基于Autodesk平臺的地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)族建立研究

劉曹宇

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作為數(shù)字化信息集成的載體，貫穿于建筑全壽命周期的各個階段，指導(dǎo)建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及運(yùn)營管理［1-3］。近年來，對于BIM技術(shù)在地鐵車站中的應(yīng)用不少學(xué)者作出了相應(yīng)研究［4-5］，而對于地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容，研究文獻(xiàn)較少。一些學(xué)者研究了BIM技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用。鐘宇［6］基于統(tǒng)一的IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息模型實現(xiàn)了地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型建模的自動化。劉星［7］研究開發(fā)了一種基于BIM技術(shù)的基坑微變形監(jiān)控系統(tǒng)，可對地鐵車站基坑支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行三維展示，快速查看相應(yīng)構(gòu)件。常見的地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含地連墻、放坡、土釘墻、錨桿、樁、鋼支撐、冠梁、鋼圍檁、連系梁、臨時立柱等。近年來，國內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的BIM建模及應(yīng)用工作發(fā)展緩慢，建立的族主要有地連墻、冠梁、錨桿、樁等簡單的構(gòu)件，而對于鋼支撐、鋼圍檁等復(fù)雜構(gòu)件，沒有相應(yīng)的BIM建族及研究工作。由于缺乏關(guān)鍵構(gòu)件族，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面的BIM應(yīng)用，如工程量統(tǒng)計、出圖等尚未有相關(guān)研究成果。

本文以西安地鐵9號線（臨潼線）芷陽廣場站為工程背景，采用參數(shù)化BIM技術(shù)建立了一系列地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)族，應(yīng)用圍護(hù)族建立了車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)BIM應(yīng)用。

1 地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)建族系統(tǒng)

1.1 軟件平臺

Revit是美國Autodesk公司一套系列軟件的名稱。在目前國內(nèi)建筑市場核心建模軟件中Revit的市場占有率最高，全球通用性最強(qiáng)，歐特克旗下多款軟件與Revit數(shù)據(jù)交互性較強(qiáng)。“族”指的是一類可輸入要改變的尺寸、形狀信息即可控制形狀改變的參數(shù)化構(gòu)件。相比于其他BIM軟件，Revit軟件有著強(qiáng)大的參數(shù)化建族功能，建立好的族可重復(fù)使用，且可導(dǎo)入其他BIM軟件，有著極其廣大的應(yīng)用前景。

1.2 參數(shù)化BIM技術(shù)建族方案

地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)族主要包括參數(shù)化鋼圍檁、參數(shù)化連系梁、參數(shù)化臨時立柱、參數(shù)化鋼支撐固定措施、參數(shù)化鋼支撐族。Revit軟件中的車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The building envelope model of the station

建族過程中遇到大量技術(shù)問題，主要包括構(gòu)件的零件建族基礎(chǔ)、零件約束方式、零件分類、零件建立、零件嵌套、零件位置參數(shù)化控制問題。

具體建族的過程中進(jìn)行了大量的技術(shù)方案比選，比選過程如圖2所示。其中打√的方案為最終應(yīng)用方案，沒有√的方案為比選方案。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)建族方案比選Fig.2 Comparison and selection of building group schemes for envelope structures

Revit中的“組”和CAD中的“塊”是相同的意思?！敖ńM約束”指的是將部分可以合為一體的構(gòu)件建為一體，用以約束使各個構(gòu)件在空間上的相對位置保持一致不變。如鋼支撐的活動端頭、固定端頭分別為一組，其后和直徑609 mm鋼管組裝在一起。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，用組約束便捷可行、邏輯簡單。應(yīng)用軟件建族的過程中使用了大量建組約束的功能。鋼支撐、鋼支撐固定措施、臨時立柱可通過拉伸和標(biāo)注參數(shù)化功能建模。鋼圍檁、連系梁在此基礎(chǔ)上還需采用參數(shù)化陣列的建族功能。圖3所示的“鋼支撐固定端頭組”即為建組約束而后成為一體的構(gòu)件。

