面向多專業(yè)的BIM高效建模技術及應用

陳云浩 楊新元 于 鑫 蔣綺琛

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

引言

近年來，越來越多的設計企業(yè)、施工企業(yè)加大了在BIM領域的科技研發(fā)投入和應用推廣力度，BIM技術已經(jīng)成為全行業(yè)的研究熱點和應用趨勢。由于人工建模的模型標準化程度偏低、模型創(chuàng)建效率偏低及模型精準化程度偏低，所以制約了BIM技術深入應用的進程。

針對上述問題，本文對面向多專業(yè)的BIM模型高效建模技術進行介紹。該技術涉及土建自動建模技術、鋼筋自動翻樣技術、模板自動翻樣技術、機電自動建模技術以及裝飾自動建模技術。

1 技術原理

面向多專業(yè)的BIM模型高效建模技術以Revit為基礎數(shù)據(jù)平臺進行插件開發(fā)[1]，能將多專業(yè)(鋼筋、模板、機電、粗裝)CAD圖紙不失真地讀入Revit基礎數(shù)據(jù)平臺，其組成如圖1所示。

圖1 面向多專業(yè)的BIM高效建模技術組成

在此基礎上，通過插件研發(fā)，Revit基礎數(shù)據(jù)平臺能夠對CAD圖紙中的各類標注、圖層自動辨識，并基于辨識的結果自動創(chuàng)建相應的BIM模型。

2 技術路線

本文采用了“基礎數(shù)據(jù)平臺+插件”的方法實現(xiàn)BIM快速建模。

2.1 基礎數(shù)據(jù)平臺

通過對國內(nèi)相關產(chǎn)品進行研究，同時結合中建八局已有的BIM工程實踐經(jīng)驗，總結出一個適合于插件開發(fā)的基礎數(shù)據(jù)平臺應具備如下技術特征[2]：

(1)基礎數(shù)據(jù)平臺和CAD數(shù)據(jù)之間應具有良好的數(shù)據(jù)兼容性；

(2)基礎數(shù)據(jù)平臺支持數(shù)據(jù)(如族)的參數(shù)化設計，能夠滿足企業(yè)靈活的創(chuàng)新需求；

(3)基礎數(shù)據(jù)平臺應具備數(shù)據(jù)聯(lián)動性，即滿足“一處修改、處處修改”；

(4)基礎數(shù)據(jù)平臺能夠對建筑物進行虛擬展示和預定的測量分析功能；

(5)基礎數(shù)據(jù)平臺應支持多種格式(圖形化數(shù)據(jù)、非圖形化數(shù)據(jù))，能夠支持工程項目管理對數(shù)據(jù)的要求。

基于上述分析，本文選擇市場占有率較高的Revit作為基礎數(shù)據(jù)平臺，進行插件開發(fā)。

2.2 插件介紹

插件是一種遵循統(tǒng)一的二次開發(fā)接口所編寫的程序，其用途是：在程序開發(fā)中，所有的程序被區(qū)分為主程序(基礎數(shù)據(jù)平臺)和插件兩部分。一方面，在主程序保持不變的情況下，通過插件能夠實現(xiàn)對主程序功能的完善；另一方面，主程序通過二次開發(fā)接口，能夠對插件進行調(diào)用，實現(xiàn)對主程序功能的拓展。

2.3 BIM快速建模插件的設計架構

本研究采用的BIM快速建模插件的設計架構如圖2所示。

圖2 BIM快速建模插件的設計架構

2.4 技術介紹

要實現(xiàn)基于Revit平臺的高效建模，主要體現(xiàn)在快速化、標準化和自動化三個方面[3]。

快速化表現(xiàn)為在軟件中增加快速建模功能組件，使建模過程中原來無法實現(xiàn)的功能，或者本來需要多個步驟來實現(xiàn)的功能，通過二次開發(fā)進行優(yōu)化，簡化為一個可交互的功能。

標準化表現(xiàn)為建立企業(yè)標準化構件庫[4]和標準化的建模樣板，標準化構件庫讓使用者可以快速方便地從內(nèi)置或位于云端構件庫中快速調(diào)取各類標準化形狀和屬性的構件，無需自行創(chuàng)建構件； 而標準化的建模樣板則內(nèi)置了符合企業(yè)、項目習慣的建模規(guī)則如視圖樣式、管道系統(tǒng)配置，調(diào)用的構件庫、出圖規(guī)則等。本文采用國內(nèi)設計院制定的CAD圖層管理標準為先決條件[5]，圖層命名格式如圖3所示。

