族和體量在建筑模型創(chuàng)建過程中的應(yīng)用
——以某學(xué)院教學(xué)樓為例

高 將 ，董紫妍 ，張寶軍 ，3

（1. 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑智能學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 3. 徐州市水處理工程技術(shù)研究中心， 江蘇 徐州 221116）

近年來，隨著BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)的推廣應(yīng)用[1]，設(shè)計(jì)師不再局限于傳統(tǒng)的二維平面及剖面繪圖，而是借助于相關(guān)軟件進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，更便于項(xiàng)目案例展示，以及后期機(jī)電管線的綜合、施工過程的管理甚至項(xiàng)目的運(yùn)行維護(hù)。Revit軟件建模已廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)與工程管理[2]，該軟件由歐特克（Autodesk）公司研發(fā)，其應(yīng)用原理是在Auto CAD 原有三維建模功能的基礎(chǔ)上，引入項(xiàng)目、族、參數(shù)管理等概念，并提供功能強(qiáng)大的系統(tǒng)族，專用于構(gòu)建建筑信息模型（BIM）。但是，對(duì)于復(fù)雜或特殊的構(gòu)件，系統(tǒng)族無法直接創(chuàng)建模型，需要在常規(guī)建模的基礎(chǔ)上，借助軟件提供的族和體量工具，自主創(chuàng)建模型族庫，這已成為趨勢(shì)，也是Revit 軟件建模應(yīng)用的難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

某學(xué)院教學(xué)樓主要由六棟相對(duì)獨(dú)立的子教學(xué)樓經(jīng)中間連廊相連而成。教學(xué)樓地上五層，局部地下一層，東西長(zhǎng)124.6 m，南北寬99.2 m，分為A、B、C、D、E 五個(gè)不同的結(jié)構(gòu)功能體，A、B、C 高19.15 m，D、E 高20.65 m。整體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)，地勢(shì)南高北低，起伏較大。

教學(xué)樓有大量獨(dú)特的建筑構(gòu)件，如大面積組合窗、教室木質(zhì)門、入口處臺(tái)階、課桌、講臺(tái)等。這些構(gòu)件無法用傳統(tǒng)的建模方法創(chuàng)建模型，需要應(yīng)用建模軟件提供的族和體量工具建模。模型創(chuàng)建思路為“常規(guī)模型+族和體量模型”（見圖1），由兩人協(xié)作完成。墻體、樓梯、樓板、梁和柱等構(gòu)件屬于常規(guī)模型，由一人在平面視圖中利用系統(tǒng)族庫設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建；教室門窗、講臺(tái)、室外臺(tái)階等特殊構(gòu)件，由另一人在三維空間中借助族和體量工具進(jìn)行模型創(chuàng)建，并將創(chuàng)建的模型建成自定義族庫，便于后期類似構(gòu)件建模時(shí)直接載入使用，保證建模精度，提高建模效率。

圖1 模型創(chuàng)建流程

2 族模型創(chuàng)建

2.1 族的概念

族是一類東西的總稱，諸如門族、窗族、墻族等。族可以分為系統(tǒng)族和可載入族[3]，族又分不同的類別和不同的類型。例如系統(tǒng)族中，門有單扇門、雙扇門、平開門，窗有單扇窗、雙扇窗、外飄窗，墻有疊層墻、基本墻、幕墻等。門、窗、墻等建筑構(gòu)件有不同的尺寸。門族中，M1521 和M1021同屬于單扇門系統(tǒng)族，但分屬不同的族類型；同樣，單扇窗系統(tǒng)族中C0915、C1219 也分屬不同的族類型。Revit 軟件中族類別、族類型構(gòu)成如圖2所示。

圖2 族類別、族類型構(gòu)成

Revit 軟件中族編輯器可創(chuàng)建一類建筑構(gòu)件，僅需通過不同的屬性修改即可創(chuàng)建一類不同的圖元。具體步驟為：首先，以內(nèi)建構(gòu)件或新建族文件的形式進(jìn)入族編輯狀態(tài)；其次，通過系統(tǒng)提供的拉伸、放樣、融合等命令創(chuàng)建所需模型，并對(duì)模型構(gòu)件的尺寸、材質(zhì)、可見性等進(jìn)行參數(shù)化控制；最后，按類別載入項(xiàng)目后即可與原系統(tǒng)族一起使用。這也是族區(qū)別于體量的重要特征，即族編輯器創(chuàng)建的圖元可以修改參數(shù)，體量更像是CAD 中的“塊”，僅是單個(gè)圖元。

