基于BIM的參數化設計策略研究

李 純 龐思雨

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景

BIM 技術不只是簡單的信息模型，而是通過建立、使用、分享建筑物全生命周期數據信息，來改良設計、施工、運維的工作流程[1]。伴隨著建筑業的高速發展，設計領域正在經歷從二維設計到三維設計再到 BIM 協同設計的發展過程。傳統的二維設計只是在特定視圖角度來表達設計構思，而基于計算機的輔助設計，是以構件為對象的參數化設計，能夠提高設計效率，縮短設計周期。

許多學者對參數化設計進行了探索，肖汝誠等把幾何實體的尺寸定義為相互關聯的參數，在幾何實體之間建立拓撲約束關系，得到由初始參數操控的幾何模型[2-4]。馬巖松利用參數精確控制建筑物的旋轉角度[5]。王風濤等基于高級幾何學的原理，對復雜建筑設計的技術基礎—計算機輔助設計軟件的參數化、算法等進行了深入研究[6]。

目前，參數化設計相對來說是一個全新的概念[7-10]，高校研究大多停留在理論階段。在BIM設計過程中，設計人員往往不了解軟件的運行機制，導致所建立的信息模型無法實現參數控制，并且很難用于下階段工作。以京張高鐵為例，介紹基于BIM的參數化設計策略，以期為參數化設計方法的廣泛應用提供借鑒和幫助。

2 參數化設計工具

2.1 參數化設計軟件

廣義上的參數化設計軟件包含以 AutoCAD 為代表的一系列傳統制圖軟件，其內部運行方式已經實現了參數控制(點、線、面元素在軟件內部都以參數的形式存儲，并按一定的邏輯執行)。然而，這些傳統制圖軟件仍然需要依靠設計人員的主觀判斷來完成設計任務，計算機只是作為設計工作的最終環節(執行繪圖)，沒有參與到真正意義的設計過程當中[11]。

根據不同的開發層次和面向對象，不同的參數化設計軟件也有著不同的邏輯和操作界面。從邏輯層面，可將參數化設計軟件分為三類(如圖1所示)。

圖1 從邏輯層面分類參數化設計軟件

其中，流程關系是指基于信息傳遞的拓撲關系。樹形層級結構是指建模過程中，將建模邏輯通過樹形的分支結構和層層展開的關系用于幾何體的構建。屬性關聯邏輯是通過軟件定義的模型屬性，如Revit軟件將建筑領域的軸線、墻體、門窗、結構等構件的屬性開放給設計者，其幾何邏輯已經被隱藏在建筑構件的屬性之中[6]。

雖然可以利用軟件表達原有的二維設計參數，但是由于專業的差異化，這種方式并不具有普適性。利用自主研發等方式開展參數化設計需要設計人員具備豐富的設計經驗、圖形圖像學及計算機IT技術，實現的門檻較高。而可視化編程技術可較好地解決這一矛盾。這種設計方式不僅具備傳統制圖軟件的繪圖能力，還可以演繹包含數學、計算機圖形學和各種算法的設計邏輯拓撲關系，設計人可以據此建立和控制具有復雜幾何關系、包含各類參數信息的數字幾何模型。利用可視化編程工具可以直觀反映信息的傳遞路徑，準確操控模型生成。

2.2 參數化設計

首先定義設計邏輯，形成設計邏輯拓撲關系；繼而通過調整設計參數，驅動模型生成或變化。每一處變化都有可能傳遞到其他構件，所以需要定義構件的更新順序，即信息傳遞順序。傳統設計需根據設計原則進行大量的重復性工作，難免出現差錯。傳統的設、校、審流程是在結果上糾錯，其效率較低；而參數化設計定義了信息的傳遞順序，相當于在建模規則的制定過程中加入糾錯環節，大大降低了出錯概率。

