基于BIM的變電工程圍墻參數(shù)化建模研究

廖鳴宇，黎 亮，梁 明，宋佩珂，吳 丹，楊凌霜

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)是以三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)等全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，為各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期等方面的重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)從建筑行業(yè)逐步應(yīng)用到各類工程領(lǐng)域中。

國(guó)家電網(wǎng)公司也大力推動(dòng)以BIM技術(shù)為支撐的數(shù)字化、信息化、智能化輸變電項(xiàng)目建設(shè)，針對(duì)輸變電工程三維建模和數(shù)字化移交制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中，QGDW 11810.1—2018《輸變電工程三維設(shè)計(jì)建模規(guī)范 第1部分：變電站(換流站)》要求在初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)階段建立圍墻三維布置模型。目前，大多數(shù)電力設(shè)計(jì)院采用Revit軟件進(jìn)行圍墻建模，Revit相對(duì)其他設(shè)計(jì)軟件圍墻建模功能更為完善，但仍存在諸多不足：參數(shù)化程度低，需定義和完善圍墻相關(guān)族文件；各類構(gòu)件通過手動(dòng)布置，無法批量生成，導(dǎo)致建模效率較低；布置過程中時(shí)容易出現(xiàn)因操作錯(cuò)誤而引起的模型偏差，降低模型精準(zhǔn)度。此外，若設(shè)計(jì)方案發(fā)生變化，模型不便修改，返工工作量大。本文基于Revit和Dynamo深入研究快速實(shí)現(xiàn)變電工程站區(qū)圍墻的參數(shù)化建模方法，解決Revit在圍墻建模中存在的問題。

Revit是我國(guó)建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一，軟件可以進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、暖通等建模工作，一定程度上實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的參數(shù)化定義、編輯及屬性賦值等功能，為工程BIM應(yīng)用提供了解決方案。Revit的建模方式大致歸為四種，自由形式建模、內(nèi)置族庫(kù)建模、外部引入族建模、Dynamo for Revit參數(shù)化建模[1]。內(nèi)置族庫(kù)主要是面向民用建筑工程的門、窗柱、梁、墻等族構(gòu)件[2]，而對(duì)于變電工程的圍墻建模，Revit缺乏內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)族，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)圍墻結(jié)構(gòu)型式自定義參數(shù)化族構(gòu)件，用以項(xiàng)目重復(fù)使用，滿足BIM建模精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化的需求。

Dynamo是一款基于流的可視化編程軟件，其代碼的最小單位為節(jié)點(diǎn)(Node)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一個(gè)特定的任務(wù)，利用預(yù)定義功能的節(jié)點(diǎn)或者自定義節(jié)點(diǎn)編寫一套循序漸進(jìn)的程序算法[3]，實(shí)現(xiàn)在3D空間中的數(shù)據(jù)處理和幾何圖形創(chuàng)建。利用Dynamo，設(shè)計(jì)人員能自由修改參數(shù)、處理模型數(shù)據(jù)、批量關(guān)聯(lián)模型及屬性，從而提高設(shè)計(jì)效率。

1 技術(shù)路線

以變電工程圍墻設(shè)計(jì)方案為數(shù)據(jù)支撐，研究三維環(huán)境下圍墻各主體構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)和快速批量建模的方法。圍墻主體構(gòu)件包括墻體、地梁、墻柱及基礎(chǔ)，建模過程中，首先在Revit中定義好各類圍墻構(gòu)件的參數(shù)化族，再基于Dynamo編寫工作流，以圍墻平面軸線為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)模型生成。

