數字化設計成果移交過程中自動化優化技術

孫東輝，陳 粵，呂征宇

(1.上海欣能信息科技發展有限公司，上海 200025；2.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200233)

1 數字化設計模型現狀

2014年上海土地規劃局規定，除重點地區和敏感區域外，建筑高度超過100 m或地上建筑面積超過10萬m2的商業、辦公、酒店等，并對城市空間影響較大的大型公共建筑建設工程必須進行數字化設計[1-2]。自數字化設計要求提出以來，上海市新投入的輸變電工程已采用數字化設計的方式，積累了大量數字化設計成果。與此同時，在運檢管理技術工作中的數字化管理需求也逐漸提上了日程。國網上海市電力公司運檢部根據已有的標準規范和管理辦法，吸收了數字化移交成果的優點并結合BIM技術[3]，制定了基于IFC標準的數字化設計模型移交管理辦法，逐步開展了新投入變電站數字化設計模型移交工作。在此背景下，國網上海市電力公司運檢部根據已有數字化設計模型開展自動化轉換研究，通過吸收研究過程中大量優化數據，積累一定的經驗，并取得顯著成效。

2 數字化設計模型與數字化輸變電管理模型對比

數字化設計模型多使用以Revit為代表的BIM軟件建模，其模型構建是一個參數化的過程。模型的主要目的是為了方便工程信息管理，定位為整合工程生命周期中所需求的信息展示。便于工程設計及建設期間進行材料用料管理，工程造價評估等工程數據驗算。Revit建模軟件使用Autodesk Generic材質為模型添加紋理。數字化設計模型可以直接導出多邊形格式的模型[3]。數字化設計模型導出后面數較多，材質在展示平臺中無法識別。展示時流暢度及美觀度與數字化輸變電管理模型差距巨大。運檢數字化輸變電管理模型多使用以3DS Max為代表的多邊形建模軟件(本文論述實現過程依托3DS Max軟件Script腳本)。

模型以展示外觀為主，不具備數字化設計模型信息管理的功能，但模型細節可控性強。在管控展示平臺中，數字化輸變電生產管理模型運行流暢，模型外觀與現實場景保持一致，便于管控平臺用戶結合實際生產使用。因此，在不考慮模型展示效果的前提下，著重優化模型面數和材質是能夠快速將數字化設計模型導入管控展示平臺中，實現在生產、運維和檢修階段中進行使用。

3 自動化二次建模方案

3.1 模型面數二次建模處理方案

3.1.1 截面擠出類型構件

在Revit模型中，有許多構件的生成方式類似于3DS Max軟件中的擠出命令。鑒于構件生成長短的差異，Revit導出編輯多邊形構件面數往往是3DS Max軟件中以同樣方式生成的可編輯多邊形面數的數倍甚至數百倍。截面擠出類型構件二次建模前后比較如圖1所示。截面擠出類型構件二次建模前后數據對比如表1所示。

圖1 截面擠出類型構件二次建模前后比較圖

表1 截面擠出類型構件二次建模前后數據對比

在大量優化過程中發現，擠出類型的構件在優化過程中仍有規律可循，其特點如下。

(1)構件命名中第一段字符一致者，其生成方式基本一致。

(2)在轉換為可編輯多邊形后，在多邊形層級命令下。

(3)擠出構件首尾兩端，面ID分別是1和2。

(4)擠出構件首尾兩端的多邊形結構規整，可依兩端多邊形重新構建模型。

依據這些特點，可制定優化方案如下。

(1)可依照模型結構及名稱，由腳本選出所有擠出類型的構件。

(3)將單個構件轉換為可編輯多邊形，刪除首尾兩端以外其他的面，然后使用橋接或擠出命令對模型進行重新構建，并重新設定構件的平滑組。

3.1.2 線纜或軟管類型構件

在Revit導出模型中，有許多線性構件會被轉換為可編輯網格導出。由于線性構件的特殊性，Revit導出構件面數會是3DS Max軟件中以樣條線方式生成的可編輯多邊形面數的數十倍甚至數萬倍。而且，在3DS Max軟件中使用可渲染樣條線方式制作的線性對象，可以根據需要動態修改橫截面邊數，達到最佳展示效果。

