胡亞森，陳天星，曾文驅(qū)，袁 泉，徐洪亮

（1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 100084；2. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

1 引言

結(jié)構(gòu)化、模塊化、參數(shù)化建模是建筑信息模型（BIM）技術(shù)的核心理念，而Autodesk Revit作為BIM技術(shù)的主流設(shè)計(jì)平臺，其模塊化、參數(shù)化建模理念的直接體現(xiàn)就是族的應(yīng)用[1]。族是一個(gè)包含通用屬性（稱作參數(shù)）集和相關(guān)圖形表示的圖元組[2-3]，作為Revit的重要組成部分，貫穿于整個(gè)建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目中[4]。由于Revit族文件存在制作程序繁瑣、制作工程量大、管理混亂等缺點(diǎn)，其設(shè)計(jì)是Revit建模中占用時(shí)間較長的一個(gè)環(huán)節(jié)，也成為制約我國BIM技術(shù)發(fā)展的一大瓶頸[5]。

城市軌道交通建設(shè)工程是一項(xiàng)多專業(yè)、多單位參與，在多約束、長周期、大投入條件下建設(shè)的復(fù)雜系統(tǒng)工程[6]。其涉及40多個(gè)專業(yè)，包括運(yùn)營組織、車輛、限界、線路、軌道、車站建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、供電、通信、自動(dòng)售檢票、綜合監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、站臺門等系統(tǒng)，相關(guān)構(gòu)件多達(dá)上1 000種[7-8]，因此在開展BIM設(shè)計(jì)時(shí)，所需的Revit族文件數(shù)量非常龐大，合理使用族庫可以有效地提高建模效率。目前，城市軌道交通工程相關(guān)的BIM族庫分為2 類：① 由軟件廠商在BIM基礎(chǔ)軟件中提供的BIM產(chǎn)品庫，如Revit自帶族庫、族庫大師、鴻業(yè)族庫、筑龍網(wǎng)族庫、Revit City等；②各企業(yè)針對具體項(xiàng)目自己建立的BIM產(chǎn)品庫[9]。然而，這些族庫的編碼與管理規(guī)則無法滿足城市軌道交通行業(yè)對構(gòu)件全生命周期管理的要求，也無法解決其涉及專業(yè)眾多、族文件管理混亂的問題。

為此，本文提出一種基于統(tǒng)一編碼的城市軌道交通BIM族庫管理方法（以下簡稱“BIM族庫管理方法”），并依據(jù)此方法構(gòu)建城市軌道交通BIM族庫管理系統(tǒng)（以下簡稱“BIM族庫管理系統(tǒng)”），以期實(shí)現(xiàn)對城市軌道交通工程相關(guān)構(gòu)件的全生命周期管理。

2 統(tǒng)一編碼規(guī)則概述

2.1 建立統(tǒng)一編碼規(guī)則的必要性

近年來，國內(nèi)城市軌道交通工程快速發(fā)展，已有不少學(xué)者開展了城市軌道交通BIM構(gòu)件分類編碼研究。畢湘利等[10]提出了一種基于城市軌道交通資產(chǎn)管理的構(gòu)件分類編碼規(guī)則；沈小兵等[11]以城市軌道交通行業(yè)為研究對象，總結(jié)其資產(chǎn)編碼的基本結(jié)構(gòu)，并分析資產(chǎn)編碼的作用。然而，上述構(gòu)件編碼規(guī)則均以資產(chǎn)管理為出發(fā)點(diǎn)，僅用于城市軌道交通工程的初步設(shè)計(jì)階段，而并未應(yīng)用到建設(shè)和運(yùn)維階段中，從而無法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件信息在城市軌道交通工程全生命周期的共享，無法在其生命周期的其他階段產(chǎn)生效益[12]。

建立統(tǒng)一的構(gòu)件分類編碼規(guī)則，可以將城市軌道交通工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的構(gòu)件唯一標(biāo)識（UID）無縫地應(yīng)用到建設(shè)、運(yùn)維階段，解決由于不同部門采用不同編碼規(guī)則而導(dǎo)致的各階段“信息孤島”等問題，達(dá)到信息共享與轉(zhuǎn)換的目的，進(jìn)而更好地為城市軌道交通運(yùn)營維護(hù)管理服務(wù)。