將圍墻墻體和地梁視為連續(xù)型構(gòu)件，沿圍墻平面軸線路徑生成墻體和地梁模型。墻柱及基礎(chǔ)為獨(dú)立型構(gòu)件，根據(jù)圍墻平面軸線設(shè)置各個(gè)獨(dú)立模型的建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，基于基準(zhǔn)點(diǎn)批量生成各個(gè)墻柱和基礎(chǔ)模型，通過設(shè)置底部偏移參數(shù)保證墻柱底部與基礎(chǔ)頂部動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。此外，因各段圍墻布置方向不同，要相應(yīng)考慮墻柱及基礎(chǔ)的布置方向。圍墻全部構(gòu)件的參數(shù)化建模技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 圍墻參數(shù)化建模技術(shù)路線

2 圍墻參數(shù)化建模方法

2.1 自定義族文件

族是組成項(xiàng)目的構(gòu)件，也是參數(shù)信息的載體，根據(jù)圍墻構(gòu)件的設(shè)計(jì)特征，先使用族樣板完成創(chuàng)墻柱、基礎(chǔ)、墻體、地梁等參數(shù)化族創(chuàng)建，再將RFA格式的族文件載入到項(xiàng)目文件中，以便建模時(shí)直接調(diào)用。圖2為墻柱臺(tái)階式基礎(chǔ)族的平、立面圖示例，定義了各級(jí)臺(tái)階及墊層的長(zhǎng)度、寬度、高度、材質(zhì)等主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 參數(shù)化臺(tái)階基礎(chǔ)族剖面圖

2.2 創(chuàng)建圍墻平面軸線

變電工程中，站區(qū)圍墻平面布置是由多條軸線連續(xù)構(gòu)成的多邊形，在站區(qū)入口處斷開。在Revit中基于二維平面繪制不同方向和不同長(zhǎng)度的模型線作為圍墻平面軸線，分別記為S1，S2……Sn(下文示例中繪制了7段)，測(cè)量單位統(tǒng)一為毫米。

在Dynamo中用Select Model Element節(jié)點(diǎn)選中模型線后，首先要將模型線轉(zhuǎn)換為Dynamo可識(shí)別和編輯的圖元類型，由于墻體、地梁與墻柱、基礎(chǔ)的建模采用了不同的邏輯算法，所以要用不同的節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)圖元類型的轉(zhuǎn)換。使用Element.Curves節(jié)點(diǎn)將模型線圖元類型(Element)轉(zhuǎn)換為二維平面曲線(Curve)，用于墻體和地梁的建模流程編輯，再使用Element.Geometry節(jié)點(diǎn)將模型線圖元類型(Element)轉(zhuǎn)換為幾何圖形(Geometry)，用于墻柱和基礎(chǔ)的建模流程編輯。

2.3 墻體參數(shù)化建模

使用Wall.ByCurveAndHeight節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建墻體，此節(jié)點(diǎn)有curve、height、level、wallType四個(gè)輸入項(xiàng)，其中curve連接到創(chuàng)建好的圍墻平面軸線節(jié)點(diǎn)Element.Curves，height用來輸入墻體高度，各段圍墻高度均按2.5m設(shè)計(jì)，level和wallType分別讀取墻底標(biāo)高和墻體族，如圖3所示。

圖3 墻體和地梁建模節(jié)點(diǎn)程序

2.4 地梁參數(shù)化建模

地梁創(chuàng)建方法與墻體類似，使用StructralFraming.BeamByCurve節(jié)點(diǎn)，輸入項(xiàng)curve、height、StructralFramingType分別選擇平面軸線、標(biāo)高和地梁族，墻體和地梁模型如圖4所示。

圖4 墻體和地梁模型

2.5 墻柱及基礎(chǔ)參數(shù)化建模

墻柱及基礎(chǔ)屬于獨(dú)立構(gòu)件，模型數(shù)量較多，在Revit中用手動(dòng)復(fù)制的方法建模較為繁瑣，而用Dynamo可以實(shí)現(xiàn)墻柱及基礎(chǔ)批量創(chuàng)建。前文已使用Element.Geometry節(jié)點(diǎn)獲取了所有圍墻平面軸線，墻柱及基礎(chǔ)建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)可以基于軸線確定，位于相同位置的墻柱及基礎(chǔ)參考同一基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.5.1 軸線分類

