基于BIM的中低速磁浮土建構(gòu)件管理平臺開發(fā)

裴彥飛，蘇 芮，蘇 謙，2

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

引言

BIM理念自從被提出以來，就不斷地在改變傳統(tǒng)的設(shè)計、施工及建設(shè)管理方法，使之逐漸向信息化、精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展[1-3]。要實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在建筑全生命周期中的應(yīng)用，其核心是建立兼帶幾何信息和非幾何信息的三維模型，而設(shè)計階段作為整個BIM全生命周期的源頭，在其中起著至關(guān)重要的作用。在設(shè)計階段，設(shè)計人員使用BIM技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)，是希望能夠借助其可視化、易協(xié)同、實(shí)時模擬等優(yōu)勢，更加高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地完成設(shè)計工作，與此同時，三維模型也會伴隨設(shè)計工作的完成而被建立出來。然而，當(dāng)前BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀卻與其大相徑庭，在國內(nèi)外眾多設(shè)計院所，設(shè)計人員仍先完成傳統(tǒng)的二維設(shè)計，再依托二維設(shè)計成果翻建三維模型，逆向檢查設(shè)計成果，這便是傳統(tǒng)意義上的“逆向設(shè)計”。這樣做雖然在一定程度上解決了設(shè)計偏差問題，但無法做到在設(shè)計過程中避免差錯的產(chǎn)生[4-6]，降低了BIM模型的應(yīng)用價值，同時給設(shè)計單位增加了大量的額外工作量，在源頭上阻礙了BIM的發(fā)展。當(dāng)今，BIM的發(fā)展趨勢便是從源頭解決設(shè)計、施工及工程全生命周期應(yīng)用的問題，而采用基于BIM的正向設(shè)計，根據(jù)實(shí)際的工程工況，選用合理的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，設(shè)計人員在初步設(shè)計時就可建立三維模型，并且該三維模型可直接用于可視化交底[6-8]、與結(jié)構(gòu)計算模型同步優(yōu)化、工程概況分析等，再經(jīng)深化設(shè)計變更后，真正應(yīng)用于工程施工指導(dǎo)及后期運(yùn)營維護(hù)[9-12]，達(dá)到了“數(shù)據(jù)流通，一模多用”的效果，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。

當(dāng)前BIM技術(shù)已不僅作為便于三維可視化的空間幾何模型，BIM相關(guān)聯(lián)的數(shù)字孿生理念，使得建筑信息模型需貫穿建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期，因此，多維BIM的概念應(yīng)運(yùn)而生。在三維的基礎(chǔ)上，加入時間、成本、施工管理、監(jiān)測預(yù)警、多源數(shù)據(jù)驅(qū)動運(yùn)維等多屬性的全過程綜合信息載體，其強(qiáng)大的空間信息能力，對其他維度(如經(jīng)濟(jì)類信息、過程類信息等)信息具有非常友好的載負(fù)和關(guān)聯(lián)特征，具有強(qiáng)參數(shù)化特性。其次，BIM需構(gòu)建良好的自循環(huán)生態(tài)，眾多平臺均提供用戶供其自主開發(fā)的友好接口，利用BIM的諸多優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)中低速磁懸浮線下結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫信息管理平臺的初步搭建和應(yīng)用[13-15]。而中低速磁浮作為當(dāng)前城市軌道交通的代表，具有環(huán)保、安全性高、建設(shè)成本低等特點(diǎn)，具有很高的推廣價值。但目前其土建設(shè)施的設(shè)計成果仍以二維形式呈現(xiàn)，對于復(fù)雜的磁浮實(shí)體結(jié)構(gòu)，這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法達(dá)到“所想即所得”的設(shè)計效果，同時對于線路結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)共享和成本管控，影響中低速磁浮的推廣，增加了溝通成本。

