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

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，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。

國家電網(wǎng)公司也大力推動以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)計階段建立圍墻三維布置模型。目前，大多數(shù)電力設(shè)計院采用Revit軟件進(jìn)行圍墻建模，Revit相對其他設(shè)計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)件通過手動布置，無法批量生成，導(dǎo)致建模效率較低；布置過程中時容易出現(xiàn)因操作錯誤而引起的模型偏差，降低模型精準(zhǔn)度。此外，若設(shè)計方案發(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)置族庫建模、外部引入族建模、Dynamo for Revit參數(shù)化建模[1]。內(nèi)置族庫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)，每個節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一個特定的任務(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)計效率。

1 技術(shù)路線

以變電工程圍墻設(shè)計方案為數(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)置各個獨(dú)立模型的建模基準(zhǔn)點(diǎn)，基于基準(zhǔn)點(diǎn)批量生成各個墻柱和基礎(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，以便建模時直接調(diào)用。圖2為墻柱臺階式基礎(chǔ)族的平、立面圖示例，定義了各級臺階及墊層的長度、寬度、高度、材質(zhì)等主要設(shè)計參數(shù)。

圖2 參數(shù)化臺階基礎(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，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)建模基準(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度S，墻柱間距設(shè)為L。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，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，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，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，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)建模基準(zhǔn)點(diǎn)，比如S=31 m，L=3 m時，[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 定義建模基準(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、臺階基礎(chǔ)、承臺基礎(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 圍墻分段及建模控制參數(shù)

5 結(jié)語

本文通過對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)計和自動化建模的工作流。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)計程度和建模效率的同時，保證了模型精度和構(gòu)件之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)，推廣了BIM技術(shù)在變電工程中的深入應(yīng)用。