2.2 編碼規(guī)則

針對城市軌道交通工程涉及的構(gòu)件數(shù)量多、層級結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，參考廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司的BIM構(gòu)件編碼規(guī)則，本文提出一種符合城市軌道交通工程特點(diǎn)的BIM構(gòu)件統(tǒng)一編碼規(guī)則，采用線分類法對城市軌道交通構(gòu)件進(jìn)行管理。線分類法也稱等級分類法，按選定的若干屬性（或特征）將分類對象逐次分為若干層級，每個(gè)層級又分為若干類目；同一分支的同層級類目之間構(gòu)成并列關(guān)系，不同層級類目之間構(gòu)成隸屬關(guān)系；同層級類目互不重復(fù)、互不交叉[13]。其編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 編碼結(jié)構(gòu)

具體編碼規(guī)則如下。

（1）整個(gè)編碼結(jié)構(gòu)分為三段-八級編碼，共19位。三段編碼為任務(wù)階段編碼、設(shè)計(jì)階段編碼以及流水號編碼。

（2）任務(wù)階段編碼包含一級編碼、二級編碼和三級編碼。其中，一級編碼為城市編碼，由2位字符構(gòu)成，從“01”至“99”，代表構(gòu)件所在城市；二級編碼為線路編碼，由2位字符構(gòu)成，從“01”至“99”，代表構(gòu)件所在的線路；三級編碼為建模對象編碼，表示構(gòu)件所在車站、區(qū)間、車輛段等，采用3位字符，即1位字母+2位數(shù)字，如表1所示。

表1 建模對象編碼

（3）設(shè)計(jì)階段編碼包含四級至七級編碼。其中，四級編碼為專業(yè)編碼，五級編碼為子系統(tǒng)編碼，六級編碼為構(gòu)件編碼，七級編碼為構(gòu)件類型編碼，均由2位數(shù)字構(gòu)成（經(jīng)調(diào)研，城市軌道交通行業(yè)所涉及的專業(yè)、各專業(yè)涉及的子系統(tǒng)、各子系統(tǒng)包含的構(gòu)件及其類型一般不超過100種，因此采用2位數(shù)字編碼已經(jīng)足夠）。表2列舉了某些專業(yè)的構(gòu)件在設(shè)計(jì)階段的編碼表。

表2 某些專業(yè)的構(gòu)件在設(shè)計(jì)階段的編碼表

（4）流水號編碼采用十進(jìn)制的計(jì)算方式，由4位數(shù)字構(gòu)成，從“0000”至“9999”。但是在實(shí)際項(xiàng)目中，有少量構(gòu)件的類型會超過9999種，如通風(fēng)空調(diào)專業(yè)的風(fēng)管。為彈性解決此類問題，流水號編碼采用36進(jìn)制作為補(bǔ)充，即字母（A～Z）+ 3位數(shù)字，其存儲容量可比十進(jìn)制擴(kuò)大168倍。例如，通風(fēng)空調(diào)專業(yè)某一類型風(fēng)管的流水號編碼達(dá)到“9999”，則下一個(gè)同類型風(fēng)管流水號編碼即為“A001”。

3 基于統(tǒng)一編碼的BIM族庫管理方法

基于統(tǒng)一編碼的BIM族庫管理方法是指依據(jù)統(tǒng)一編碼規(guī)則，對城市軌道交通工程項(xiàng)目的族文件進(jìn)行管理，具體包括系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)管理與可視化管理2方面。系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)管理是指在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建各級編碼的層級數(shù)據(jù)表，用于管理各級編碼下的具體信息；通過文件服務(wù)器對項(xiàng)目中涉及的族文件進(jìn)行統(tǒng)一管理，將文件服務(wù)器中族文件的地址及其對應(yīng)的編碼信息存放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中，從而將族文件的上傳下載地址與其編碼綁定起來，實(shí)現(xiàn)僅通過族文件的編碼屬性獲取對應(yīng)族文件的功能。系統(tǒng)可視化管理是指在Web端和Revit端生成族庫結(jié)構(gòu)目錄樹，并設(shè)置人機(jī)交互界面以便于用戶操作。

實(shí)現(xiàn)該管理方法的關(guān)鍵是，從項(xiàng)目開始起便使用統(tǒng)一編碼，即在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段為BIM模型中的每一個(gè)構(gòu)件添加統(tǒng)一編碼。各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建BIM模型時(shí)應(yīng)通過BIM族庫載入每一個(gè)族文件，并在載入族文件時(shí)通過Revit二次開發(fā)為每一個(gè)族文件添加對應(yīng)的編碼信息，并使其與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中存儲的編碼信息保持一致，以保證族庫管理系統(tǒng)的通用性、可移植性及數(shù)據(jù)一致性。