因此，依托BIM技術(shù)建立的磁浮線路模型，通過開發(fā)構(gòu)件庫信息管理[12，16]平臺，提取工程項(xiàng)目中的構(gòu)件信息，建立構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計庫和相關(guān)工程附屬信息管理平臺，初步探索結(jié)合BIM的中低速磁浮土建設(shè)計方法。研究實(shí)踐表明，構(gòu)件管理平臺的建立從一定程度上擺脫了繁瑣的設(shè)計圖紙，可以快速查找相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)資料和構(gòu)件信息。因此，有必要研究正向設(shè)計理念在中低速磁浮土建結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用，以期推動中低速磁懸浮土建設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展。

1 正向設(shè)計中的關(guān)鍵問題

1.1 BIM軟件選擇

與建筑工程[8，10]相比，中低速磁浮工程具有專業(yè)多、線路長、體量大等特點(diǎn)。選擇何種BIM軟件，完成設(shè)計流程，提高設(shè)計效率就顯得尤為重要。目前，市場上大量的BIM行業(yè)公司均非專門從事軌道交通行業(yè)的軟件商開發(fā)軟件?，F(xiàn)階段各個軟件公司所提供的產(chǎn)品都不能很好地適用于中低速磁懸浮工程。由于設(shè)計者考慮到磁浮構(gòu)件實(shí)體復(fù)雜，且工程終身責(zé)任制就要求所有構(gòu)件的附屬信息清楚明白等，要求模型附屬信息添加方軟件方便靈活，參數(shù)化能力強(qiáng)、協(xié)同設(shè)計便捷等特點(diǎn)[17-19]和模型數(shù)據(jù)交互的需要，同時由于設(shè)計者習(xí)慣了使用歐特克公司的CAD系列軟件，而Revit軟件同為該公司系列軟件，具有相似的操作方式，容易上手。其特點(diǎn)恰為構(gòu)件定義編輯性強(qiáng)，故選取Revit軟件作為建模平臺，進(jìn)行中低速磁浮土建構(gòu)件庫BIM正向設(shè)計研究。

1.2 BIM正向設(shè)計族構(gòu)件庫

構(gòu)件是BIM中的重要概念，構(gòu)件數(shù)據(jù)信息是跨模型、跨項(xiàng)目的，一個完整線路模型[13-15]涉及各專業(yè)的構(gòu)件，其數(shù)量和類型均是極其龐大，因此，對BIM數(shù)據(jù)信息進(jìn)行妥善的管理，僅僅依靠建模軟件是不行的，為滿足當(dāng)下新基建的快速發(fā)展和工程的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，就要求務(wù)必提高構(gòu)件的通用性。

在普通二維設(shè)計中，在得到基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對工程建筑物的體量、涉及的土建專業(yè)進(jìn)行分析后，此線路中的基本結(jié)構(gòu)也即確定(橋梁、隧道、路基)，基于以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，通過基本建筑物的拼裝，可以得到初步設(shè)計。在實(shí)施設(shè)計中，就涉及到較多的重復(fù)性工作，BIM對工程設(shè)計的促進(jìn)作用也僅停留在最終的翻模、碰撞檢查階段。長此以往的設(shè)計模式，正向設(shè)計便無著手之處。

Revit軟件的主要功能是在三維模型環(huán)境中，利用Revit族構(gòu)件搭建可視化三維模型。在BIM正向設(shè)計中，關(guān)鍵是建立相關(guān)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化構(gòu)件，通過相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)積累，構(gòu)建自己的相關(guān)族庫，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計過程中直接調(diào)用構(gòu)件來完成快速設(shè)計[20-21]，逐步建立三維BIM模型。目前，中低速磁浮土建設(shè)施構(gòu)件均趨于“標(biāo)準(zhǔn)化”，大部分構(gòu)件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制和現(xiàn)場拼裝。因此，實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計在中低速磁浮土建設(shè)施設(shè)計中的應(yīng)用，必須創(chuàng)建中低速磁浮參數(shù)化族構(gòu)件庫。為達(dá)到正向設(shè)計時對構(gòu)件的快速查找與調(diào)用，以及通過參數(shù)驅(qū)動變換構(gòu)件的尺寸、材質(zhì)等，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，解決平面設(shè)計中重復(fù)性、不可視性，協(xié)同性差等弊端。因此，開發(fā)構(gòu)件管理平臺，提取各類族構(gòu)件的信息、導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，來簡化設(shè)計流程很有必要，由此建立標(biāo)準(zhǔn)族構(gòu)件設(shè)計庫。

