基于BIM的水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析制圖一體化研究

王培成 鐘俊彬 周文斌 張?zhí)﹣?lái)

1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200082

2.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司 200082

引言

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要是依靠平面圖紙和計(jì)算書(shū)，但圖紙與結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)缺少交互，人工修改計(jì)算參數(shù)或修改圖紙難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，使得當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在靈活性缺乏、繁瑣、耗時(shí)等問(wèn)題［1］。如何解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的信息混亂、結(jié)構(gòu)優(yōu)化困難等問(wèn)題，具有參變性、模擬性、可出圖性的BIM（Building Information Modeling）技術(shù)為此提供了思路。BIM技術(shù)，是可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在建筑行業(yè)的應(yīng)用與融合，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于碰撞檢查、凈空分析、施工模擬等方面，正顛覆和改變著整個(gè)土木領(lǐng)域［2］。盡管已有眾多對(duì)BIM三維設(shè)計(jì)的研究，各大軟件廠商也紛紛推出了一些軟件功能輔助BIM 三維設(shè)計(jì)，但現(xiàn)階段的主要研究?jī)?nèi)容在于BIM模型與分析模型的互導(dǎo)［3］，未形成一體化的解決方案，并且主要集中在公路、水利、房建等領(lǐng)域［4，5］，在水池結(jié)構(gòu)BIM三維設(shè)計(jì)方面研究較少。因此，本文對(duì)水池結(jié)構(gòu)BIM 三維設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)進(jìn)行分析，提供了一種基于BIM的水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析制圖一體化的解決方案。

1 BIM三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)及技術(shù)難點(diǎn)

不同于“翻模設(shè)計(jì)”和“伴隨設(shè)計(jì)”［6］，基于BIM的設(shè)計(jì)是一種基于BIM模型實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的方式方法，即在三維環(huán)境下進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、構(gòu)筑物的參數(shù)化設(shè)計(jì)、施工圖出圖，乃至與計(jì)算模型結(jié)合，同步優(yōu)化，其基本模式如圖1 所示。

圖1 水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析制圖一體化模式Fig.1 Integrated model of pool structure design，analysis and drawing

BIM模型是具有構(gòu)件信息的三維物理模型，是設(shè)計(jì)內(nèi)容的數(shù)字化展現(xiàn)，在可視化、協(xié)同設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可突破常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的諸多限制。然而，BIM 三維設(shè)計(jì)仍然具有很多技術(shù)難點(diǎn)，如建立BIM模型花費(fèi)精力、BIM 導(dǎo)出的圖紙不符合國(guó)內(nèi)制圖習(xí)慣等，這些問(wèn)題也是現(xiàn)階段BIM三維設(shè)計(jì)常無(wú)法真正用于工程實(shí)踐的原因。

1.1 BIM三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

1.三維可視化。水廠中三維空間管線復(fù)雜，且調(diào)整頻繁。土建內(nèi)容、電氣自控設(shè)備與工藝管線碰撞是水廠設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題?；贐IM模型的三維可視化設(shè)計(jì)能極大避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，減少返工。

2.協(xié)同設(shè)計(jì)。給水設(shè)計(jì)常涉及到工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控等多個(gè)專(zhuān)業(yè)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式是基于二維圖紙進(jìn)行信息交換與協(xié)同，無(wú)法保證信息得到實(shí)時(shí)傳遞。Revit 提供了工作集模式、外部參照模式兩種協(xié)作模式，各專(zhuān)業(yè)間可即時(shí)獲取其他專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)信息，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

3.工程量快速統(tǒng)計(jì)。BIM模型不僅僅是三維幾何形體模型，還包括了各構(gòu)件屬性信息，這就為工程量分類(lèi)統(tǒng)計(jì)提供了基礎(chǔ)條件。工程量的實(shí)時(shí)快速統(tǒng)計(jì)，能將設(shè)計(jì)師從繁瑣的計(jì)算工作中解脫出來(lái)，使其專(zhuān)注于概念設(shè)計(jì)與性能設(shè)計(jì)，如工藝專(zhuān)業(yè)可利用BIM模型快速生成設(shè)備明細(xì)表，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)可從BIM 模型提取工程量用于復(fù)核抗浮、計(jì)算承載力等。