在實(shí)際工程中，構(gòu)件的任務(wù)階段編碼是根據(jù)具體項(xiàng)目生成的。在將族文件載入Revit項(xiàng)目后，可通過自動(dòng)編碼功能將族文件實(shí)例化，此時(shí)的編碼包括任務(wù)階段編碼和設(shè)計(jì)階段編碼，共15位，然后再加上4位流水號編碼，最終形成19位唯一編碼。以廣州地鐵14號線太和站為例，其任務(wù)階段編碼為“0214Z04”，建筑專業(yè)鋼質(zhì)密閉門的設(shè)計(jì)階段編碼為“03030604”。其對應(yīng)的項(xiàng)目族庫結(jié)構(gòu)目錄樹如圖2所示。

圖2 廣州地鐵14號線太和站項(xiàng)目族庫結(jié)構(gòu)目錄樹

4 BIM 族庫管理系統(tǒng)

本章根據(jù)上文提出的BIM族庫管理辦法，構(gòu)建BIM族庫管理系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)及隱式自動(dòng)編碼2方面對其進(jìn)行介紹。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BIM族庫管理系統(tǒng)由FastDFS文件服務(wù)器、MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、Web客戶端和Revit客戶端4部分組成。Web和Revit客戶端產(chǎn)生或使用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過FastDFS文件服務(wù)器進(jìn)行存儲和管理；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理。FastDFS文件服務(wù)器在進(jìn)行文件上傳時(shí)產(chǎn)生的文件名和文件存儲地址通過MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的層級數(shù)據(jù)表存儲，并在Web和Revit客戶端以結(jié)構(gòu)目錄樹的形式展示。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、功能應(yīng)用層和用戶層4層結(jié)構(gòu)，下面將介紹每層結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容。

4.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包含結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化2種數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)角色信息、族屬性信息等，采用具有體積小、速度快、成本低、開放源代碼等特點(diǎn)的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲[14]。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如相關(guān)專業(yè)的族文件及說明文檔等，采用FastDFS文件服務(wù)器進(jìn)行存儲、同步和訪問，該文件服務(wù)器是一種開源的高性能分布式文件系統(tǒng)，具有高容量和負(fù)載平衡的特點(diǎn)。

4.1.2 服務(wù)層

服務(wù)層介于數(shù)據(jù)層和功能應(yīng)用層之間，負(fù)責(zé)訪問和傳遞MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)化信息及FastDFS文件服務(wù)器中族文件的相關(guān)文檔。其通過調(diào)用Web和Revit客戶端接口，訪問FastDFS文件服務(wù)器及MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，并保證數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、Revit客戶端及Web客戶端的數(shù)據(jù)一致性。

4.1.3 功能應(yīng)用層

功能應(yīng)用層是BIM族庫管理系統(tǒng)所有功能的集合，包括Web客戶端功能及Revit客戶端功能。

Web客戶端功能夠?qū)崿F(xiàn)對族庫文件的查詢、審核與管理維護(hù)，其功能包括設(shè)置族庫負(fù)責(zé)人、審核和管理族文件、對族文件進(jìn)行下載記錄等。

Revit客戶端作為設(shè)計(jì)的主平臺，也是BIM族庫管理系統(tǒng)的寄生地，實(shí)現(xiàn)對族文件的繪制和應(yīng)用，其功能包括結(jié)構(gòu)目錄樹讀取、族屬性讀取、縮略圖顯示、族文件下載和載入等，具體功能如下。

（1）結(jié)構(gòu)目錄樹讀取。結(jié)構(gòu)目錄樹基于統(tǒng)一編碼規(guī)則建立，并與FastDFS文件服務(wù)器上的結(jié)構(gòu)目錄樹對應(yīng)，在Revit客戶端通過訪問HTTP協(xié)議可訪問FastDFS文件服務(wù)器的接口結(jié)構(gòu)，并在Revit客戶端生成結(jié)構(gòu)目錄樹的可視化界面。