圖3 鋼支撐固定端頭組Fig.3 Fixed end group supported by steel

“合并建?！敝傅氖菍?gòu)件中可陣列的加勁肋、綴板與工字鋼（H型鋼）合并建模為一個族?！胺珠_建模”指的是構(gòu)件中可陣列的加勁肋、綴板建為一個族，工字鋼（H型鋼）建為一個族，兩個族分開建模。經(jīng)過試驗，采用合并建模得到的族使用起來更加簡便易行且鋼圍檁各個構(gòu)件間的相對定位始終保持準(zhǔn)確一致。

“畫工字鋼形狀建模”指的是雙擊已有工字鋼出現(xiàn)洋紅色輪廓線，刪除輪廓線，從零開始繪制新的工字鋼輪廓線?！癈AD導(dǎo)入工字鋼形狀建?！敝傅氖翘崆版溄尤胄鹿ぷ咒摰腃AD輪廓，出現(xiàn)洋紅色輪廓線后，刪除舊輪廓線，采用拾取線命令拾取新輪廓，而后生成新工字鋼。經(jīng)過試驗，采用拾取線更加簡便易行且可以與施工圖中的構(gòu)件形狀保持完全一致，避免錯誤。鋼圍檁建族關(guān)鍵步驟如圖4所示。

圖4 鋼圍檁建族步驟Fig.4 Building steps of steel enclosing purlin

“工字鋼嵌套入加勁肋、綴板族”指的是建立好加勁肋、綴板族后，在其中插入工字鋼族，成為一體。“加勁肋、綴板族嵌套入工字鋼族”指的是建立好工字鋼族后，將加勁肋、綴板族模型嵌套入工字鋼族，成為一體后再修改模型。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，采用第一種方法會造成項目中的圍護(hù)構(gòu)件無法采用拖曳的形式生成，構(gòu)件失去了工字鋼本身可以拖曳延伸的屬性；采用第二種方法后，構(gòu)件很好地繼承了工字鋼可以拖曳延伸的屬性，是一種可行的方法。

“端頭連系梁與立柱分開建?！敝傅氖嵌祟^連系梁為一組，臨時立柱為一組，分開建模?！昂喜⒔！敝傅氖嵌祟^連系梁與臨時立柱為一體一起建模。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)端頭連系梁和臨時立柱合并一起建模，利于其在項目中的相對定位的準(zhǔn)確性，合并建模得到的構(gòu)件更加簡單易用。端頭連系梁模型如圖5所示。

圖5 端頭連系梁模型Fig.5 End connecting beam model

建立端頭連系梁時需要建立斜板?！靶D(zhuǎn)參考平面建斜板”指的是在立面上建立一個斜的參考平面作為斜板的建立面，而后選擇斜的參考平面，在上面建立鋼板。“旋轉(zhuǎn)構(gòu)件建斜板”指的是建立鋼板后旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。經(jīng)過試驗，在Revit軟件下，只能在其參考平面所屬平面上旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，無法脫離一個平面旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，第二種方法技術(shù)上不可行，第一種方法是一種簡單易行的方法。斜板的建立如圖6所示。

圖6 斜板的建立Fig.6 Establishment of inclined plates

參照標(biāo)高是族的基準(zhǔn)參照標(biāo)高，即插入項目中使用的基準(zhǔn)面?！皡⒄諛?biāo)高控制端頭連系梁高度”指的是采用標(biāo)注參照標(biāo)高與端頭連系梁距離的方法控制端頭連系梁在豎直方向的高度。“槽鋼柱頂控制端頭連系梁高度”指的是標(biāo)注槽鋼頂與端頭連系梁的距離，而后控制端頭連系梁高度。經(jīng)過試驗：由于槽鋼柱頂有諸多約束，標(biāo)注時會產(chǎn)生過約束，無法參數(shù)化控制距離，第二種方法技術(shù)不可行，最終采用標(biāo)注參照標(biāo)高與端頭連系梁豎向距離的方式控制端頭連系梁在豎向的位置。

下載U形螺栓族，輸入相應(yīng)參數(shù)，更改尺寸，建立符合工程實際的U形螺栓。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充可得到鋼支撐固定措施族。

