BIM技術(shù)在重力式碼頭沉箱參數(shù)化建模中的應(yīng)用

劉子璇，李世森

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

引 言

目前，港口碼頭三視圖的繪制多用Auto CAD進(jìn)行，但是用二維平面圖形表現(xiàn)港工建筑物遠(yuǎn)不如三維模型清晰直觀[1]。因此，建筑信息模型（Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱BIM）逐漸得到了更廣泛的普及和應(yīng)用。建筑信息模型以工程項(xiàng)目的各項(xiàng)真實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)建立建筑模型，通過(guò)參數(shù)化形式模擬仿真建筑物的幾何信息，以及材料、數(shù)量、造價(jià)等非幾何信息[2]。Autodesk Revit作為專業(yè)三維建模的BIM類軟件，它的基礎(chǔ)是族文件，通過(guò)關(guān)聯(lián)參數(shù)生成三維模型，具有2D和3D視圖功能。Revit還擁有豐富的族庫(kù)，用戶也可根據(jù)需要自己建立或修改族[3]。BIM技術(shù)帶來(lái)了二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)升級(jí)的巨大變革，提高了水運(yùn)行業(yè)的信息化水平，促進(jìn)了水運(yùn)行業(yè)科學(xué)、綠色發(fā)展。

靳銘宇[4]系統(tǒng)地闡述了Autodesk Revit在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀。季景遠(yuǎn)[5]介紹了Revit在高樁碼頭設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的使用方法，演示了用三維建筑模型（BIM）設(shè)計(jì)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維設(shè)計(jì)在港口工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。王鵬[6]詳細(xì)介紹了一些高樁碼頭工程中特有的族的創(chuàng)建思路和參數(shù)化的方法，完成了高樁碼頭工程的完整三維信息化模型和動(dòng)態(tài)展示。望毅、李銀發(fā)[7]對(duì)將BIM技術(shù)應(yīng)用于港口工程實(shí)現(xiàn)數(shù)字建造過(guò)程的可行性進(jìn)行了研究探索。高琰哲、陶桂蘭[8]建立了基于BIM設(shè)計(jì)的碼頭構(gòu)件族庫(kù)，利用建立完成的族庫(kù)逐步搭建了高樁碼頭信息化模型。謝錦波、周國(guó)然[9]等人基于Revit軟件對(duì)高樁碼頭三維交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，闡明了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路和方法，并展示了系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

重力式碼頭具有較好的耐久性、抗凍性能和抗冰性能，其承受地面荷載的能力以及對(duì)地面超載等的適應(yīng)能力都比其他形式的碼頭強(qiáng)[10]。重力式碼頭結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、所用鋼材量少、維修簡(jiǎn)單且費(fèi)用低，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[11]。迄今為止，在港口工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用甚少，僅有的研究也都限于高樁碼頭。所以，在重力式碼頭參數(shù)化的研究中進(jìn)一步應(yīng)用BIM技術(shù)，有助于促進(jìn)我國(guó)港口工程的科學(xué)高效發(fā)展。

本文建立的重力式碼頭沉箱族實(shí)現(xiàn)了沉箱三維模型的自動(dòng)生成，該族庫(kù)應(yīng)用在實(shí)際工程中可以節(jié)約大量的人力物力。港口設(shè)計(jì)人員只需要在沉箱族中輸入沉箱的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，就可以快速生成相應(yīng)的沉箱模型，極大的提高了繪圖效率。同時(shí)可快速計(jì)算混凝土用量，且混凝土用量值會(huì)隨沉箱參數(shù)的改變做出相應(yīng)改變，可以幫助設(shè)計(jì)人員更好的對(duì)方案進(jìn)行比選和對(duì)沉箱的造價(jià)進(jìn)行預(yù)估。重力式碼頭沉箱族按照高度進(jìn)行了分類并對(duì)相對(duì)固定的參數(shù)設(shè)置了默認(rèn)值，大大減少了需要設(shè)計(jì)人員手動(dòng)輸入的參數(shù)，只需根據(jù)碼頭規(guī)模確定沉箱高度范圍，便可直接調(diào)用相應(yīng)模型，同時(shí)亦可以手工修改其中的默認(rèn)值，省時(shí)省力，體現(xiàn)了沉箱族的人工智能特性。