線纜或軟管類型構件二次建模前后比較如圖2所示。線纜或軟管類型構件二次建模前后數據對比如表2所示。

圖2 線纜或軟管類型構件二次建模前后圖

表2 線纜或軟管類型構件二次建模前后數據對比

在進行線性構件優化過程中發現，Revit軟件生成的線性模型其特點如下。

(1)復合線性構件裝換可編輯多邊形后，每條線為一個標準元素。

(2)多數情況下，Revit線性構件幾何體的兩個端面均由24個頂點構成。

(3)在構成線性構件端面的多邊形頂點集中，任何一個頂點到其他頂點的距離最大值為該線性部件的線徑。

(4)在可編輯多邊形狀態下，線性部件轉折處截面頂點數大于其他非轉折處截面頂點數。

依據這些特點，可制定優化方案如下。

(1)測量線性構件端面直徑獲得數據R；設定線性構件線纜轉折處最小頂點數閾值N。設定線性構件轉折點之間的最小距離閾值L。

(2)將線性構件幾何體由可編輯網格轉換為可編輯多邊形。

(3)依照距離首頂點的距離，索引幾何體元素的所有頂點集進行排序。

(4)按照篩選出來的數據，從頂點集中依次選出轉折處頂點集。求頂點集中心坐標值。判斷依據為：頂點集合中相互之間距離不大于R且集合中元素數量不小于N的子頂點集。

(5)依照算法獲取到的頂點集中心坐標集，篩選出相互之間距離大于L的點，重新生成樣條線。

(6)自動設置樣條線的長度、分段、材質和UV。

3.2 模型材質轉換

3.2.1 紋理材質對應轉換材質庫

Revit軟件DS導出模型中，所有幾何體的材質類型均為Autodesk Generic類型的材質。在導出過程中材質球名稱信息恒定不變。在Revit模型導入3DS MAX軟件后，可在3DS MAX軟件中建立對應材質庫，并根據材質球名稱建立對照關系。

因此，要求在Revit軟件中建模時，材質命名需要依照規范進行。在標準的命名規范下，則可以批量根據材質球名稱，自動使用3DS MAX軟件材質庫中的材質球替換導入材質，并重新賦予幾何體UVW貼圖坐標，以達到提升模型美觀度的效果。

一個Revit電站導出文件中的典型材質球效果如圖3所示。材質球對應替換后效果如圖4所示。

圖3 一個Revit電站導出文件中的典型材質球效果

圖4 材質球對應替換后效果

3.2.2 Revit幾何體材質轉換Standard材質球

對其他未進行標準命名的材質球，則無法進行材質自動化替換。在研究過程中，為保證Revit模型色彩效果在展示平臺中正常展示，則需要對材質球中的色值或貼圖進行提取，并使用提取到的數據生成3DS MAX所使用的Standard材質。在以往的工作中，這些步驟通常由人工完成。這形成了替換材質球工作量龐大，并且替換過程中容易出錯的問題。因此，使用插件進行材質球自動化轉換工作是非常有必要的。在詳細檢索Revit材質參數，并進行研究后，總結部分重要對照關系如表3所示。

表3 Revit材質與3DS MAX Standard材質關鍵屬性對照表

由表3中所描述的部分參數匯總可得出，Revit材質具備直接轉換為3DS MAX Standard材質球的基礎，因此可直接通過Script腳本進行轉換。由于Revit軟件內部固有的參數化紋理無法導出，因此使用插件自動轉換可以實現數字化設計模型在管控平臺中快速展示，但并不能完全達到數字化設計模型在Revit軟件的顯示效果。另一方面，Revit軟件在建模時并不注重對材質進行深化編輯。因此，如需提高轉換后的材質效果，則需要對數字化設計模型材質的設定提出新要求。

4 自動化二次建模的效率提升及經濟效益

自動化二次建模技術在數字化設計模型向數字化輸變電管理模型轉換的工作過程中極大地減輕了人工優化的工作量，提升了轉換工作的效率，使得數字化設計模型能夠快速在生產、運維和檢修階段中進行使用，可從一定程度上提升電網運維管理、設備檢修、數字化建模數據采集過程中的安全性。

在經濟效益上面，利用數字化設計成果進行自動化二次建模，所需的建模成本較人工優化大幅度降低。以單個220 kV變電站建模為例，使用自動化腳本優化每個電站可節省的人工成本20人/天，縮短工期30%。同時自動化優化在數字化設計模型向數字化輸變電管理模型轉換的工作過程的大量應用，必將會在電力行業產生深遠的影響，帶來極為特殊的意義。