1.3 鋼圍檁建族過程及應(yīng)用

通過拉伸命令在一個族文件中建立普通熱軋45c工字鋼，在工字鋼背面上通過拉伸命令建立通長鋼板。通過拉伸命令在另外一個族文件中建立內(nèi)外肋板、鋼綴板。將內(nèi)外肋板、鋼綴板族嵌套入普通熱軋45c工字鋼族文件中，通過一連串約束條件約束內(nèi)外肋板、鋼綴板及工字鋼的相對關(guān)系。使用陣列命令陣列內(nèi)外肋板、鋼綴板，并給與陣列命令添加參數(shù)，即內(nèi)外肋板及鋼綴板個數(shù)=（長度-內(nèi)外肋板及鋼綴板間距）/內(nèi)外肋板及鋼綴板間距。在類型屬性欄輸入綴板間距，可控制綴板、加勁肋的間距。輸入各構(gòu)件尺寸，構(gòu)件彈性模量、泊松比、切變模量、密度、抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等信息，最終形成參數(shù)化鋼圍檁模型。

在建立的族界面，可見性/圖形替換選項卡中，選擇取消所有構(gòu)件在平面/天花板平面視圖中的可見性。在族界面的平面視圖中使用遮罩選項遮住所有三維構(gòu)件，鎖定遮罩區(qū)域與三維構(gòu)件四邊為一體。在平面視圖中使用和二維CAD圖紙一樣的線型及其顏色繪制圖例線，并鎖定圖例線的長度和位置為與三維構(gòu)件一致。

在項目瀏覽器中搜索參數(shù)化鋼圍檁族，并在合適位置單擊鼠標(biāo)左鍵并由左至右移動，即可生成鋼圍檁，在鋼圍檁屬性欄中輸入?yún)?shù)，可以控制鋼圍檁細(xì)部構(gòu)件尺寸及物理上的材料參數(shù)。鋼圍檁族的三維模型和二維平面顯示如圖7所示。

圖7 參數(shù)化鋼圍檁模型Fig.7 Parameterized steel enclosing purlin model

1.4 連系梁建族過程及應(yīng)用

連系梁的建族過程及應(yīng)用方法與鋼圍檁類似，連系梁模型及其二維平面顯示如圖8所示。

圖8 參數(shù)化連系梁模型Fig.8 Parametric connecting beam model

1.5 臨時立柱建族過程及應(yīng)用

通過拉伸命令在一個族文件中建立端頭連系梁構(gòu)件，鎖定端頭連系梁構(gòu)件并將此構(gòu)件建立為一個模型組。在另一個族文件中建立槽鋼及通長鋼板模型。將端頭連系梁族載入槽鋼及通長鋼板模型族中，將端頭連系梁距槽鋼頂部參考平面的距離標(biāo)注并將標(biāo)注參數(shù)化即可控制端頭連系梁在豎向的高度位置。輸入各構(gòu)件尺寸、構(gòu)件機(jī)械及材料性能，最終形成參數(shù)化臨時立柱族。

在建立的族界面中，設(shè)置可見性/圖形替換選項卡，應(yīng)用遮罩和圖例線。最終可設(shè)置好臨時立柱族的平面顯示形式。

在項目瀏覽器中搜索參數(shù)化臨時立柱族，并在合適位置單擊鼠標(biāo)左鍵并由上至下移動，即可生成臨時立柱。實例屬性中輸入?yún)?shù)可更改臨時立柱構(gòu)件尺寸，臨時立柱族的三維模型和二維平面顯示如圖9所示。

圖9 參數(shù)化臨時立柱模型Fig.9 Parameterized temporary column model

1.6 鋼支撐建族過程及應(yīng)用

通過放樣命令建立直徑609 mm鋼管、活動端頭、固定端頭。將鋼支撐管長標(biāo)注并參數(shù)化。輸入各構(gòu)件尺寸、構(gòu)件機(jī)械及材料性能，最終形成參數(shù)化鋼支撐族。