以LOD300級隧道工程模型中系統錨桿模型為例，對參數化設計流程進行介紹(見圖2)。

圖2 參數化設計開展

①Set range：設置工作范圍；

②Load Section.xls：參考Excel文件，導入隧道斷面信息及支護參數信息；

③Cul lim L：通過支護參數和斷面信息計算系統錨桿布置參數；

④Get SB asCell：生成單個斷面的系統錨桿，建立對應單元文件；

⑤Load CEN：導入隧道中線信息，計算控制里程；

⑥Creat Systembolt：建立系統錨桿模型；

⑦Export：輸出系統錨桿文件。

2.3 信息的定義和傳遞

圖3 箭線圖

由節點和連線及箭頭組成的圖形可以稱之為“箭線圖”(見圖3)。連接箭尾部的前節點和箭頭部后節點，所形成的路徑或鏈條可展示節點觸發的順序(即信息傳遞流程)。

參數化建模中，節點包含了名字和屬性信息。如“p.X”表示點p的X(屬性)值，可利用約束表達式得到對應值(如表1所示)。

表1 約束表達式

約束表達式使得節點屬性繼承了其上序節點所包含的相關屬性。因此，用某個屬性或對應表達式都可以指向該屬性值，這就是“箭線圖”中“連線”的含義。系統讓屬性及其表達式隨著屬性值的變化而變化，系統隨時會求解每個屬性中表達式的值，來保持箭線圖中各節點的一致性。在這個過程中，應按順序先求解出所有的上序節點，再求解目標節點[12]。

錨桿模型參數化設計的簡化箭線圖如圖4所示。

圖4 系統錨桿模型箭線圖

3 策略研究

3.1 邏輯復制

(1)必要性分析

如果把目前的設計成果定格在某一節點，之前的設計過程可以稱為“歷史上的設計”，之后設計上的變化稱為“未來的設計”。復制其設計邏輯的拓撲關系可稱為捕捉“歷史上的設計”，即將這一過程還原成可編輯的形式，通過修改變量參數重新演繹設計過程。因此，“未來的設計”可以通過“歷史上的設計”推演而來[12]。

CAD采用了復制、剪切和粘貼等一般概念，可以通過設計元素的復制和復位，將構件的擦除與添加兩種操作相結合，以快速應對設計的變動。“復制、剪切和粘貼”之所以能在傳統設計中左右逢源，是因為傳統設計中各個構件是獨立的。然而，傳統設計中的模型不易修改，而且越復雜的模型，改動的工作越繁重(即使改變一處尺寸，也需要調整很多其他的構件)，極大地限制了設計工作的開展。

參數化設計方式可以通過設定構件的關聯關系，形成一個系統并輸出設計內容；通過對輸出結果的觀察和選擇，編輯系統內的關聯關系，修改設計內容，將設計人員從單調乏味的重復性工作中解放出來，專注于設計思維的探索。

(2)可行性分析

以京張鐵路崇禮支線正盤臺隧道為例。正盤臺隧道是典型的山嶺隧道，主洞全長約13 km，根據地層巖性及隧道埋深，將隧道劃分為支護參數不同的100余段。使用“邏輯復制”策略，按里程遍歷隧道主洞所有圍巖級別，分別生成模型并組裝(如圖5所示)。

圖5 隧道所有圍巖級別系統錨桿模型箭線圖

復制隧道系統錨桿模型的布設邏輯，應用于如隧道超前小導管模型等其他隧道模型當中，形成符合交付要求的完整隧道模型(如圖6、圖7所示)。

圖6 隧道所有圍巖級別組裝模型箭線圖

圖7 隧道系統錨桿模型和超前小導管模型

3.2 延遲深化

(1)必要性分析

在前期設計過程中，設計人員更關心的是個別幾個控制點的數據。因此，可以通過參數化設計手段先計算控制點的精確數據，后期再構建精細模型。

如著名的倫敦滑鐵盧國際終點站，站房頂棚采用玻璃幕墻結構(長400 m，寬30～50 m)，玻璃幕墻屋頂結構包含尺寸不同但結構相似的36個三鉸拱，由于屋頂兩側為不對稱布置，使得各拱的寬度隨屋頂寬度的變化而變化。設計者沒有一一設計各個拱的模型，而是建立了同一類參數化模型，通過定義參數變化規律、確定約束關系，建立參數化模型。設計過程中，可以隨時修改參數；方案穩定之后，再通過對結構的準確定位，創建尺寸各異的36個三鉸拱的精細模型(見圖8)。

