四足、基座3 個(gè)部分，所以在建模時(shí)考慮從這3 個(gè)方面來對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行描述，鼎的頂面由鋼軌軌頭構(gòu)成，中間由各時(shí)期廢舊鋼軌與軌枕的聯(lián)接件構(gòu)成，鼎身四周道釘連接輸嵌枕木板，四足是由鋼軌軌底焊接形成的一個(gè)方形底座。鼎的上下頂面均為長方形，但尺寸不同，上頂面寬，下頂面窄。鼎的四足為正六邊形的柱狀體，上下頂面的形狀相同，但尺寸不同，具體見表1。

表1 研究對(duì)象一的尺寸

使用Revit 軟件進(jìn)行異型結(jié)構(gòu)建模的方法一般為選擇使用族或者體量來進(jìn)行創(chuàng)建，兩者創(chuàng)建的方法不同，建模的思路也不相同。本文建模所使用的方法為使用族來進(jìn)行創(chuàng)建模型的方法。根據(jù)表1 的尺寸采用revit中的族命令進(jìn)行創(chuàng)建，首先選擇公制常規(guī)模型進(jìn)行創(chuàng)建，使用實(shí)體創(chuàng)建中的拉伸命令完成研究對(duì)象一的底部結(jié)構(gòu)基座的創(chuàng)建，在創(chuàng)建完成基座的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行鼎四足的模型創(chuàng)建。

在進(jìn)行鼎四足模型創(chuàng)建時(shí)，需要注意的是鼎足的上下界面不相同，需要采用融合的命令進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建模型時(shí)還要注意模型之間的位置關(guān)系，因?yàn)槭褂胷evit進(jìn)行模型創(chuàng)建的核心思想就是“使用零散的積木拼接成穩(wěn)固的目標(biāo)形狀”，所以不同位置之間的位置關(guān)系必須要準(zhǔn)確，鼎的四足創(chuàng)建完成后就是鼎的模型創(chuàng)建，這里需要采用先創(chuàng)建實(shí)體模型，在創(chuàng)建空心模型，最后兩者進(jìn)行裁剪、求差，得到最終模型（未渲染）。如圖3所示。

圖3 研究對(duì)象一的模型

2 儀器模型的創(chuàng)建

為與研究對(duì)象一有較明顯的對(duì)比性，同時(shí)又保證研究對(duì)象具有一定的普遍性，同時(shí)考慮工程測(cè)量技術(shù)專業(yè)教學(xué)需求，需具有一定的特殊性，本文的第二個(gè)研究對(duì)象選取了工程中最常見的測(cè)量儀器-DS3 水準(zhǔn)儀，它與研究對(duì)象一的對(duì)比性是指它的尺寸相對(duì)于研究對(duì)象一來說，非常小，是研究對(duì)象一的百分之一，它的普遍性是指在工程建設(shè)領(lǐng)域它是最基礎(chǔ)的一項(xiàng)儀器配備；其特殊性是指它的形狀使用語言也比較難描述，無法用常見的形狀對(duì)其進(jìn)行介紹，僅使用圖片展示，缺乏形象直觀的認(rèn)知印象。如圖4所示。

圖4 研究對(duì)象二

研究對(duì)象二的結(jié)構(gòu)可以劃分成上下結(jié)構(gòu)：即上面是望遠(yuǎn)鏡，下面是基座，但是形狀不一，語言上很難描述。為此，對(duì)研究對(duì)象二的4 個(gè)主要部件進(jìn)行了5 次量測(cè)得到其主要尺寸表，具體見表2。

表2 研究對(duì)象二尺寸表

為了研究方便，水準(zhǔn)儀模型在創(chuàng)建時(shí)，仍然采用基于公制常規(guī)模型的創(chuàng)建辦法，按照“搭積木”的思維方式，從下到上創(chuàng)建模型，根據(jù)表2 限定的尺寸要求，進(jìn)行模型創(chuàng)建，如圖5所示。

圖5 研究對(duì)象二下部結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建

創(chuàng)建完下部結(jié)構(gòu)，開始進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建時(shí)，既要考慮上下結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，又要考慮到研究對(duì)象二本身的特點(diǎn)，研究對(duì)象二有一條豎軸穿過其中心，所以在進(jìn)行上部模型創(chuàng)建時(shí)應(yīng)先找到研究對(duì)象二的中軸線，然后再以中軸線開展模型的制作和拼接。

最后，經(jīng)過拼接、處理、裁切，就可以得到研究對(duì)象二的模型（未渲染），如圖6 所示。

圖6 研究對(duì)象二的模型

3 對(duì)比分析

文中的研究對(duì)象選取的都是較常見但是結(jié)構(gòu)均有些特殊的物體，這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中需要?jiǎng)?chuàng)建模型的原型往往是不規(guī)則的，具有特殊的形狀結(jié)構(gòu)。此外，本文中建模主要采用的是revit 中族創(chuàng)建的方式，將模型分為多個(gè)單獨(dú)的個(gè)體進(jìn)行繪制。這樣繪制的優(yōu)勢(shì)在于：能將模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行精確繪制，準(zhǔn)確反映需要?jiǎng)?chuàng)建模型的特點(diǎn)和特征等要素，難點(diǎn)是對(duì)于模型的理解和模型個(gè)體的組成部分之間的互相定位[1-2]。