2.2 門族創(chuàng)建

教學(xué)樓階梯教室采用外部帶飾面板、內(nèi)部鑲玻璃的雙扇平開門，該模型無法用軟件自帶的系統(tǒng)族創(chuàng)建，需設(shè)計(jì)利用族編輯工具進(jìn)行繪制，創(chuàng)建流程如圖3 所示。

圖3 族模型的創(chuàng)建流程

采用10 m 鋼卷尺實(shí)際測(cè)量，獲得其細(xì)部尺寸，如表1 所示。

表1 門測(cè)量尺寸 mm

（1）族類別與族參數(shù)設(shè)定

分析門的實(shí)體構(gòu)造，擬采用從外到內(nèi)、從上到下的創(chuàng)建思路，利用尺寸標(biāo)注實(shí)時(shí)將尺寸進(jìn)行參數(shù)化固定。選擇“基于墻的公制常規(guī)模型”族樣板，創(chuàng)建一個(gè)新的族文件，進(jìn)入族編輯器狀態(tài)，設(shè)定族類別為門，根據(jù)表1 的有關(guān)內(nèi)容，設(shè)置門洞、門框、門扇、嵌板等需要關(guān)聯(lián)的參數(shù)信息。

（2）模型創(chuàng)建

整個(gè)門族模型包括門洞、門框、門扇及玻璃嵌板等四部分。具體創(chuàng)建流程為：在族編輯器界面，選擇不同的立面視圖，使用“參照平面”“標(biāo)注—對(duì)齊”“添加參數(shù)”等命令對(duì)構(gòu)件尺寸進(jìn)行約束，結(jié)合“拉伸”“放樣”“旋轉(zhuǎn)”等命令進(jìn)行模型創(chuàng)建；使用“注釋—對(duì)齊”命令對(duì)模型的長(zhǎng)度、高度進(jìn)行標(biāo)注，通過“添加參數(shù)”功能和族類型中設(shè)置的“寬度”“高度”進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)；改變模型寬度和高度值，查看參數(shù)關(guān)聯(lián)效果。采用族編輯器創(chuàng)建的教學(xué)樓門模型如圖4 所示。

圖4 門族模型示意

（3）模型載入

為便于創(chuàng)建完成的族文件經(jīng)載入項(xiàng)目后直接調(diào)用，且能在項(xiàng)目文件中更好地展示使用，需要再設(shè)置幾種常見的族類型。在平面視圖中為其添加控件，并繪制門在項(xiàng)目平面視圖中的顯示樣式等，最后通過“插入”菜單欄下的“載入”命令將繪制的族文件載入項(xiàng)目。教學(xué)樓模型中的門族放置完成，其渲染效果如圖5 所示。

圖5 門族渲染效果

2.3 其他構(gòu)件族創(chuàng)建

建筑物中部分窗構(gòu)件及教室內(nèi)部的桌椅均采用族工具進(jìn)行模型創(chuàng)建，效果如圖6 所示。

圖6 窗及桌構(gòu)件族模型

利用族工具也可對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的鋼筋進(jìn)行布置，如其中某一段梁的內(nèi)部鋼筋布置如圖7 所示。

圖7 梁構(gòu)件族模型

從圖7 可看出，梁底縱向受力鋼筋采用2 根直徑12 mm 的一級(jí)鋼，支座負(fù)筋采用1 根直徑14 mm 的二級(jí)鋼，架立筋為2 根直徑6 mm 的一級(jí)鋼，箍筋直徑為6 mm，加密區(qū)間距為50 mm，非加密區(qū)間距為150 mm。

3 體量模型創(chuàng)建

3.1 體量的概念

Revit 軟件中的體量，也稱為概念體量[4]，是建筑師在項(xiàng)目規(guī)劃和初步設(shè)計(jì)階段快速將設(shè)計(jì)思路進(jìn)行模型化展示的一種工具。在初步設(shè)計(jì)階段，業(yè)主對(duì)建筑內(nèi)部細(xì)節(jié)要求不高，更多關(guān)注建筑外形、層高、場(chǎng)地位置等信息，此時(shí)，建筑師可以利用體量和場(chǎng)地工具中的空心形狀、實(shí)心形狀進(jìn)行快速建模。