2 中低速磁浮土建構(gòu)件庫創(chuàng)建

對于磁浮線下結(jié)構(gòu)構(gòu)件，根據(jù)設(shè)計要求，完成相應(yīng)部件的參數(shù)化模型來組裝構(gòu)件庫，其建立基于Revit平臺參數(shù)化建模[18]實(shí)現(xiàn)。首先，實(shí)現(xiàn)二維輪廓參數(shù)化；然后，由二維輪廓通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合、放樣等方法形成簡單參數(shù)化構(gòu)件；再對簡單構(gòu)件進(jìn)行交并差、組合、陣列等操作以形成復(fù)雜構(gòu)件或組件，或利用dynamo等可視化編程手段批量完成復(fù)雜磁浮土建構(gòu)件的建立。

2.1 參數(shù)化構(gòu)件分類

構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化決定了模型的精細(xì)程度，對工程結(jié)構(gòu)物的精確性影響較大?；谀Ｐ偷木庉媽傩裕瑥腂IM模型的角度對構(gòu)件進(jìn)行合理分類，同時依托中低速磁懸浮土建設(shè)施各部分構(gòu)件的特點(diǎn)，將這些土建構(gòu)件劃分為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和自定義構(gòu)件兩大類。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件是指構(gòu)件的幾何尺寸不受外部環(huán)境影響，在不同項(xiàng)目中應(yīng)用功能相同的構(gòu)件。這類構(gòu)件一般是結(jié)構(gòu)的附屬部分或起連接、緩沖、導(dǎo)向等作用的構(gòu)件，比如磁浮軌道結(jié)構(gòu)中的各類墊板、F形鋼等，見圖1(a)。自定義構(gòu)件是指構(gòu)件的幾何尺寸可變、受外部環(huán)境影響、在不同項(xiàng)目中結(jié)構(gòu)體量變化的構(gòu)件。這類構(gòu)件一般是磁浮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分，是結(jié)構(gòu)承受大部分荷載的主體，比如承軌臺、軌道梁等，見圖1(b)。

圖1 構(gòu)件示意

2.2 Revit族樣板設(shè)置和二維輪廓參數(shù)化

在創(chuàng)建構(gòu)件之前，根據(jù)構(gòu)件的應(yīng)用屬性和背景，首先選擇相應(yīng)的族樣板，依托不同的樣板文件，設(shè)置一系列的參照平面并標(biāo)注關(guān)鍵部分的尺寸，方便后續(xù)的尺寸調(diào)整；選擇構(gòu)件的插入點(diǎn)，繪制構(gòu)件的外形輪廓并將其與之前的參照平面相關(guān)聯(lián)，使構(gòu)件的尺寸可由參數(shù)驅(qū)動；最后，統(tǒng)一設(shè)置全局的族類別和相關(guān)的族參數(shù)。

2.3 構(gòu)件模型創(chuàng)建與構(gòu)件屬性設(shè)置

對構(gòu)件進(jìn)行建模時，在其二維輪廓的基礎(chǔ)上通過Revit的拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)等布爾運(yùn)算命令建立構(gòu)件的三維模型。對不同類型的構(gòu)件設(shè)置不同的關(guān)鍵控制參數(shù)，并且在創(chuàng)建的過程中，對細(xì)部尺寸處理尤為重要。