由于圍墻軸線在XY平面上的布置方向不盡相同，會(huì)導(dǎo)致該方向上的墻柱和基礎(chǔ)布置方向也不同，需將圍墻平面軸線分為兩類，一類是與X軸方向平行的平面軸線，此時(shí)墻柱和基礎(chǔ)為默認(rèn)設(shè)置的布置方向，即墻柱截面寬度方向與X軸方向平面；另一類是與X軸方向不平行的平面軸線，此時(shí)墻柱和基礎(chǔ)方向要根據(jù)平面軸線的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。使用Line.Direction節(jié)點(diǎn)獲得各段平面軸線的向量方向S1＇，S2＇……Sn＇，通過Vector.IsParallel節(jié)點(diǎn)判斷各軸線向量Sn＇與X軸向量X＇的方向是否一致，用List.FilterByBoolMask節(jié)點(diǎn)將上述兩類平面軸線分別輸出，通常情況下站區(qū)圍墻交接處大多呈正交布置，因此，第二類與X軸不平行的軸線僅考慮垂直方向。

2.5.2 獲取建模基準(zhǔn)點(diǎn)

1)與X軸方向平行的軸線

用Curve.Length節(jié)點(diǎn)提取每段圍墻軸線長(zhǎng)度S，墻柱間距設(shè)為L(zhǎng)。墻柱間距是進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)定位的主要控制參數(shù)，一般情況下，墻柱是按一定間距呈規(guī)律布置，這里將每段圍墻的墻柱間距L均設(shè)為5 m，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只需將不同墻柱間距的圍墻分段定義即可。將S和L進(jìn)行整除計(jì)算，基準(zhǔn)點(diǎn)的定位有以下兩種情況：

(a)當(dāng)S能被L整除時(shí)，設(shè)N=S/L,按等間距值獲取圍墻軸線上的點(diǎn)L*0，L*1，L*2……L*(N-1)，得到墻柱及基礎(chǔ)建模基準(zhǔn)點(diǎn)，比如S=30 m，L=3 m時(shí)，墻柱中心點(diǎn)分別位于0，3 m，6 m ……27 m處。此段圍墻從軸線起點(diǎn)到N-1點(diǎn)設(shè)墻柱及基礎(chǔ)，終點(diǎn)處(N點(diǎn)位置)不設(shè)墻柱及基礎(chǔ)，避免與下一段圍墻起點(diǎn)處墻柱及基礎(chǔ)重合。

(b)當(dāng)S不能被L整除時(shí)，設(shè)[N]=S/L，[N]為不大于S/L的最大整數(shù)，按等間距值獲取圍墻軸線上的點(diǎn)L*0，L*1，L*2……L*[N]，得到墻柱及基礎(chǔ)建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，比如S=31 m，L=3 m時(shí)，[N]=10，墻柱中心點(diǎn)分別位于0，3 m，6 m ……，30 m處。此段圍墻軸線從起點(diǎn)到N點(diǎn)設(shè)墻柱及基礎(chǔ)，軸線端點(diǎn)處墻柱及基礎(chǔ)由下一段圍墻起點(diǎn)處設(shè)置。確定了基準(zhǔn)點(diǎn)位置后，用Curve.PointAtSegmentLength節(jié)點(diǎn)劃分出軸線上的點(diǎn)位，即可完成與X軸方向平行的軸線基準(zhǔn)點(diǎn)布置，如圖5所示。

圖5 定義建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)程序

2)與X軸方向不平行的軸線

與X軸方向不平行的軸線，墻柱及基礎(chǔ)基準(zhǔn)點(diǎn)定位方法與第1)種情況相同，求得基準(zhǔn)點(diǎn)后，再次嵌套使用List.FilterByBoolMask節(jié)點(diǎn)將斜交軸線分為90°垂直相交和斜交兩種情況，并通過Vector.AngleWithVector節(jié)點(diǎn)分別求出各軸線與X軸方向夾角值(degree)，以便下一步完成墻柱及基礎(chǔ)模型方向的旋轉(zhuǎn)。