1.2 BIM三維設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)

1.BIM 模型建模效率低。BIM 模型是BIM三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，完善BIM模型的建立往往需要一定的時(shí)間。雖然Revit 構(gòu)建的BIM 模型本身具有可參變性，但這種參變性程度低且不系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了較高的要求，在實(shí)際過(guò)程中常不能滿(mǎn)足工程快速建模的需要。如何利用BIM模型的可參變性快速建立BIM模型，已經(jīng)成為了BIM三維設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。

2.BIM模型與結(jié)構(gòu)分析模型相互獨(dú)立。Revit本身不具有結(jié)構(gòu)計(jì)算的功能，必須借助其他技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。無(wú)論是二維計(jì)算還是三維計(jì)算，都無(wú)法與BIM 模型相結(jié)合。一旦方案調(diào)整、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，需要同時(shí)調(diào)整BIM 模型與計(jì)算參數(shù)，耗費(fèi)精力。如何將BIM 模型與分析模型結(jié)合起來(lái)，成為迫切需要解決的一大問(wèn)題。

3.BIM圖紙不滿(mǎn)足企業(yè)工程制圖標(biāo)準(zhǔn)。BIM模型出圖常無(wú)法滿(mǎn)足一些企業(yè)制圖要求，常伴隨有線型、圖層、字體不正確等問(wèn)題，需要對(duì)BIM模型導(dǎo)出的圖紙樣式進(jìn)行調(diào)整修改。如若模型修改，目前主要有兩種解決方式：①分別修改BIM模型與圖紙；②每一次調(diào)整BIM模型，就對(duì)BIM模型導(dǎo)出的圖紙進(jìn)行樣式修改。第一種方式不符合圖紙與BIM模型對(duì)應(yīng)的原則，第二種方式花費(fèi)時(shí)間多不能滿(mǎn)足效率上的要求。如何保證BIM制圖的圖紙能滿(mǎn)足二維制圖的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為另一大迫切需要解決的問(wèn)題。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)模式

2.1 水池結(jié)構(gòu)族設(shè)計(jì)

Revit參數(shù)化理念通過(guò)以“構(gòu)件參數(shù)化”為核心的技術(shù)，開(kāi)展基于設(shè)計(jì)的邏輯裝配。在水廠構(gòu)筑物中，集水坑、爬梯、人孔廣泛布置于水池結(jié)構(gòu)中，這就為參數(shù)化設(shè)計(jì)模式提供了基礎(chǔ)條件。為適應(yīng)水池結(jié)構(gòu)參變需要，本文制作了集水坑、泵基、人孔、蓋板、素砼回填等參變族，見(jiàn)圖2。

圖2 常用水池結(jié)構(gòu)族Fig.2 Common pool structure family

2.2 模型空間坐標(biāo)系

空間坐標(biāo)系能定義構(gòu)件族的空間位置，參數(shù)化的模型空間坐標(biāo)系是參數(shù)化BIM模型的重要內(nèi)容。在Revit 中，尺寸無(wú)正、負(fù)區(qū)分，尺寸只能反映兩個(gè)參考面（或者參考線）之間的距離，不反應(yīng)其相對(duì)位置關(guān)系，幾何體B外側(cè)參考面距離幾何體A參考面2 距離為L(zhǎng)0的約束條件，可能存在兩種可行的結(jié)果（見(jiàn)圖3 中幾何體B 和幾何體B′）。因此，若僅利用相對(duì)尺寸驅(qū)動(dòng)BIM 模型則會(huì)引起“二義性”。

圖3 相對(duì)尺寸約束“二義性”Fig.3 Ambiguity of relative dimension constraint

因此，一套依據(jù)笛卡爾空間絕對(duì)坐標(biāo)的尺寸系統(tǒng)對(duì)參數(shù)化有十分重要的意義，可以從x0y 平面及z方向?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行有效約束并驅(qū)動(dòng)。在Revit軟件中，模型在z 方向采用標(biāo)高系統(tǒng)進(jìn)行約束，x0y方向則采用參考平面系統(tǒng)（或者軸網(wǎng)系統(tǒng)、絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)）進(jìn)行約束。