構(gòu)件三維模型建立完成后需對構(gòu)件屬性進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)件屬性[20]包括幾何屬性和非幾何屬性，要保證各幾何屬性能夠呈現(xiàn)出來，檢查無誤才能繼續(xù)添加非幾何屬性。構(gòu)件的非幾何屬性包括材質(zhì)、生產(chǎn)商、成本等。在構(gòu)件屬性框的材質(zhì)欄中添加材質(zhì)，便可在族類型中自定義修改材質(zhì)，構(gòu)件的非幾何屬性創(chuàng)建后檢查無誤保存。利用Revit創(chuàng)建的中低速磁浮土建模型見圖 2。

圖2 中低速磁浮土建BIM模型示意

3 族構(gòu)件管理平臺開發(fā)

整個中低速磁浮土建正向設(shè)計實(shí)施過程中，需要用到的族構(gòu)件類型較多。相關(guān)項(xiàng)目的“經(jīng)驗(yàn)構(gòu)件”在建設(shè)縱向傳遞困難，在各個不同設(shè)計平臺間橫向傳遞更是難以實(shí)現(xiàn)，對大型建模軟件的依賴性又很高，因此，族構(gòu)件的集中式管理和參數(shù)共享顯得更加重要。在正確創(chuàng)建模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對族構(gòu)件有序管理、快速檢索、高效調(diào)用、數(shù)據(jù)共享在正向設(shè)計流程中頗為關(guān)鍵。

Revit中構(gòu)件自帶信息眾多，需進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)篩選才可進(jìn)行管理，基于API對Revit進(jìn)行二次開發(fā)便成為關(guān)鍵。此過程中需自定義Server接口實(shí)現(xiàn)引入外部程序進(jìn)行控制，并設(shè)計算法提取需要的數(shù)據(jù)。將篩選出的數(shù)據(jù)通過接口導(dǎo)入SQL數(shù)據(jù)庫，再通過平臺顯示在界面上。此方式可實(shí)現(xiàn)對眾多構(gòu)件“精準(zhǔn)”“簡便”地抓取并進(jìn)行輕量化管理，為正向設(shè)計后續(xù)過程提供必要的基礎(chǔ)。

3.1 開發(fā)流程

在進(jìn)行二次開發(fā)前，需對開發(fā)環(huán)境進(jìn)行配置。AUTODESK開放了Revit SDK服務(wù)，以便用戶可以自由對Revit進(jìn)行二次開發(fā)。

外部服務(wù)框架(External Service Framework)主要是Revit用來把一部分功能委托給外部程序來完成，從Revit中提取構(gòu)件信息是基于外部服務(wù)框架之上的，通過定義Server接口，引用RevitAPIUI.dll和RevitAPI.dll，讓外部程序?qū)崿F(xiàn)并注冊。外部程序需建立類庫并使用NET.4.5.2框架下的特殊C#語言，通過外部命令(External Command)，設(shè)計自適應(yīng)性查詢算法，對Revit庫中構(gòu)件信息進(jìn)行提取。然后利用MySQL數(shù)據(jù)庫軟件創(chuàng)建符合國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的數(shù)據(jù)庫。為使用方便，基于外部應(yīng)用(External Application)添加一個Ribbon至Revit界面，整合外部命令，實(shí)現(xiàn)一鍵提取項(xiàng)目中構(gòu)件的名稱、尺寸等信息，并與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，生成構(gòu)件的基本信息，通過修改構(gòu)件參數(shù)實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的調(diào)用、修改及后期維護(hù)，同時生成族構(gòu)件庫。

基于Visual Studio C#編譯windows窗口程序—構(gòu)件信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫連接，對構(gòu)件信息進(jìn)行管理，管理平臺設(shè)計的實(shí)施流程見圖 3。