在建立的族界面中，設(shè)置可見性/圖形替換選項卡，應(yīng)用遮罩和圖例線。最終可設(shè)置好鋼支撐族的平面顯示形式。

在項目瀏覽器中搜索鋼支撐族，并在合適位置放置，調(diào)整鋼支撐長度即可生成合適的鋼支撐，在鋼支撐族文件中修改即可更改鋼支撐鋼管直徑，在鋼支撐屬性欄中可修改鋼支撐物理上的材料參數(shù)。鋼支撐族的三維模型和二維平面顯示形式如圖10所示。

圖10 參數(shù)化鋼支撐模型Fig.10 Parametric steel support model

1.7 鋼支撐固定措施建族過程及應(yīng)用

通過放樣命令建立U型卡箍，通過拉伸命令建立螺栓、矩形鋼板、三角鋼板、橡膠墊，標(biāo)注構(gòu)件尺寸并將構(gòu)件尺寸參數(shù)化。輸入各構(gòu)件尺寸、構(gòu)件機(jī)械及材料性能，最終形成參數(shù)化鋼支撐固定措施族。將鋼支撐固定措施族嵌套入基于面的公制常規(guī)族中形成新的鋼支撐固定措施族，以便于固定措施族方便的捕捉到連系梁表面上。在項目瀏覽器中搜索參數(shù)化鋼支撐固定措施構(gòu)件族，并在合適位置放置，即可生成鋼支撐固定措施構(gòu)件，在鋼支撐固定措施構(gòu)件屬性欄中輸入?yún)?shù)，可以控制鋼支撐固定措施構(gòu)件細(xì)部構(gòu)件尺寸及物理上的材料參數(shù)。鋼支撐固定措施族如圖11所示。

圖11 鋼支撐固定措施模型Fig.11 Model of fixed measures with steel support

2 BIM應(yīng)用研究

2.1 工程量生成

在明細(xì)表中選擇常規(guī)模型，輸出族、體積兩個關(guān)鍵詞可依次得到臨時立柱、鋼支撐、鋼支撐固定措施的工程量。具體工程量如表1所示。

表1 常規(guī)模型明細(xì)表Table 1 List of general models

在明細(xì)表中選擇結(jié)構(gòu)框架選項卡，輸出族、注釋記號、體積三個關(guān)鍵詞，且在過濾器中選擇過濾注釋記號為鋼圍檁+連系梁，最終得到鋼圍檁、連系梁的工程量。具體工程量如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)框架明細(xì)表Table 2 List of structural frames

2.2 圖紙輸出

將圍護(hù)族載入項目中建立圍護(hù)模型，平面視圖中各個構(gòu)件會自動顯示為符合二維制圖習(xí)慣的線型和圖案。在平面圖中，隱藏全體鋼支撐固定措施構(gòu)件，應(yīng)用Revit圖框族后，生成圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖紙，在圖紙上添加相應(yīng)標(biāo)注后，完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖。圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖紙如圖12所示。

圖12 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.12 Layout of the envelope

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

通過實際應(yīng)用、測量和理論計算分析結(jié)果，采用Revit軟件建立地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)族是可行的。生成的三維模型可以進(jìn)行三維模型展示，一鍵出圖、算量，對于工程量的估算、控制是有效的；圍護(hù)結(jié)構(gòu)建模時無需學(xué)習(xí)，新手即可達(dá)到和二維設(shè)計時一樣的速度，對于節(jié)省BIM設(shè)計時間是有效的。對于西安地鐵9號線（臨潼線）BIM技術(shù)應(yīng)用具有很大的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

通過西安地鐵9號線（臨潼線）全線、全專業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用。建立了地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)BIM族并進(jìn)行了工程量及出圖應(yīng)用。本次BIM應(yīng)用研究為國內(nèi)首次地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的BIM正向設(shè)計研究，可以圖模聯(lián)動，節(jié)省BIM設(shè)計時間。為建立更符合地鐵車站BIM設(shè)計的多專業(yè)協(xié)同合作平臺提供了依據(jù)，為以后地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)BIM技術(shù)應(yīng)用與推廣打下了良好的基礎(chǔ)。