2.3 參數(shù)化模型

目前，Revit 在工程文件級(jí)別的參數(shù)化尚未有成熟的技術(shù)體系。設(shè)計(jì)參數(shù)屬性分散于Revit基礎(chǔ)構(gòu)件單元（Element）的屬性中，如標(biāo)高、墻厚度、板厚度等。為進(jìn)一步貼近設(shè)計(jì)習(xí)慣，根據(jù)構(gòu)筑物設(shè)計(jì)邏輯，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程文件級(jí)別的參變，本文開(kāi)發(fā)了“參數(shù)化設(shè)計(jì)”功能，見(jiàn)圖4。

圖4 “參數(shù)化設(shè)計(jì)”界面Fig.4 ＂Parametric design＂ section

為便于對(duì)多池型、多項(xiàng)目進(jìn)行拓展，“參數(shù)化設(shè)計(jì)”命令支持對(duì)XML 文件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的讀取。XML標(biāo)準(zhǔn)文件見(jiàn)圖5，標(biāo)高、參照平面、族參數(shù)等皆可根據(jù)圖元GUID及必要參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖5 標(biāo)高、 族參數(shù)XML 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)定義Fig.5 XML standardized data definition of elevation and family parameters

排泥池參變BIM模型如圖6 所示，通過(guò)圖4中的“參數(shù)化設(shè)計(jì)”界面輸入?yún)?shù)驅(qū)動(dòng)模型，即可快速更新BIM模型，并實(shí)現(xiàn)平面視圖的聯(lián)動(dòng)、工程量的更新，提高工作效率。

圖6 排泥池參變BIM 模型Fig.6 Parametric BIM model for sludge tank

3 BIM模型與結(jié)構(gòu)分析一體化模式

3.1 基于BIM模型的結(jié)構(gòu)分析模式

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析是BIM三維設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。由于Revit本身沒(méi)有計(jì)算能力，本文借助Robot Structural Analysis Professional進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對(duì)于水池結(jié)構(gòu)，受力構(gòu)件主要為：板、墻、柱、梁，這些標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件信息都能在Revit 與Robot 之間進(jìn)行完整傳遞。Robot 與Revit 之間的有效數(shù)據(jù)傳遞，避免了二次建模。在Revit 的分析模塊中，可直接在BIM 模型的基礎(chǔ)上定義分析模型，并添加邊界條件及荷載工況的定義等。利用Revit與Robot進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及優(yōu)化的工作流程見(jiàn)圖7。

圖7 Revit 與Robot 分析一體化模式Fig.7 Integration mode of Revit and robot analysis

3.2 基于BIM模型的結(jié)構(gòu)分析實(shí)例

某高效沉淀池BIM 模型及結(jié)構(gòu)分析模型如圖8、圖9 所示，定義完分析模型之后即可通過(guò)Robot計(jì)算。

圖8 某高效沉淀池BIM 模型Fig.8 BIM model of an efficient sedimentation tank

Robot三維計(jì)算模型、沉淀區(qū)中板單格滿(mǎn)水工況有限元計(jì)算結(jié)果分別如圖10、圖11所示。Robot計(jì)算結(jié)果能為受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且優(yōu)化后的BIM模型也能及時(shí)更新到Robot。

圖9 某高效沉淀池結(jié)構(gòu)分析模型Fig.9 Structural analysis model of a high efficiency sedimentation tank

圖10 三維分析模型（Robot）Fig.10 3D analytical model（robot）

圖11 單格滿(mǎn)水工況中層板計(jì)算結(jié)果（Robot）Fig.11 Calculation results of laminates under single cell full water condition（robot）