圖3 中文圖層命名格式

自動化表現(xiàn)為基于CAD圖形識別的快速翻模技術，能夠高效抓取和識別二維圖紙中的關鍵信息如各類標注、圖層，通過辨識的結果分析生成三維模型，提高首次創(chuàng)建模型時的效率。同時為了能更準確、精確地生成三維模型，還需要建立完善的標準化構件庫，以使生成三維模型時能準確地調(diào)用最合適的構件。

3 實現(xiàn)方法

本文通過程序開發(fā)人員和工程技術人員的互動交流，共同梳理出二次開發(fā)需求。

3.1 土建自動建模技術

土建專業(yè)中實現(xiàn)梁、板、柱和墻的快速建模功能[6]，以梁的快速建模功能為例：

(1)啟動“創(chuàng)建梁”功能，開始對CAD數(shù)據(jù)中梁的圖層和標注的辨識；

(2)程序自動完成梁的名稱、尺寸及編號的辨識，如圖4所示；

圖4 梁的圖層和標注的辨識示例

(3)程序自動將完成梁的類型的辨識，并對一些約束條件(梁的寬高比、最大梁寬、最小梁寬及最短梁長)進行設置，以確保梁BIM數(shù)據(jù)的正確創(chuàng)建；

(4)程序自動完成梁BIM數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，創(chuàng)建結果如圖5所示。

圖5 梁BIM數(shù)據(jù)的創(chuàng)建示例

此外，土建快速建模技術還包括：依據(jù)樓層標高對柱進行自動分段功能； 梁自動分段功能； 板自動分割功能； 墻自動平梁、板底功能； 依據(jù)墻自動生成對應的砌塊功能等。

3.2 鋼筋自動翻樣技術

(1)“構件編碼”功能對每一個構件進行編碼，便于能夠精準定位到每一個構件的每一根鋼筋[7]。以最多見的梁柱構件為例，基于“從上到下、從左到右”的順序，對梁、柱構件進行編碼；

(2)“下料設置”功能用于調(diào)整和鋼筋下料有關的計算設置，包括：比重設置、彎鉤設置、錨固設置、搭接設置及節(jié)點設置等，通過這些設置使鋼筋翻樣更貼近工程實際情況；

(3)“智能下料”功能基于遍歷計算，得到所有的下料結果，并尋優(yōu)出最符合下料規(guī)則的下料結果。同時，還能夠將當前計算涉及的定尺長度、鋼筋截斷位置及接頭數(shù)據(jù)存儲，便于后續(xù)同類場景的移植復用；

(4)“鋼筋顯示”功能用于快速顯示鋼筋的3D模型(如鋼筋長度、位置、截斷位置及接頭)，便于工程技術人員對下料結果進行快速查驗，如圖6所示；

圖6 鋼筋顯示示例

(5)“下料明細”用于能看構件的詳細計算內(nèi)容，便于人工查驗并修改；

(6)“料表查驗”功能用于對鋼筋下料結果進行匯總，便于人工查驗和對量[8]。

3.3 機電自動建模技術

(1)“噴淋翻?！惫δ芑贑AD圖紙，自動創(chuàng)建噴淋BIM模型[9]。具體的管道參數(shù)包括：管道類型、系統(tǒng)類型、樓板參照標高、樓板的偏移及火災危險等級等參數(shù)； 噴淋頭參數(shù)包括：噴淋頭類型及樓板的偏移等參數(shù)，如圖7所示；

圖7 噴淋翻模示例(噴淋頭參數(shù)設置)

(2)“風管翻?！惫δ芑贑AD圖紙，自動創(chuàng)建風管BIM模型。設置包括風管類型、系統(tǒng)類型、風管標高、標高偏移、對齊方式、風管設備及設備偏移等參數(shù)；

(3)“橋架翻?！惫δ芑贑AD圖紙，自動創(chuàng)建橋架BIM模型(含)。設置包括橋架類型、橋架標高及對齊方式等參數(shù)；

(4)對于單根管道的支吊架，可以沿著管道和橋架，自動創(chuàng)建支吊架BIM模型，同時也支持多管綜合支吊架的布置；

(5)支吊架計算查驗用于選取一根管道，基于計算確定適宜的支吊架。查驗則用于對支吊架詳細數(shù)據(jù)進行人工查驗，便于修改，如圖8所示；

圖8 支吊架查驗示例

(6)墻體開洞用于選取風管、水管及橋架的BIM模型后，自動創(chuàng)建相應洞口，如圖9所示；

圖9 墻體開洞示例

(7)管道避讓用于基于參數(shù)設置，實現(xiàn)管道的半自動避讓，如圖10所示；

圖10 管道避讓

(8)除上述功能外，還開發(fā)了如添加保溫層、管道標注、管道類型管理等便捷功能，用于提高機電自動建模效率。

3.4 裝飾自動建模技術

(1)粗裝建模用于基于CAD圖紙，自動創(chuàng)建粗裝BIM模型，包括：地板、地磚、墻面層、墻面磚、屋面磚、梁抹灰、天花、吊頂、踢腳線及波打線等[10]，如圖11所示；

