可視化編程技術(shù)在市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用研究

文／王紀(jì)標(biāo)、蔣為杰 中交二航局第一工程有限公司 湖北武漢 430058

朱晨 中交武漢智行國際工程咨詢有限公司 湖北武漢 430058

引言：

隨著BIM 技術(shù)在建設(shè)工程行業(yè)的應(yīng)用與普及，基于Autodesk Revit 的二次開發(fā)插件如雨后春筍般出現(xiàn)，在很大的程度上解決了BIM 建模過程中工作量大，效率低，功能局限等一系列問題。但封裝成產(chǎn)品的二次開發(fā)插件也只是解決項(xiàng)目中的通用需求，然而項(xiàng)目實(shí)施過程中的需求是多種多樣的。對于特定行業(yè)，特定場景的個(gè)性化需求，插件則難以實(shí)現(xiàn)。另一方面軟件二次開發(fā)需要較高的計(jì)算機(jī)程序語言編程能力，而建設(shè)工程從業(yè)人員通常不具備程序語言編程能力。Dynamo 和Grasshopper 的可視化編程設(shè)計(jì)便降低了程序開發(fā)門檻，它以腳本的形式，提供給BIM 從業(yè)者一個(gè)圖形化的界面，組織連接預(yù)先設(shè)計(jì)好的節(jié)點(diǎn)（電池）來表達(dá)數(shù)據(jù)處理的邏輯，形成一個(gè)可執(zhí)行的程序，降低專業(yè)開發(fā)的復(fù)雜度，幫助從業(yè)者以較低的學(xué)習(xí)成本去解決項(xiàng)目實(shí)施過程中個(gè)性化的需求。

Autodesk Revit 煉金術(shù)[1]從基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)功能介紹，幾何體的創(chuàng)建與編輯，Dynamo 數(shù)據(jù)處理，Dynamo 與revit 的交互等方面詳細(xì)的介紹了各個(gè)節(jié)點(diǎn)及各組節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能，并通過實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用案例介紹了可視化編程在幾何建模，排序編碼，CAD 翻模，幾何分析，干涉判斷等各個(gè)方面的應(yīng)用場景，通過可視化編程解決項(xiàng)目實(shí)施中的功能需求。郝小楊[2]從參數(shù)化主流軟件分析、參數(shù)化建模方法與傳統(tǒng)方法對比研究，探索了參數(shù)化，可視化編程在實(shí)際工程中的應(yīng)用。有效改善BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)信息處理方式缺乏的問題，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)優(yōu)勢，為BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。楊金澤[3]采用可視化編程技術(shù)Dynamo 開發(fā)了信息管理功能的解決方案，解決了普通工程人員很難應(yīng)用BIM 技術(shù)切實(shí)解決工程實(shí)際問題，極大的拓展了BIM 軟件功能范圍。陳奇良[4]研究了BIM 技術(shù)在隧道領(lǐng)域中的現(xiàn)狀，根據(jù)管片特點(diǎn)和BIM 平臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)等因素選取了Revit+Dyanmo 作為參數(shù)化設(shè)計(jì)的軟件，通過對Revit+Dynamo 參數(shù)化設(shè)計(jì)功能和實(shí)現(xiàn)方法的研究找到了管片參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。

1.項(xiàng)目概況

沙特利雅得塞得拉二期基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目是利雅得城鎮(zhèn)總體規(guī)劃中的第二個(gè)開發(fā)項(xiàng)目，占地面積約387 萬平方米，其中的機(jī)電市政管網(wǎng)系統(tǒng)主要包括：雨污水系統(tǒng)，給水與消防系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)，電力工程，通信工程，路燈工程等，項(xiàng)目體量大，工期緊。為輔助項(xiàng)目開展施工優(yōu)化、指導(dǎo)現(xiàn)場施工，本項(xiàng)目引入BIM 技術(shù)，開展碰撞檢測、設(shè)計(jì)優(yōu)化、正向出圖等應(yīng)用，在BIM 模型創(chuàng)建和應(yīng)用過程中，面對二維圖紙數(shù)據(jù)提取困難、數(shù)據(jù)傳輸易丟失、大批量數(shù)據(jù)導(dǎo)入難度大等問題，介紹可視化編程技術(shù)在機(jī)電市政管網(wǎng)中建模的應(yīng)用，打通了Dynamo+CAD+Revit 和Rhino+Grasshopper+Revit 的工作流，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫銜接，解決了地形創(chuàng)建與分析、雨污水管井布置與信息賦值、機(jī)電設(shè)備標(biāo)高調(diào)整、管線標(biāo)高調(diào)整，標(biāo)注出圖，工程量輸出等問題，較常規(guī)傳統(tǒng)方法極大的提高了工作效率，縮短了交付周期，節(jié)約了人工成本。本方法適用于一般基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，部分應(yīng)用點(diǎn)亦可推廣到房建、橋隧等領(lǐng)域使用。

