劉尚蔚，熊東，魏群

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

基于建筑信息模型技術(shù)的水電工程族庫(kù)的構(gòu)建

劉尚蔚，熊東，魏群

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

利用建筑信息模型的建模軟件Revit進(jìn)行水電工程信息模型構(gòu)建時(shí)，存在建模速度慢，設(shè)計(jì)人員、各專業(yè)協(xié)同性差，構(gòu)建模型精度低等問(wèn)題。在深入分析建筑信息模型建模軟件和水電工程特殊性的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)Revit族庫(kù)構(gòu)建方法的研究和拓展，并以某水電工程建筑信息模型的建立為例，提出了一種構(gòu)建水電工程標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的方法，有效促進(jìn)了族庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化，為實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建水電工程信息模型找到了一條路徑，提高了水電工程信息模型的建模效率。

水電工程；信息模型；Revit；標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)

建筑信息模型(Building Information Modeling，以下簡(jiǎn)稱BIM)技術(shù)是以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)數(shù)據(jù)信息建立信息模型，在項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物的所有信息[1]。水電工程規(guī)模較大，項(xiàng)目系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期短，工期較為緊張[2]。如何在短時(shí)間內(nèi)建立水電工程信息模型成為各設(shè)計(jì)單位丞須解決的問(wèn)題。在信息模型的構(gòu)建過(guò)程中，族是其核心內(nèi)容，是各種信息數(shù)據(jù)的的載體，是信息模型的基礎(chǔ)。族之所以可以重復(fù)利用是因?yàn)樽鍢?gòu)件模型是通過(guò)參數(shù)化方式構(gòu)建和表達(dá)的，通過(guò)修改其參數(shù)，就可以改變?cè)Ｐ偷南嚓P(guān)屬性。在建模時(shí)，只需調(diào)整族構(gòu)件的參數(shù)就可以多次應(yīng)用到模型構(gòu)建中[3]。由于水電工程沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)，設(shè)計(jì)單位會(huì)根據(jù)自己的需要，內(nèi)部制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建族庫(kù)，所構(gòu)建的族庫(kù)得不到其他設(shè)計(jì)單位的一致認(rèn)可，族構(gòu)件的各種數(shù)據(jù)信息也不能有效地進(jìn)行交換，給族構(gòu)件的重復(fù)利用帶來(lái)了不便[4]。筆者將BIM族庫(kù)運(yùn)用到某水電工程項(xiàng)目中，對(duì)Revit族庫(kù)進(jìn)行拓展，提出了一種構(gòu)建水電工程標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的方法，為實(shí)現(xiàn)水電工程信息模型快速構(gòu)建找到了一條路徑，從而提高建模的效率。

一、技術(shù)路線

以Revit族庫(kù)構(gòu)建為指導(dǎo)，結(jié)合水電工程的特點(diǎn)，本文對(duì)水電工程標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的構(gòu)建方法進(jìn)行了研究，具體的構(gòu)建思路如圖1所示。

圖1 族庫(kù)構(gòu)建的基本思路

二、族庫(kù)的拓展

Revit族的制作是建模工作能夠順利開(kāi)始的前提，在利用BIM軟件Revit進(jìn)行信息模型的構(gòu)建中，族是其核心元素，它是信息數(shù)據(jù)的載體，包括了建族物的幾何與非幾何(尺寸、結(jié)構(gòu)、材料、加工制造、廠商等相關(guān)數(shù)據(jù)信息)屬性[5]。族庫(kù)是具有相同特征、造型類似、參數(shù)不同的族及其資源的集合，如可分為電氣、給排水、暖通等[6]。族庫(kù)隨著設(shè)計(jì)方法、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展而成為一種信息資源庫(kù)，并逐漸與現(xiàn)在的信息理論相結(jié)合，對(duì)促進(jìn)族庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化具有重要作用。族庫(kù)的基本功能有歸類、存儲(chǔ)、檢索、下載、拓展與共享[7]。標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的構(gòu)建能很好地幫助設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建信息模型時(shí)相互協(xié)調(diào)并方便檢索，可以減少模型的重復(fù)繪制，在以后信息模型的構(gòu)建時(shí)可直接調(diào)取族庫(kù)里面的族構(gòu)件，大大減少了建模的工作量，更方便工作人員進(jìn)行管理，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。水電工程目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的族庫(kù)，一定程度上導(dǎo)致了信息模型構(gòu)建速度慢等問(wèn)題。因此，構(gòu)建水電工程標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)十分有必要。