2.5.3 模型創(chuàng)建

確定好基準(zhǔn)點(diǎn)后，用FamilyInstance.ByPointAndLevel或 FamilyInstance.ByPoint，創(chuàng)建墻柱和基礎(chǔ)，輸入端的familytype導(dǎo)入墻柱和基礎(chǔ)族，point連接到前文創(chuàng)建的基準(zhǔn)點(diǎn)，上述各種情況均按此方法完成墻柱和基礎(chǔ)模型批量創(chuàng)建。對(duì)于上節(jié)第2)種情況，要用節(jié)點(diǎn)FamilyInstance.SetRotation旋轉(zhuǎn)建好的墻柱和基礎(chǔ)模型，如圖6所示。

圖6 墻柱及基礎(chǔ)建模核心節(jié)點(diǎn)

2.5.4 墻柱與基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)

前文創(chuàng)建的墻柱模型只完成了地面以上的部位，墻柱底部應(yīng)延伸到基礎(chǔ)頂部，即基礎(chǔ)頂部的埋深與墻柱底部偏移值相等并保持動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，用Element.SetParameterByName節(jié)點(diǎn)將基礎(chǔ)埋深值賦給墻柱底部偏移量，構(gòu)建出墻柱及基礎(chǔ)的整體模型，如圖7所示。

圖7 墻柱及基礎(chǔ)模型

3 工程應(yīng)用

將圍墻參數(shù)化建模方法應(yīng)用到綿陽南500kV變電站新建工程中，本項(xiàng)目位于綿陽市石洞鄉(xiāng)觀音碑村，站區(qū)圍墻主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，站區(qū)±0.000 m以上墻體采用MU15實(shí)心磚砌筑，地梁、框架柱及基礎(chǔ)為C30混凝土，鋼筋HPB300，HRB400。本涉及的構(gòu)件族包括墻體、墻柱、地梁、臺(tái)階基礎(chǔ)、承臺(tái)基礎(chǔ)，如圖8所示。

圖8 本項(xiàng)目參數(shù)化族

基于圍墻設(shè)計(jì)方案，以圍墻高度、墻柱間距、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式、平面軸線布置方向作為不同參數(shù)的圍墻分段依據(jù)，將全站圍墻按逆時(shí)針首尾順序劃分為10段，每段圍墻的主要控制參數(shù)見表1所列。建模時(shí)根據(jù)分段劃分結(jié)果先創(chuàng)建10條圍墻平面軸線，然后利用Select Model Element節(jié)點(diǎn)依次選擇各段軸線，完成全部圍墻模型創(chuàng)建，如圖9所示。

圖9 綿陽南500 kV變電站站區(qū)圍墻模型

表1 圍墻分段及建?？刂茀?shù)

5 結(jié)語

本文通過對(duì)Dynamo節(jié)點(diǎn)研究，總結(jié)出一種變電工程站區(qū)圍墻的參數(shù)化快速建模方法，通過自定義圍墻主要構(gòu)件參數(shù)化族，利用Dynamo編寫邏輯關(guān)系和算法，形成了適用于圍墻參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化建模的工作流。研究成果可應(yīng)用到不同的工程項(xiàng)目中，只需完成圍墻平面軸線繪制并導(dǎo)入Dynamo的建模插件，就能驅(qū)動(dòng)Revit中的參數(shù)化族快速完成圍墻三維建模，提高參數(shù)化設(shè)計(jì)程度和建模效率的同時(shí)，保證了模型精度和構(gòu)件之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，推廣了BIM技術(shù)在變電工程中的深入應(yīng)用。