2.BIM 應(yīng)用分析

主要介紹Dynamo 和Grasshopper 可視化編程技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建模中的應(yīng)用。解決項(xiàng)目BIM 建模實(shí)施過程中地形創(chuàng)建與分析，雨污水管井布置與參數(shù)賦值，機(jī)電設(shè)備標(biāo)高調(diào)整，管線標(biāo)高調(diào)整，標(biāo)注出圖，工程量輸出等一系列問題。

2.1 地形創(chuàng)建與分析

主要思路是讀取設(shè)計(jì)地形圖紙中高程點(diǎn)標(biāo)注點(diǎn)的平面位置和標(biāo)注引出點(diǎn)的文字標(biāo)注內(nèi)容作為Z 坐標(biāo)，得到所有標(biāo)注點(diǎn)的X,Y,Z 值，以得到的三維點(diǎn)為基礎(chǔ)生成三維地形。如下圖2 通過可視化編程實(shí)現(xiàn)了CAD+DYNAMO+REVIT 數(shù)據(jù)無縫銜接。

圖1 讀取CAD 信息生成地形程序圖

圖2 地形高程和坡度分析程序圖

圖3 地形高程分析結(jié)果

生成了地形模型后就可對地形進(jìn)行高程和坡度進(jìn)行分析。高程分析主要通過地形的頂點(diǎn)的Z 坐標(biāo)，將其映射到[0,1]范圍內(nèi)，再取色，最后給模型賦予顏色。坡度分析主要是通過計(jì)算地形曲面每個(gè)三角面的法向量與Z 向量的夾角值，將其映射到[0,1]范圍內(nèi)，再取色，最后給模型賦予顏色。

通過對項(xiàng)目地形的高程和坡度進(jìn)行可視化分析，可以讓項(xiàng)目管理者直觀的了解整個(gè)項(xiàng)目的地形起伏情況。提前預(yù)警施工重難點(diǎn)區(qū)域，對項(xiàng)目差異化分層級管理。

2.2 雨污水管井布置與參數(shù)賦值

項(xiàng)目中雨污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙中已出了明確的管井信息，包含井編號，地面高程，管內(nèi)底標(biāo)高，如下圖4。需將此類信息反映到模型的參數(shù)信息中，在模型創(chuàng)建過程中，如何將二維信息精準(zhǔn)賦值給BIM 模型構(gòu)件是項(xiàng)目快速使用BIM 技術(shù)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)方式通過翻模、逐個(gè)數(shù)據(jù)錄入方式極大影響生產(chǎn)進(jìn)度，且準(zhǔn)確度無法得到保障。

通過讀取圖紙中標(biāo)注塊屬性信息，將地面標(biāo)高和井底標(biāo)高差值賦予管井深度H，用此數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化族，再將圖紙標(biāo)注信息賦予到族實(shí)例，如下圖5。

圖5 檢查井布置與參數(shù)信息添加程序圖

圖6 設(shè)備布置與標(biāo)高調(diào)整Dynamo 程序圖

圖7 設(shè)備布置與標(biāo)高調(diào)整Grasshopper 程序圖

圖8 調(diào)整管線流程圖

圖10 管井標(biāo)注圖

圖11 管井工程量輸出程序

模型信息與圖紙信息進(jìn)行了一一匹配，一鍵完成了設(shè)備的布置與參數(shù)信息的添加，與傳統(tǒng)的方法相比，解決了手動(dòng)布置準(zhǔn)確度差，效率低的問題。極大的提高了模型幾何位置和非幾何信息的準(zhǔn)確性。

2.3 設(shè)備布置與標(biāo)高調(diào)整

對于重力流的雨污水管井一般都有明確的設(shè)計(jì)標(biāo)高，而另外一些設(shè)備，如路燈、室外消火栓、通信箱、箱式變壓器等機(jī)電設(shè)備則需要根據(jù)地形去匹配設(shè)備布置高度。主要思路是獲取到族實(shí)例的位置信息點(diǎn)，將其向地形表面投影，獲得新的在地形曲面上的點(diǎn)，并將此點(diǎn)的Z 坐標(biāo)值作為設(shè)備的標(biāo)高偏移值。從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備標(biāo)高與地形高度的完全匹配。