(一)實(shí)體的拆分

模型的拆分是族構(gòu)建的一個(gè)重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，完善的模型拆分可以避免很多重復(fù)的建模工作，便于設(shè)計(jì)人員建模時(shí)對(duì)工作進(jìn)行分配并相互協(xié)作。由于水電工程BIM信息模型過(guò)大，進(jìn)行模型構(gòu)建的設(shè)計(jì)人員也會(huì)比較多，有時(shí)十幾人同時(shí)進(jìn)行模型的構(gòu)建。為使設(shè)計(jì)人員更好地實(shí)現(xiàn)協(xié)同，便于項(xiàng)目人員的統(tǒng)一管理，合理的拆分就顯得十分重要。模型拆分時(shí)采用的方法應(yīng)照顧到參與建模的所有內(nèi)部和外部專業(yè)團(tuán)隊(duì)，并獲得一致認(rèn)可。在拆分的每個(gè)文件中最多包含一個(gè)建筑體并且模型文件應(yīng)僅包含來(lái)自一個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù)。水電建筑物其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件數(shù)量多且相似度大，拆分具有一定的難度。本文是將水電模型分為主模型、分模型和子模型，按專業(yè)分成類模型，然后將類模型細(xì)分為不同的構(gòu)件，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編碼。

(二)模型文件的命名

水電工程規(guī)模大，建筑物復(fù)雜，拆分出的模型族構(gòu)件龐大繁雜，能讓人清晰明了地了解此文件夾的內(nèi)容十分重要，所以必須嚴(yán)格規(guī)定文件的命名方式，以便得到清晰的文件名。為了得到靈活簡(jiǎn)潔的文件名稱，文件名字不能太長(zhǎng)，應(yīng)把握好文件名清晰度和長(zhǎng)度之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)查閱資料，借鑒香港房屋署的BIM標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)里文件命名方式，把模型文件分為6個(gè)字段，中間用“-”分隔。按照項(xiàng)目編碼-子項(xiàng)編碼-階段(如項(xiàng)目策劃、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、合約、實(shí)施階段)-專業(yè)-分部工程-描述等6個(gè)階段命名。例如文件模型文件名為：001-A1-SJ-SZ-ZS-K0_K30.rvt,文件名中001表示項(xiàng)目編號(hào)為001，A1表示1標(biāo)段，SJ表示標(biāo)段1的設(shè)計(jì)階段，SZ表示設(shè)計(jì)階段下的水閘工程，ZS表示水閘工程中的閘室工程，K0_K30表示閘室工程設(shè)計(jì)階段下樁號(hào)K0到K30所有模型。

(三)族命名與族參數(shù)命名

族構(gòu)件的分類命名是設(shè)計(jì)人員對(duì)族庫(kù)進(jìn)行檢索和調(diào)用的前提，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一命名不僅能清晰明了地告知設(shè)計(jì)人員此族構(gòu)件所代表的模型，而且對(duì)模型中構(gòu)件工程量的統(tǒng)計(jì)和管理帶來(lái)了很大幫助，它是族庫(kù)構(gòu)建極其重要的一步?？梢詤⒄兆宓姆诸惙椒霸陧?xiàng)目中實(shí)施的具體要求對(duì)族進(jìn)行命名，經(jīng)過(guò)查閱資料，以單位工程編碼、分部工程編碼、分項(xiàng)工程編碼、分項(xiàng)工程族編碼、分項(xiàng)工程族類型的順序進(jìn)行命名。如渡槽地板族的命名為：DL-DC-DCDB-DCDB01-4200*2100。

Revit軟件中族構(gòu)件的重點(diǎn)在于其屬性(幾何屬性和非幾何屬性)的參數(shù)化，也是族構(gòu)件可以重復(fù)利用的基礎(chǔ)。通過(guò)修改族參數(shù)即可改變族構(gòu)件的屬性，規(guī)范的族參數(shù)命名可以清楚地告知設(shè)計(jì)人員每個(gè)參數(shù)的具體含義及參數(shù)代表的構(gòu)件的屬性，同時(shí)有助于項(xiàng)目的溝通、識(shí)別和管理，也可以形成不同協(xié)作團(tuán)隊(duì)間、企業(yè)間相互溝通的標(biāo)準(zhǔn)。為保障項(xiàng)目及族庫(kù)文件管理系統(tǒng)的高效工作，避免BIM模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繁瑣，制定了簡(jiǎn)明扼要的參數(shù)命名規(guī)范。族構(gòu)件的長(zhǎng)度用L表示、高度用H表示、寬度用W表示、深度用D表示、槽寬度用B表示。其他方面的變化可以用數(shù)字來(lái)區(qū)分命名，同一個(gè)族類型的尺寸規(guī)定由上到下、由左到右、由外到內(nèi)的順序命名，譬如D1、D2等。如渡槽底板的參數(shù)命名規(guī)則如圖2所示。