（2）族屬性讀取。該功能包括對族文件幾何參數(shù)、設(shè)計(jì)階段屬性、施工階段屬性及運(yùn)維階段屬性的讀取。對族文件幾何參數(shù)和設(shè)計(jì)階段屬性的讀取通過Revit二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用RevitSDK中的RevitAPI.dll和RevitAPIUI.dll文件，并使用FamilyManager.Parameters獲取所有屬性參數(shù)；族文件的施工階段屬性和運(yùn)維階段屬性通過與文檔的映射關(guān)系存儲在MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，可通過在Revit客戶端訪問該數(shù)據(jù)庫接口來讀取。

（3）縮略圖顯示。通過訪問FastDFS文件服務(wù)器接口，獲取族文件對應(yīng)的縮略圖，并在Revit族庫管理界面顯示。

（4）族文件下載和載入。通過在Revit客戶端訪問FastDFS文件服務(wù)器接口，可下載選中的族文件并保存至本地默認(rèn)文件夾內(nèi)，同時(shí)通過Revit客戶端接口提供的LoadFamily方法可實(shí)現(xiàn)族文件的載入。

Revit客戶端界面效果如圖4所示。

圖4 Revit客戶端界面效果圖

4.1.4 用戶層

用戶層通過Web客戶端和Revit客戶端2種方式提供BIM族庫管理系統(tǒng)的登錄界面。族庫負(fù)責(zé)人和族文件審核管理員通過Web客戶端界面登錄系統(tǒng)并根據(jù)權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)的操作，各專業(yè)設(shè)計(jì)師通過Revit客戶端界面進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作，如表3所示。

表3 用戶角色功能

其中，各專業(yè)設(shè)計(jì)師、族文件審核管理員及族庫負(fù)責(zé)人分別負(fù)責(zé)族文件的制作、審核和維護(hù)，如圖5所示。首先，由各專業(yè)設(shè)計(jì)師繪制族文件，并在繪制完成后上傳族文件和進(jìn)行入庫申請；然后，由族文件審核管理員對上傳的族文件進(jìn)行專業(yè)審核，審核通過后將其存入FastDFS文件服務(wù)器中；最后，由族庫負(fù)責(zé)人對族文件進(jìn)行管理與維護(hù)，并發(fā)布已經(jīng)通過審核的族文件。

圖5 族文件管理流程圖

4.2 隱式自動(dòng)編碼技術(shù)

基于統(tǒng)一編碼規(guī)則，本文創(chuàng)建了一種隱式自動(dòng)編碼技術(shù)，通過后臺代碼將構(gòu)件UID自動(dòng)、快速地賦予每一個(gè)構(gòu)件實(shí)例，以實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的全生命周期統(tǒng)一管理。隱式自動(dòng)編碼技術(shù)通過以下3步實(shí)現(xiàn)：①獲取任務(wù)信息編碼，任務(wù)信息編碼根據(jù)具體的工程項(xiàng)目族庫結(jié)構(gòu)目錄樹產(chǎn)生；②通過Revit二次開發(fā)將設(shè)計(jì)階段編碼添加到族屬性；③添加流水號編碼，并生成最終的19位編碼。

具體操作如下：①在Revit項(xiàng)目中載入族文件后，訪問MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的項(xiàng)目信息表并獲取7 位任務(wù)信息編碼；②通過Revit二次開發(fā)獲取族文件的8位設(shè)計(jì)階段編碼；③訪問MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中構(gòu)件屬性表，判斷此表中是否存在相同的任務(wù)信息和設(shè)計(jì)階段編碼，如存在，讀取此表中流水號編碼的最大值，在流水號值上加“1”生成最終編碼，如不存在，則在此表中生成一條新數(shù)據(jù)以存儲最終編碼“0001”。自動(dòng)編碼技術(shù)流程如圖 6所示。

圖6 自動(dòng)編碼技術(shù)流程圖

5 結(jié)束語

本文將城市軌道交通構(gòu)件編碼規(guī)則與BIM族庫管理系統(tǒng)相結(jié)合，通過隱式自動(dòng)編碼技術(shù)為城市軌道交通BIM模型中的每個(gè)構(gòu)件添加構(gòu)件UID，使得設(shè)計(jì)人員能夠方便快捷地從族庫中提取構(gòu)件屬性，包括構(gòu)件的幾何參數(shù)、設(shè)計(jì)階段屬性、施工階段屬性、運(yùn)維階段屬性。該BIM族庫管理系統(tǒng)不僅可縮短BIM模型的建模時(shí)間，還可將族庫的信息資源變?yōu)閿?shù)字資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)族庫資源的集中存儲及信息流轉(zhuǎn)。