在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)Dynamo 對三角面Mesh 的處理能力較差，對于構(gòu)成地形三維點(diǎn)數(shù)量較大時(shí)，Dynamo的響應(yīng)速度較慢，程序運(yùn)行時(shí)間可能達(dá)到數(shù)十分鐘甚至崩潰的情況。無法滿足項(xiàng)目實(shí)施要求。同樣的邏輯程序，Grasshopper 對三角面Mesh 的處理能力相對Dynamo 有了質(zhì)的提升，只需1-2s 就能夠執(zhí)行完成。故此項(xiàng)工作選擇了Rhino+Grasshopper+Revit 的工作流來完成。

2.4 管線綜合設(shè)計(jì)

在各個(gè)系統(tǒng)地下管線模型建立完成后就需要將各系統(tǒng)管線進(jìn)行排布，需根據(jù)不同系統(tǒng)的埋深要求進(jìn)行合理排布。按管綜原則，如給水系統(tǒng)埋深1.5m，灌溉系統(tǒng)埋深1.2，強(qiáng)電埋深0.9m，弱電埋深0.7m 等。由于地形起伏不定，地下管網(wǎng)需參考設(shè)計(jì)地面逐步調(diào)整埋深，如按傳統(tǒng)人工調(diào)整，需逐段在不同地形斷面圖下進(jìn)行MEP 管線高程調(diào)整，工作量較大，且容易出錯(cuò)。

本項(xiàng)目通過利用Revit+Dynamo+Grasshoper，協(xié)同配合，通過獲取到該系統(tǒng)管道的位置線，將其起點(diǎn)與終點(diǎn)向地形曲面投影，連接成線，將這條線向下偏移所需的埋深量，再將這條線作為管道的位置線，過濾出特定系統(tǒng)的管道，自動(dòng)形成按規(guī)定設(shè)計(jì)埋深的管線模型，效率、精度都極大提升。如下流程圖：

2.5 標(biāo)注出圖

在地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化完成后，需要標(biāo)注出圖，交至項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)施使用。參考現(xiàn)場樣板圖要求，利用Dynamo基于revit 編寫了參數(shù)化標(biāo)注程序，較Revit 本身自帶的按類別標(biāo)記優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)記圖元的篩選和注釋族的位置更加可控。避免標(biāo)記族疊加在設(shè)備上，影響觀感。Offset 輸入端接入族實(shí)例位置點(diǎn)和將其進(jìn)行在XY 平面上偏移一定數(shù)量后構(gòu)成的向量。

2.6 工程量輸出

為更好進(jìn)行項(xiàng)目成本管理，可借助模型輸出工程量，以作為材料采購，現(xiàn)場領(lǐng)發(fā)料，成本控制等管理動(dòng)作的實(shí)施依據(jù)。甚至有一些項(xiàng)目已經(jīng)將BIM 模型工程量清單作為計(jì)量支付和變更索賠的依據(jù)。Revit 本身自帶明細(xì)表工具雖然也能完成這項(xiàng)工作，卻受到共享參數(shù)的限制，只有部分自帶參數(shù)和用戶創(chuàng)建的共享參數(shù)才能作為進(jìn)入明細(xì)表的字段。而Dynamo 憑借著強(qiáng)大的參數(shù)化能力就打破了這一壁壘，無論項(xiàng)目參數(shù)，族參數(shù)，類型參數(shù)，實(shí)例參數(shù)均能夠讀取、匯總、輸出。

結(jié)語：

通過以上BIM 技術(shù)與可視化參數(shù)編程技術(shù)相互配合使用，在數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)賦值等方面深度應(yīng)用，為BIM 技術(shù)賦能傳統(tǒng)施工建造提供了極大便利，保障了生產(chǎn)效率和模型數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠。

本方法可在市政基礎(chǔ)設(shè)施BIM 實(shí)施項(xiàng)目中推廣使用，讓項(xiàng)目信息集中于BIM 模型，通過數(shù)據(jù)控模型、模型管施工，為項(xiàng)目建設(shè)增值。通過以上應(yīng)用可以看出可視化編程能夠顯著提升設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以多次重復(fù)利用、系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性增強(qiáng)、設(shè)計(jì)成本大幅降低、項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量提升、時(shí)間成本降低、降低設(shè)計(jì)與文檔的出錯(cuò)率等等?？梢灶A(yù)見，可視化編程+BIM 軟件的工作流程憑借其所具有的協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、系統(tǒng)性、模擬性、可視化性以及可出圖形等特點(diǎn)，將會(huì)在建筑設(shè)計(jì)、施工等領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。