圖2 渡槽底板族參數(shù)命名示例

圖2示例中DC表示渡槽，DCD表示渡槽底板，Ln表示渡槽底板各部位的長(zhǎng)度，Hn表示渡槽底板各部位的高度。

(四)族庫(kù)的建立

在構(gòu)建族時(shí)，項(xiàng)目中所有模型均使用統(tǒng)一的單位與度量制，使用真實(shí)坐標(biāo)系，族構(gòu)件制作步驟如圖3所示，制作的族構(gòu)件質(zhì)量的好壞，可通過(guò)可用性測(cè)試和調(diào)試辨別，最后將調(diào)試好的族構(gòu)件歸類成族庫(kù)。通過(guò)規(guī)范的族和族參數(shù)命名，使建立的族具有良好的通用性和高度的參數(shù)化性質(zhì)。在水電工程建模過(guò)程中，可以不斷積累水電工程族并進(jìn)行拓展，這樣不僅能夠使族庫(kù)得到持續(xù)的補(bǔ)充，又能夠高效地利用族庫(kù)。

圖3 族構(gòu)件的制作步驟

三、BIM模型的構(gòu)建

模型的裝配搭建是整個(gè)BIM模型創(chuàng)建的最后一步，也是對(duì)之前創(chuàng)建族的一個(gè)具體應(yīng)用。由于Revit族構(gòu)件是參數(shù)化的構(gòu)件，在模型構(gòu)建時(shí)只需調(diào)用族庫(kù)里面的族構(gòu)件，通過(guò)修改族構(gòu)件參數(shù)或在模型上直接進(jìn)行編輯，就可以實(shí)現(xiàn)族構(gòu)件的變換，從而滿足模型搭建的要求。

(一)模型軸網(wǎng)的布置

在構(gòu)建好各個(gè)水電工程項(xiàng)目的族構(gòu)件之后，需要在Revit中新建一個(gè)“構(gòu)造樣板”項(xiàng)目，載入需要的族構(gòu)件進(jìn)行模型的裝配搭建。在進(jìn)行模型裝配時(shí)，首先要做的就是根據(jù)各種圖紙?jiān)赗evit“構(gòu)造樣板”里面構(gòu)建大壩的軸網(wǎng)和標(biāo)高，以便能夠確定整體模型中的各個(gè)壩段、壓力管道、廊道、節(jié)制閘、廠房等建筑物的準(zhǔn)確空間位置。在“構(gòu)造”選項(xiàng)卡下的“基準(zhǔn)”菜單中找到“軸網(wǎng)”選項(xiàng)，單擊“修改/放置軸網(wǎng)”選項(xiàng)卡，根據(jù)“繪制”選項(xiàng)卡里面軸網(wǎng)的類型，在工作界面繪制需要的軸網(wǎng)，如圖4所示。同理，在工作界面根據(jù)圖紙繪制標(biāo)高，如圖5所示。

圖4 模型構(gòu)建項(xiàng)目軸網(wǎng)

Revit會(huì)為每個(gè)軸網(wǎng)編號(hào)，以數(shù)字的形式出現(xiàn)，如果想以字母的形式出現(xiàn)，只需把第一個(gè)軸網(wǎng)編號(hào)修改為字母，其它軸網(wǎng)則自動(dòng)以字母的形式表示。在繪制軸網(wǎng)時(shí)，可以讓各軸線的頭部和尾部相互對(duì)齊，如果要移動(dòng)軸網(wǎng)時(shí)，所有對(duì)齊的軸網(wǎng)也都會(huì)隨之移動(dòng)。

圖5 模型構(gòu)建項(xiàng)目標(biāo)高

(二)族構(gòu)件在Revit項(xiàng)目中空間位置變換

在Revit項(xiàng)目中載入族或者制作嵌套族的時(shí)候，有時(shí)候需要轉(zhuǎn)變它們之間的空間位置關(guān)系從而滿足模型的搭建，同時(shí)也存在著繁多的約束關(guān)系，比如對(duì)齊、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等。利用這些約束關(guān)系，可以很快地把不同的族構(gòu)件嵌套或者裝配到合適的位置上，并通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)、約束傳遞的方式實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的變化。

從原理上講，族構(gòu)件在項(xiàng)目中的搭建及相互之間的嵌套過(guò)程就是裝配空間坐標(biāo)和族構(gòu)件坐標(biāo)系統(tǒng)交換的過(guò)程，通?？梢杂靡粋€(gè)4×4的位姿矩陣變換得到：