圖11 粗裝建模示例(參數(shù)設置)

(2)墻面抹灰用于基于前面或房間，自動創(chuàng)建墻體抹灰BIM模型，梁面抹灰用于基于約束條件，自動創(chuàng)建梁面抹灰BIM模型；

(3)墻體砌塊用于砌塊BIM模型的自動創(chuàng)建，設置包括砌塊長、砌塊寬、砌塊高、水平灰縫厚度以及豎向灰縫寬度等參數(shù)。墻面排磚用于基于選取的墻面，自動創(chuàng)建墻磚BIM模型，如圖12所示；

圖12 墻體砌塊設置示例

(4)吊頂?shù)卮u用于基于選取的吊頂和地磚參數(shù)，自動創(chuàng)建地磚BIM模型，吊頂具體的設置包括：長、寬、厚、橫縫、縱縫、方向、凈空高度、建筑面厚、類型、材質以及分割點等參數(shù)； 地磚具體的設置包括：長、寬、厚、橫縫、縱縫、方向、高度偏移、類型、材質、分割點以及灰縫材質等參數(shù)，如圖13所示；

圖13 吊頂?shù)卮u示例

(5)構件展開面積用于對梁、柱、板、墻的展開面積進行自動計算。

4 案例

以“濟南綠地西河中心”項目為例，該項目是位于山東省濟南市的商業(yè)綜合體，建筑高度185.95 m，地上43層、地下3層，建筑面積15萬m2。結構形式為鋼筋混凝土結構，項目效果如圖14所示。

圖14 濟南綠地西河中心項目

應用過程中發(fā)現(xiàn)，CAD圖紙識別自動化建模依賴于設計圖紙質量[11]，對于CAD圖紙中存在的問題，比如“設計圖紙由Revit無法識別的插件創(chuàng)建”、 “圖層混亂，不統(tǒng)一”、 需要進行“圖形分解或另存為Revit能識別的格式”以及“將有效內(nèi)容復制到新建圖形，并清理設計圖紙”這樣的操作。

除此之外，BIM快速建模插件能否實現(xiàn)各類構件的快速建模，除程序開發(fā)是否成功外，另一個關鍵因素就是CAD數(shù)據(jù)是否能夠滿足一定要求。因此，BIM快速建模前，對CAD數(shù)據(jù)進行再一次校核就顯得至關重要。設計圖紙校核的主要內(nèi)容有：構件的幾何圖形是否完整； 構件的標注是否完整，標注指向是否明確； 構件的標準、輪廓線及文字所對應的圖層是否規(guī)范。增加了這些“準備工作”后，CAD圖紙的識別率可以提高到90%以上。

綜合分析使用軟件后的效率提升，取項目的兩個相似的標準樓層(約2 500m2)做對比，完成建筑、結構、機電、裝飾各專業(yè)的模型創(chuàng)建。使用了高效建模軟件，即“快速建模功能組件+標準化構件庫+自動化建?！钡目倳r間主要由“CAD圖紙?zhí)幚?自動翻模+手動修改查漏補缺”三部分組成，總時間為10小時，手動翻模各專業(yè)耗時總和則在20小時以上。

5 結論

通過將多專業(yè)(鋼筋、模板、機電、粗裝)CAD圖紙不失真地讀入Revit基礎數(shù)據(jù)平臺。在此基礎上，通過插件研發(fā)，Revit基礎數(shù)據(jù)平臺能夠對CAD圖紙中的各類標注、圖層進行自動辨識，并基于辨識的結果自動創(chuàng)建相應的BIM模型。工程實踐顯示，本成果在BIM模型創(chuàng)建的“快速化、標準化、自動化”等方面實現(xiàn)了不同程度的性能提升。

目前本軟件已經(jīng)在中建八局的1 000多個項目上進行了廣泛應用，注冊用戶數(shù)超過5 600人，成為BIM技術助力項目高效建造的有力支撐。