4 BIM工程制圖方法

在當(dāng)前的環(huán)境下，受積累多年的作業(yè)體系、成果管理方法以及既有成果格式的影響，從業(yè)者尚不能完全脫離CAD 二維設(shè)計(jì)環(huán)境。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，將保持著二維設(shè)計(jì)環(huán)境與三維設(shè)計(jì)環(huán)境并存的情況。多作業(yè)環(huán)境的工作模式將對(duì)成果的組合形式帶來(lái)變化。另一方面，設(shè)計(jì)的過(guò)程是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，二維、三維成果的動(dòng)態(tài)一致性也需要得到保證。為便于設(shè)計(jì)過(guò)程中成果的動(dòng)態(tài)整理，宜將Revit導(dǎo)出的圖紙作為“外部參照”鏈接到總體圖紙文件中，便于在CAD 文件中添加電子簽章等內(nèi)容。BIM制圖流程如圖12 所示。

圖12 BIM 模型制圖處理流程Fig.12 BIM model drawing process

由于BIM模型制圖與二維制圖的邏輯不同，需要對(duì)各圖紙類(lèi)型中的不同類(lèi)型圖元進(jìn)行分別定義，如平面布置圖中的構(gòu)件可見(jiàn)線及隱藏線設(shè)置、平剖圖中的構(gòu)件截面線設(shè)置等。在水池結(jié)構(gòu)圖紙中，圖紙類(lèi)型主要有：平面布置圖、平剖布置圖、剖面圖、鋼筋圖以及詳圖。由于各圖紙類(lèi)型制圖標(biāo)準(zhǔn)大致相同，宜將各圖紙類(lèi)型中的視圖樣式分別定義為視圖樣板，以便快速運(yùn)用于不同項(xiàng)目中。Revit中的導(dǎo)出樣式與視圖樣式并不相同，因此導(dǎo)出時(shí)宜采用圖紙樣式作為導(dǎo)出樣式，以實(shí)現(xiàn)CAD 圖紙樣式與Revit視圖樣式的匹配，避免多作業(yè)環(huán)境的工作模式帶來(lái)的影響。

除了圖紙線條樣式的標(biāo)準(zhǔn)，BIM 工程設(shè)計(jì)及圖紙成果還應(yīng)滿(mǎn)足圖層、標(biāo)注樣式、文字樣式等各方面的標(biāo)準(zhǔn)。本文開(kāi)發(fā)了圖紙?zhí)幚沓绦?，根?jù)圖形屬性進(jìn)行處理，如創(chuàng)建圖層、根據(jù)線型調(diào)整圖層、根據(jù)線寬調(diào)整圖層、調(diào)整文字樣式、調(diào)整標(biāo)注樣式等，部分圖形處理代碼以及處理后的圖紙分別如圖13、圖14 所示。

圖13 圖形處理邏輯Fig.13 Graphic processing logic

圖14 更新后的CAD 圖紙F(tuán)ig.14 Updated CAD drawings

5 結(jié)論

本文基于BIM技術(shù)具有參變性、模擬性、可出圖性的特點(diǎn)，選用Revit 作為研究平臺(tái)，重點(diǎn)探討了BIM技術(shù)在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用方式。本文結(jié)合水池結(jié)構(gòu)模型主要構(gòu)件為板、墻、人孔、集水坑等構(gòu)件的特點(diǎn)，提出了可拓展的構(gòu)筑物參數(shù)化設(shè)計(jì)框架；結(jié)合水池板墻等受力構(gòu)件可在Robot 與Revit 之間完整傳遞的特點(diǎn)，提出了基于BIM的水池結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化流程；并提出了BIM工程制圖方法，最終明確了基于BIM 的水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析制圖一體化解決方案。本文提出的解決方案，能利用BIM的參變性快速建立常規(guī)水池結(jié)構(gòu)BIM 模型提高了建模效率，能利用BIM的模擬性進(jìn)行分析研究保證了BIM模型與水池分析模型的一致性，能利用BIM的可出圖性進(jìn)行BIM制圖并使其符合二維制圖的標(biāo)準(zhǔn)。該解決方案明確了BIM技術(shù)在常規(guī)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作業(yè)模式，解決了BIM建模效率低、BIM模型與分析模型獨(dú)立、BIM出圖常不符合企業(yè)二維制圖要求等問(wèn)題，提高了BIM三維設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)為其他工程中的結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)BIM 三維設(shè)計(jì)提供了參考。