1 重力式碼頭沉箱族創(chuàng)建流程

重力式碼頭沉箱構(gòu)件是一種巨大的鋼筋混凝土箱，中間由隔墻隔開(kāi)，成為若干艙格。重力式碼頭沉箱的艙格數(shù)量較多且內(nèi)部有加強(qiáng)角。

沉箱族的建立采用將沉箱的各部分進(jìn)行實(shí)心拉伸并連接在一起的方法（由于Revit中空心拉伸不可作為嵌套族陣列，所以不能采用將實(shí)心沉箱主體進(jìn)行挖空繪制箱格的方案）。

1.1 “單位箱格”的建立

如圖1所示，為了沉箱模型建立的便捷性，將“單位箱格”作為沉箱繪制過(guò)程中陣列的基本單元，如圖中紅色邊框所示。“單位箱格”基本單元的范圍為沉箱的艙格凈長(zhǎng)沿長(zhǎng)度方向向兩邊分別延長(zhǎng)橫隔墻寬度的一半、凈寬沿寬度方向向兩邊分別延長(zhǎng)縱隔墻寬度的一半，上至艙頂、下至艙底（不含底板），并包含八個(gè)加強(qiáng)角。“單位箱格”族的建立步驟為創(chuàng)建參照平面，采用拉伸工具繪制加強(qiáng)角和四邊的墻體并與相應(yīng)參照平面鎖定，用標(biāo)注工具對(duì)參照平面進(jìn)行標(biāo)注并且關(guān)聯(lián)相應(yīng)的參數(shù)。

圖1 重力式碼頭沉箱族“單位箱格”示意

1.2 沉箱其他部分的建模

繪制前后趾、前后壁、側(cè)壁、底板等的參照平面，采用“拉伸”工具繪制除“單位箱格”外的墻體，對(duì)墻體進(jìn)行標(biāo)注并和相應(yīng)參照平面鎖定。

1.3 “單位箱格”的陣列

由于重力式碼頭沉箱中“單位箱格”重復(fù)的數(shù)量較多，且在同一沉箱中結(jié)構(gòu)相同，所以采用“陣列”工具進(jìn)行繪制。將“單位箱格”族在長(zhǎng)度方向上進(jìn)行陣列為“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”族，為了保證陣列后陣列圖元可以隨“單位箱格”中各項(xiàng)參數(shù)的變化而改變，“單位箱格”需要作為嵌套族載入“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”族進(jìn)行陣列，并將兩個(gè)族的族參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。再將該陣列族作為嵌套族，按照和上面類似的方法在寬度方向上進(jìn)行陣列并進(jìn)行對(duì)應(yīng)族參數(shù)的關(guān)聯(lián)。這樣就完成了“單位箱格”陣列的繪制。

1.4 “單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”的設(shè)置

Revit“陣列”工具要求陣列個(gè)數(shù)必須大于等于2，當(dāng)陣列個(gè)數(shù)小于 2時(shí)軟件會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，無(wú)法進(jìn)行正常陣列。“單位箱格”在長(zhǎng)度方向上的陣列個(gè)數(shù)一般不會(huì)少于兩個(gè)，而“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”在寬度方向上的陣列數(shù)個(gè)為“寬度箱格數(shù)”，可能為一個(gè)所以當(dāng)寬度方向箱格為一排時(shí)需對(duì)陣列進(jìn)行可見(jiàn)性設(shè)置。

將參數(shù)“單位箱格寬度方向陣列數(shù)”的公式定義為“if((寬度箱格數(shù))＜2,2,(寬度箱格數(shù)))”，含義為當(dāng)“寬度箱格數(shù)”的數(shù)值小于2時(shí)，“單位箱格寬度方向陣列數(shù)”為2，若不小于2，“單位箱格寬度方向陣列數(shù)”為“寬度箱格數(shù)”，這樣就解決了Revit軟件報(bào)錯(cuò)的情況。

此時(shí)若寬度箱格數(shù)為2和1，參數(shù)“單位箱格寬度方向陣列數(shù)”都為 2，需要單獨(dú)載入“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”為單個(gè)的情況，并對(duì)兩種情況進(jìn)行可見(jiàn)性設(shè)置。將“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列單個(gè)”族載入到沉箱族中并放在陣列首個(gè)圖元的位置，再將其可見(jiàn)性與參數(shù)“箱格寬度方向_單個(gè)”進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將“箱格寬度方向_單個(gè)”參數(shù)的公式設(shè)置為“寬度箱格數(shù)＜2”，即在寬度箱格數(shù)小于2的情況下，“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列單個(gè)”可見(jiàn)。選中陣列組中的任意一個(gè)實(shí)例，將其可見(jiàn)性和參數(shù)“箱格寬度方向_多個(gè)”進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將“箱格寬度方向_多個(gè)”參數(shù)的公式設(shè)置為“not(箱寬度方向_單個(gè))”，即在寬度箱格數(shù)大于等于2的情況下，“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”可見(jiàn)。