(x1，y1，z1，1)T=A(x，y，z，1)T。

(x1，y1，z1，1)T表示空間整體坐標(biāo)位置，(x，y，z，1)T表示空間局部坐標(biāo)位置,A表示變換矩陣。

平移變化中，變換矩陣

dx、dy、dz表示平移變量。

旋轉(zhuǎn)變換中繞x軸旋轉(zhuǎn)矩陣

繞y軸旋轉(zhuǎn)矩陣

繞z軸旋轉(zhuǎn)矩陣

族構(gòu)件的任何空間變換均可通過(guò)一定量的平移和旋轉(zhuǎn)變換組合得到。

(三)族在項(xiàng)目中的搭建

把需要應(yīng)用的族構(gòu)件分類載入到已經(jīng)創(chuàng)建好的標(biāo)高和軸網(wǎng)的“構(gòu)造樣板”項(xiàng)目里面，并制定編制族在項(xiàng)目里面的名稱編號(hào)。根據(jù)標(biāo)高和軸網(wǎng)確定各個(gè)壩段在空間的位置，通過(guò)變換族構(gòu)件的方向(移動(dòng)、旋轉(zhuǎn))，放置到合適的位置上，對(duì)齊軸網(wǎng)，并在合適的標(biāo)高和立面視圖上調(diào)整位置，以對(duì)齊軸網(wǎng)并鎖定。依據(jù)之前放置的各個(gè)壩段的位置，分別放置其相應(yīng)的設(shè)備族(如發(fā)電機(jī)廠房族等其他設(shè)備)，如果在項(xiàng)目中移動(dòng)不了，可以在屬性里面通過(guò)數(shù)字調(diào)整起點(diǎn)和終點(diǎn)的標(biāo)高來(lái)控制族的上下位置，以使模型放置到準(zhǔn)確位置，最后鎖定對(duì)齊。全部裝配完成之后，檢查各個(gè)族構(gòu)件之間是不是已經(jīng)對(duì)齊鎖定，以及各個(gè)族構(gòu)件的邏輯關(guān)系是否正確。根據(jù)上述方法搭建完成的渡槽信息模型如圖6所示。

圖6 渡槽信息模型

四、結(jié)語(yǔ)

基于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化族庫(kù)的構(gòu)建方法，以現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件Revit為工具，通過(guò)族構(gòu)件裝配構(gòu)建了某水電工程建筑信息模型，提出了一種構(gòu)建水電工程標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的構(gòu)想。水電工程標(biāo)準(zhǔn)化的族庫(kù)構(gòu)建能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)族構(gòu)件的儲(chǔ)存和管理，并進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，使族構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息更加完整，有助于解決工程信息的流失，并對(duì)后期模型數(shù)據(jù)的信息傳輸和應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的構(gòu)建便于設(shè)計(jì)人員快速地從族庫(kù)里面進(jìn)行族構(gòu)件提取和信息檢索，通過(guò)修改族構(gòu)件的參數(shù)載入到項(xiàng)目中即可實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建，不僅大大節(jié)省了建模的時(shí)間，也提高了模型的精準(zhǔn)度。

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ResearchofConstructionMethodofHydropowerProjectLibraryBasedonBIMTechnology

LIU Shangwei, XIONG Dong, WEI Qun

(College of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

When we construct hydropower engineering information model with BIM modeling software Revit, there are many problems such as slow modeling velocity, poor coordination among designers and various disciplines, low modeling accuracy. Based on the deep analysis of BIM software and the specificity of hydropower project, taken BIM of a specific hydropower project as an example, this paper puts forward a method to building a standardized family library for hydropower project, which can promote the Revit library standardization and informatization effectively, through the research and expansion of Revit family library construction method, thus providing a path for constructing hydropower project BIM rapidly and enhancing the hydropower project BIM modeling efficiency.

hydropower project; building information model; Revit; standardized family library

2017-08-10

河南省教育廳科技開(kāi)放合作項(xiàng)目“工程結(jié)構(gòu)虛擬仿真動(dòng)態(tài)建模引擎技術(shù)與應(yīng)用”(142106000043)

劉尚蔚(1967—)，女，河南南陽(yáng)人，華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)可視化仿真； 熊東(1989—)，男，重慶云陽(yáng)人，華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)可視化仿真； 魏群(1947—)，男，山東諸城人，華北水利水電大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)與工程研究院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)可視化仿真。

C931；TV222.2

A

1008—4444(2017)06—0034—04

蔡洪濤)