體量有內(nèi)建體量和外部體量?jī)煞N形式：內(nèi)建體量?jī)H在當(dāng)前項(xiàng)目中使用，外部體量則可以在不同項(xiàng)目中進(jìn)行載入。創(chuàng)建異形體和復(fù)雜曲面是體量的重要應(yīng)用，也是傳統(tǒng)建模無法實(shí)現(xiàn)的。載入項(xiàng)目的體量還可通過體量樓層、體量屋頂、體量面墻等工具快速實(shí)現(xiàn)“面”向“體”的轉(zhuǎn)變，從而將體量模型轉(zhuǎn)變成建筑模型。

3.2 講臺(tái)體量模型創(chuàng)建

體量工具主要用于室外臺(tái)階、教室講臺(tái)及桌椅等模型的建立。本文以講臺(tái)為例闡述體量模型的創(chuàng)建過程，具體流程如圖8 所示。

圖8 體量模型的創(chuàng)建流程

（1）尺寸測(cè)量

講臺(tái)由底座和上部主體組成。經(jīng)實(shí)地測(cè)量，講臺(tái)的尺寸數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 教室講臺(tái)測(cè)量尺寸 mm

（2）模型創(chuàng)建

講臺(tái)體量模型主要包括底座和上部主體兩部分。在體量編輯器界面，切換不同的視圖窗口，使用繪制工具欄中相應(yīng)的繪圖命令繪制構(gòu)件的輪廓：在三維視圖下選中繪制的輪廓，在“創(chuàng)建形狀”菜單中選取“實(shí)心形狀”或“空心形狀”命令即可完成模型的建立；選中實(shí)體模型，設(shè)置其材質(zhì)為鋁材。

（3）模型載入

創(chuàng)建完整的體量模型，可以直接使用體量編輯器中“載入項(xiàng)目”命令進(jìn)行載入，也可以保存為體量文件后通過項(xiàng)目文件中的“放置體量”命令進(jìn)行布置。該樓模型中的講臺(tái)構(gòu)件放置完成后，經(jīng)渲染效果如圖9 所示。

圖9 講臺(tái)模型渲染效果

3.3 其他體量模型創(chuàng)建

建筑中的室外入口臺(tái)階及孔子像等構(gòu)件在建模時(shí)均使用了體量工具，效果如圖10 所示。

圖10 入口臺(tái)階及孔子像體量模型

建筑屋頂做法通常在建筑圖紙中以文字表達(dá)，而利用體量工具可以對(duì)屋面防水、墻體保溫等施工做法進(jìn)行三維立體化直觀表達(dá)。教學(xué)樓屋面做法模型表達(dá)效果如圖11 所示。

圖11 屋面防水做法

4 結(jié)論與展望

熟練使用族和體量工具是建模師必須掌握的基本技能。族工具可以創(chuàng)建一類具有相似或相同屬性的圖元，體量工具在異形和復(fù)雜曲面建模上有重要的應(yīng)用。兩者的操作原理基本一致，使用功能卻有很大差別。利用Revit 軟件創(chuàng)建土建模型是BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)[5]。在利用軟件自身提供的系統(tǒng)族建立模型時(shí)，經(jīng)常遇到常規(guī)方法無法創(chuàng)建的情況，因此需借助族和體量工具，自主創(chuàng)建特殊構(gòu)件的族庫。

不同視圖的切換和參照平面的設(shè)置是族和體量模型創(chuàng)建的重點(diǎn)、難點(diǎn)。過多載入的族和體量會(huì)造成項(xiàng)目在展示過程中運(yùn)行過慢，且目前Revit軟件尚未提供低版本的保存功能，各專業(yè)間的協(xié)調(diào)和后期文件的渲染也是軟件的短板。但是，基于Revit 軟件的BIM 技術(shù)是建筑技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]，因此需針對(duì)上述不足加強(qiáng)研究，不斷完善軟件功能，同時(shí)研發(fā)更多其他方便實(shí)用的國產(chǎn)建模軟件。