這樣就完成了“單位箱格長(zhǎng)度方向陣列”的可見(jiàn)性設(shè)置，寬度箱格個(gè)數(shù)大于等于2時(shí)，顯示單位箱格長(zhǎng)度方向陣列；寬度箱格個(gè)數(shù)等于1時(shí)，顯示單個(gè)陣列，可見(jiàn)性參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖2。

圖2 “單位箱格寬度方向”陣列族參數(shù)設(shè)置界面

1.5 沉箱族建立過(guò)程中報(bào)錯(cuò)的解決方法

1）由于參數(shù)調(diào)試導(dǎo)致的報(bào)錯(cuò)

修改參數(shù)時(shí)，可能導(dǎo)致邏輯約束出現(xiàn)差錯(cuò)，產(chǎn)生軟件報(bào)錯(cuò)；或者參數(shù)約束的應(yīng)該出現(xiàn)變化的圖元沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)變化。

第一種報(bào)錯(cuò)的原因是參數(shù)在約束圖元時(shí)產(chǎn)生了邏輯沖突，第二種報(bào)錯(cuò)的原因是圖元有些邊沒(méi)有鎖定在相應(yīng)平面上，無(wú)法和參數(shù)約束的參照平面一起移動(dòng)。解決方法為每次新繪制一個(gè)圖元并為圖元添加參數(shù)后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整測(cè)試，觀察參數(shù)變化后圖元是否有正確的變化，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整。

2）對(duì)參照平面進(jìn)行約束時(shí)報(bào)錯(cuò)

對(duì)參照平面的約束過(guò)多或重復(fù)約束時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)約束報(bào)錯(cuò)，原因是同一個(gè)距離被兩個(gè)參數(shù)約束，解決方法為將有關(guān)聯(lián)的參數(shù)用公式表示，同時(shí)可以減少手工輸入的工作量。

3）陣列圖元參數(shù)變化引起的報(bào)錯(cuò)

圖元陣列后，改變圖元的參數(shù)會(huì)出現(xiàn)軟件報(bào)錯(cuò)，原因是圖元陣列后約束圖元的參照平面等并沒(méi)有一起陣列，其他陣列的圖元不會(huì)受到這些參照平面的約束，解決方法為將圖元作為一個(gè)整體嵌套族載入，就可以通過(guò)參數(shù)約束陣列組全部圖元。

4）陣列時(shí)圖元不能在某一方向上移動(dòng)

幾個(gè)圖元一起陣列時(shí)，軟件報(bào)錯(cuò)顯示有些圖元不能在這一方向移動(dòng)，原因是有些圖元只能在橫向移動(dòng)，有些圖元只能在縱向移動(dòng)，解決方法為將這幾個(gè)圖元作為一個(gè)嵌套族載入另一個(gè)族，并作為整體進(jìn)行陣列移動(dòng)。

這四種解決方法已經(jīng)在本沉箱族的建立中實(shí)現(xiàn)。

2 重力式碼頭沉箱族應(yīng)用

重力式碼頭沉箱族的使用流程見(jiàn)圖3。

圖3 重力式碼頭沉箱族使用流程

2.1 重力式碼頭沉箱族模型的快速生成

重力式碼頭沉箱族可以通過(guò)輸入不同的箱格數(shù)及沉箱構(gòu)件尺寸快速建立出相應(yīng)的沉箱模型，使設(shè)計(jì)工程師在今后的設(shè)計(jì)中更加快速便捷的建立沉箱模型。下面以遼東灣某漁港重力式碼頭沉箱構(gòu)件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為例，演示“重力式碼頭沉箱”族三維模型的快速生成。表1為遼東灣某漁港重力式碼頭的沉箱尺寸數(shù)據(jù)。

表1 遼東灣某漁港碼頭沉箱尺寸

首先在 Revit族中打開(kāi)“重力式碼頭沉箱”族，在族類型對(duì)話框中輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖 4，族類型中灰色部分為可以用公式表示出的族類型，不需要輸入。點(diǎn)擊族類型對(duì)話框中的確定，即可快速完成遼東灣某漁港重力式碼頭沉箱的繪制，繪制完成的三維模型見(jiàn)圖5。