對(duì)于研究對(duì)象一而言，因其尺寸較大，且相對(duì)于研究對(duì)象二而言，其組成部分比較簡單，易于理解模型及其組成部分之間的關(guān)系，采用族拉伸、融合、空心融合等功能就可以進(jìn)行繪制，即可生成相關(guān)模型。在后期制作渲染的過程中，可根據(jù)需要進(jìn)行紋理、材質(zhì)及貼圖等處理，使得模型能夠反映真實(shí)物體的更多屬性信息，進(jìn)行研究應(yīng)用。

對(duì)于研究對(duì)象二這類比較小的儀器模型創(chuàng)建，需要特別注意細(xì)節(jié)，研究對(duì)象二屬于精密儀器，體積不大，但構(gòu)造精細(xì)，就更加需要關(guān)注其各個(gè)零部件的形狀、關(guān)鍵參數(shù)及其相對(duì)空間位置關(guān)系，而且由于研究對(duì)象二的體積與尺寸相對(duì)于研究對(duì)象一要小很多，因此對(duì)于尺寸的獲取要求要更加精確。其繪制多采用拉伸、放樣、融合等方式，在繪制完成后要根據(jù)實(shí)物零部件的空間位置關(guān)系，來決定模型的連接方法。模型創(chuàng)建完成后，可根據(jù)需要進(jìn)行材質(zhì)，色彩的渲染，以便與實(shí)物更加吻合。

通過兩個(gè)模型創(chuàng)建過程的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界中的異型結(jié)構(gòu)物體，也可以使用revit 軟件來進(jìn)行模型的創(chuàng)建，前提是對(duì)所要?jiǎng)?chuàng)建模型的物體充分了解，掌握物體的結(jié)構(gòu)樣式及組成部分之間的位置關(guān)系等。由此，可以將BIM 技術(shù)的模型創(chuàng)建應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行推廣：①對(duì)于工作、學(xué)習(xí)和生活中存在的那些特別常用，需要掌握其結(jié)構(gòu)，同時(shí)又難以用語言進(jìn)行描述的物體，可以用三維模型的方式進(jìn)行介紹和學(xué)習(xí)，形象直觀而且不宜出錯(cuò)。②在各大企業(yè)都將BIM 技術(shù)視為員工必備技能，各大院校都將BIM 技術(shù)列為學(xué)生必修課程的時(shí)代背景下，要求員工或者學(xué)生根據(jù)圖紙創(chuàng)建模型以掌握儀器、設(shè)備等構(gòu)造和原理等知識(shí)，也是可以實(shí)現(xiàn)的，在掌握了儀器及設(shè)備的構(gòu)造和原理的同時(shí)，又強(qiáng)化了BIM 建模技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié) 語

21 世紀(jì)是一個(gè)信息技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，特別是近幾年隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，三維建模無論是從速度，精準(zhǔn)度還是物體的還原度上都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的二維方式。BIM 技術(shù)不只是用于三維建模，而是從項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑、運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[5-6]。

本文以工程中常用的revit 建模軟件為基礎(chǔ)，依托兩個(gè)具體模型的創(chuàng)建過程，對(duì)BIM 技術(shù)模型的創(chuàng)建及應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，從數(shù)據(jù)獲取方式、模型創(chuàng)建的方法及模型的具體應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，考慮到模型應(yīng)該具有一定的普遍性和適用性，故選取了一個(gè)不規(guī)則的雕塑作為一個(gè)案例來進(jìn)行研究；又考慮到建模軟件模型創(chuàng)建的方法不同，選取了水準(zhǔn)儀為另一個(gè)案例來進(jìn)行對(duì)比研究。通過兩個(gè)研究對(duì)象的對(duì)比分析可知：對(duì)于日常生活、工作和學(xué)習(xí)中的難以用語言或者使用常規(guī)手段難以進(jìn)行描述的物體，可以使用BIM 技術(shù)創(chuàng)建三維模型，進(jìn)行直觀展示。BIM 技術(shù)的應(yīng)用還可以拓展到高校的教育教學(xué)活動(dòng)以及企業(yè)員工的培訓(xùn)學(xué)習(xí)活動(dòng)中，通過對(duì)所選物體的三維模型創(chuàng)建，可以實(shí)現(xiàn)既掌握物體結(jié)構(gòu)及原理特點(diǎn)，又強(qiáng)化BIM 建模技術(shù)的能力的效果。

BIM 技術(shù)建模的軟件有很多，每款軟件都有自己的特點(diǎn)和適用行業(yè)，本文僅以revit 軟件來進(jìn)行研究是基于revit 是工程建設(shè)領(lǐng)域常用的建模軟件，在BIM 技術(shù)應(yīng)用探索方面還應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入：①BIM 技術(shù)的理念是高效、快捷、人性化，基于此應(yīng)探索對(duì)于異形結(jié)構(gòu)或非常規(guī)模型，有無更高效的建模方法；②針對(duì)BIM 技術(shù)側(cè)重于建筑 物或物體內(nèi)部屬性的特點(diǎn)，應(yīng)考慮與GIS、RS 等結(jié)合，豐富模型內(nèi)外部的信息，以拓展其應(yīng)用的探索；③實(shí)際應(yīng)用中，為發(fā)揮更大的效應(yīng)，還應(yīng)進(jìn)行BIM 系統(tǒng)與其他民生系統(tǒng)（如電力、交通等）的數(shù)據(jù)及其他信息進(jìn)行共享及聯(lián)合應(yīng)用的探索。