圖8 倫敦滑鐵盧國際終點站參數化設計模型

(2) 可行性分析

以清華園隧道為例。清華園隧道為盾構隧道，根據交付要求，建立LOD200級、LOD300級和LOD400級模型(如圖9所示)。

圖9 清華園隧道LOD200級模型

根據線路走向及盾構井分割，利用參數化設計軟件細化管片排布(如圖10所示)。

圖10 利用參數化設計軟件完成管片排布

圖11 管片排布模型

最后，通過更新單元的方式建立精細化模型。利用參數化設計支持延遲深化，按照設計流程逐步深化模型(見圖11、圖12)。

圖12 清華園隧道精細化模型

3.3 條件預判

(1)必要性分析

理論上，參數化設計中的條件預判屬于生成設計的范疇，它的設計構思來源于約束條件和規則，而結果則是通過系統自動生成，具有不可預測性[13]。生成工具包括三部分：模型、算法、軟件。根據模型判斷設計輸入條件，編程語言表達不同的算法，算法和模型運行的結果又通過軟件以模型的方式呈現，從而在一定程度上實現自動設計。

(2)可行性分析

以京張鐵路隧道襯砌設計為例，根據參數化的邏輯拓撲關系，結合線路模型、地質模型(如圖13所示)進行條件預判，形成設計輸入條件。

圖13 沿線路模型建立的地質模型

在地質專業建模過程中，依據二維地質資料建立三維地質模型(加入了地層屬性及參數信息)，再根據線路模型，在地質模型中提取所需位置的地質參數信息并進行設計。操作過程是將線路中線投影至原地面，利用投影線和線路中線建立縱斷面曲面模型，提取地層信息，自動計算埋深，在參數化設計軟件中自動計算隧道襯砌厚度，并根據線路模型和限界條件生成隧道襯砌模型。

3.4 控制簡化

(1)必要性分析

模型的參數控制就是通過一個簡單、獨立的模型來控制整個模型或是模型的一部分，以方便設計人員更改模型。

模型參數控制簡化的關鍵在于對主要模型的分離。將分離模型的輸出項連接到主要模型的輸入項，這樣的分離模型就是所謂的控制器。控制器可直接調節想要改變的模型參數(可以是模型中的提取出的參數，也可以是變量形式的參數)。提煉參數控制器是主要模型的簡化版，可以控制一些次要的細節；變形參數控制器可改變設計者與模型交互的方式。當模型的某一個屬性改變時，設計者可以用控制器將這個變化與模型關聯起來。另外，控制器與模型僅存在最低限度的關聯，并且可以根據需要隨時切斷連接或是恢復連接。控制器簡潔的分離性是其最顯著的特點(見圖14)。

圖14 控制器箭線圖示意

(2)可行性分析

以京張鐵路橋梁工程為例，橋面上將布置擋砟墻、豎墻、遮板、人行道蓋板，以及接觸網支柱、聲屏障基礎等附屬設施。京張鐵路橋梁工點眾多，可以按照同一個設計邏輯的拓撲關系，分別建立不同種類的附屬設施模型，但工作量巨大。

在參數化軟件中添加一個控制器，掛接不同附屬設施模型的單元及布設參數，可以利用一套設計邏輯拓撲關系將多種附屬設施單元文件分別放在不同的里程處，完成橋梁附屬設施模型構建(見圖15)。

圖15 利用參數化設計軟件建立控制器

同時，可以設置相應的參數變化，實現設計過程的調整參數(如圖16所示)。

4 結束語

利用參數化設計策略，不但可以準確地展示設計意圖，而且可以有效地提高設計效率。參數化設計正逐漸成為推動三維協同設計發展的重要技術手段。

圖16 設計過程中的參數調整