圖4 遼東灣某漁港碼頭沉箱數(shù)據(jù)界面

圖5 遼東灣某漁港碼頭沉箱三維模型

2.2 重力式碼頭沉箱族的參數(shù)化

建立重力式碼頭沉箱族后用戶提供碼頭的尺寸、箱格數(shù)等數(shù)據(jù)，就可以一鍵生成沉箱的 Revit三維模型。為了使碼頭設(shè)計(jì)工程師更加便捷的建立重力式碼頭沉箱三維模型，本文開(kāi)發(fā)了重力式碼頭沉箱族的人工智能特性，對(duì)沉箱族按照高度進(jìn)行了分類并對(duì)相對(duì)固定的參數(shù)設(shè)置了默認(rèn)值，大大減少了需要設(shè)計(jì)人員手動(dòng)輸入的參數(shù)，設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)碼頭噸級(jí)和吃水等數(shù)據(jù)確定沉箱高度范圍，便可直接調(diào)用相應(yīng)模型，省時(shí)省力。

本文根據(jù)重力式碼頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將沉箱族分為沉箱高度5～10 m、10～15 m、15～20 m、20～25 m、25～30 m、30～35 m六個(gè)類型，每個(gè)類型分別對(duì)應(yīng)不同的沉箱尺寸參數(shù)的默認(rèn)值，用戶可以根據(jù)碼頭的規(guī)模選擇相應(yīng)的沉箱模型，同時(shí)可以根據(jù)碼頭實(shí)際情況在該經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。將沉箱族載入到項(xiàng)目中，六種族類型的三維模型如圖6所示。

圖6 沉箱族不同類型三維模型

2.3 重力式碼頭沉箱族混凝土用量統(tǒng)計(jì)

本文重力式碼頭沉箱族中添加了計(jì)算混凝土用量的參數(shù)“混凝土用量”，單位為m3。該參數(shù)為共享參數(shù)，載入到項(xiàng)目中后可以直接加入明細(xì)表中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖7。當(dāng)沉箱任一參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，“混凝土用量”值會(huì)隨即做出相應(yīng)改變。混凝土用量統(tǒng)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)人員更好的對(duì)方案進(jìn)行比選和對(duì)沉箱的造價(jià)進(jìn)行預(yù)估。

圖7 混凝土用量族參數(shù)界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文探討了Revit在重力式碼頭沉箱族設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了沉箱族建立過(guò)程的思路、難點(diǎn)，以及沉箱族在三維碼頭模型繪制過(guò)程中的應(yīng)用，還介紹了Revit建模過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法。研究表明：

1）使用嵌套族可以解決建模過(guò)程中很多參數(shù)化問(wèn)題，如：圖元不能隨著參數(shù)的改變進(jìn)行相應(yīng)變化，陣列時(shí)有些圖元無(wú)法一起陣列等。

2）陣列工具可大大減小繪圖的工作量，提高模型的參數(shù)化水平。當(dāng)圖元陣列的個(gè)數(shù)有小于兩個(gè)的情況，需要單獨(dú)繪制一個(gè)圖元，并進(jìn)行陣列個(gè)數(shù)公式的編輯和可見(jiàn)性設(shè)置，保證圖元可以以正常的數(shù)量顯示。

3）通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例對(duì)所建立的重力式碼頭沉箱族的有效性進(jìn)行測(cè)試，模型得到了直觀三維展現(xiàn)，后續(xù)人員可簡(jiǎn)單高效的利用該族進(jìn)行重力式碼頭設(shè)計(jì)。同時(shí)沉箱族可以計(jì)算出沉箱模型所用混凝土量，方便設(shè)計(jì)人員更好的進(jìn)行方案比選和對(duì)造價(jià)預(yù)估。

4）本文重力式碼頭沉箱族根據(jù)沉箱高度分為六種不同類型，都根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了默認(rèn)值，設(shè)計(jì)人員可以直接調(diào)用模型或進(jìn)行適當(dāng)修改，大大減少了手工輸入的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了沉箱族的人工智能特性。

5）三維重力式碼頭沉箱族模型直觀易懂，這樣可以使施工人員在施工過(guò)程中更明確的了解設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念和意圖，更快更好的完成項(xiàng)目的施工。