圖3 構(gòu)件管理平臺執(zhí)行流程

3.2 管理平臺主要模塊

構(gòu)件經(jīng)過在revit中開發(fā)插件提取信息后，需將各類屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，首先要進(jìn)行的是與數(shù)據(jù)庫連接。將提取的構(gòu)件信息以固定的格式存儲在數(shù)據(jù)庫中，在C#windows程序中通過sqlserver語句實(shí)例化類對象，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理，包括信息的查找、編輯、刪除、添加等基本功能的實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，設(shè)置的6個數(shù)據(jù)庫構(gòu)件屬性，導(dǎo)入存儲后對應(yīng)于某個構(gòu)件在BIM模型中的6個不同性質(zhì)的信息，例如構(gòu)件名、體積、材料等。

圖4 數(shù)據(jù)庫構(gòu)件屬性

管理平臺的初步功能包括以下7個子模塊，依次從Revit中讀取構(gòu)件的信息、數(shù)據(jù)庫連接、到整個項(xiàng)目的成本計算等7個流程。圖 5為構(gòu)件管理平臺的操作主界面，信息管理平臺全過程的主要操作功能如下。

圖5 構(gòu)件管理平臺主界面

(1)一鍵讀?。簩evit中打開的構(gòu)件信息進(jìn)行一鍵讀取，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

(2)用戶登錄：登陸管理平臺，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的對接。

(3)信息查詢：對數(shù)據(jù)庫中存入的構(gòu)件信息進(jìn)行查詢，可通過構(gòu)建名和構(gòu)件編號來進(jìn)行檢索。

(4)新建信息：可手動進(jìn)行添加構(gòu)件信息，包括構(gòu)件名稱，構(gòu)件編號，材料等數(shù)據(jù)。

(5)修改信息：對信息中的個別信息進(jìn)行修改。

(6)刪除信息：對無用信息進(jìn)行刪除，也可以進(jìn)行批量刪除。

(7)成本計算：通過對某構(gòu)件自身成本的輸入，計算該項(xiàng)目的總造價。

4 結(jié)論

針對當(dāng)前BIM在城市軌道交通設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用多數(shù)停留在效率低下的翻模階段，不同模型數(shù)據(jù)之間形成壁壘和孤島，形成數(shù)據(jù)傳輸上的堵塞結(jié)點(diǎn)，使模型的利用率降低，為促進(jìn)中低速磁懸浮土建設(shè)計方式的變革，疏通數(shù)據(jù)傳輸管道，避免因繁瑣的實(shí)施過程而限制其在應(yīng)用中的推廣和創(chuàng)新。通過基于BIM正向設(shè)計理念的構(gòu)件管理措施，對其在中低速磁浮土建設(shè)計中進(jìn)行了數(shù)據(jù)整合和導(dǎo)通探索研究，主要結(jié)論如下。

(1)集成中低速磁浮線下土建構(gòu)件信息和開發(fā)構(gòu)件信息管理平臺，初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計過程中各類“資源”的合理配置，打破傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)屏障效應(yīng)，簡化了設(shè)計流程中的幾何與非幾何數(shù)據(jù)歸類，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在全方位的應(yīng)用傳遞。

(2)基于Autodesk平臺開發(fā)中低速磁浮模型構(gòu)件信息提取插件并建立各類型數(shù)據(jù)的存儲庫，實(shí)現(xiàn)了磁浮線下構(gòu)件數(shù)據(jù)在建筑物全生命周期內(nèi)的流通，成為建筑物的終身屬性，相應(yīng)工程責(zé)任準(zhǔn)確至單位人的規(guī)則，又在一定程度上保證了結(jié)構(gòu)物在施工階段的安全可靠性和后期養(yǎng)護(hù)維修的便捷性。

(3)在歐特克平臺上實(shí)施中低速磁浮正向設(shè)計的探索方式，也可推廣應(yīng)用于其他城市軌道交通開展 BIM 正向設(shè)計，為城市軌道交通設(shè)計領(lǐng)域 BIM 技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。