基于BIM技術的管道閥門自動定位

杜前洲 蔡亞橋 楊禮楨 楊周周 劉宇圣

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 BIM技術與可視化編程

在雙碳背景之下，作為碳排放大戶，建筑業(yè)亟待轉型升級[1-2]。國家陸續(xù)出臺一系列政策標準，從新技術、新能源、新材料和信息化等科技應用和發(fā)展方面，推動建筑行業(yè)開啟新一輪的發(fā)展[3-5]。BIM(Building Information Model，建筑信息模型)技術作為實現(xiàn)建筑信息化的重要手段，對加快推進建筑業(yè)數(shù)字化轉型與實現(xiàn)雙碳目標具有重要意義[6-7]。BIM概念起源于上世紀70年代[8]，并于本世紀初在美國開始應用，近二十年來，BIM應用項目已擴展到包括歐美、日韓、中國在內(nèi)的世界范圍。據(jù)統(tǒng)計，在歐美國家應用BIM的項目數(shù)量已超過傳統(tǒng)項目[9]。BIM技術正以高速發(fā)展的態(tài)勢改變著整個土建行業(yè)的面貌。

Dynamo for Revit是基于Autodesk公司建模軟件Revit開發(fā)的可視化編程插件，適用于工程師們在不用深入學習編程語言的前提下，進行可視化編程，從而完成較為復雜的建模任務。文獻[10]借助Dynamo對水力機械中復雜的蝸殼和尾水管進行設計，實現(xiàn)了模型的"一鍵生成"。文獻[11]基于Dynamo軟件實現(xiàn)了快速、高效放置鋼板樁和結構鉆孔樁，大幅提高設計效率。文獻[12]利用Dynamo可視化編程功能完成了復雜的曲面造型，提高模型的生成和修改速度。

給排水、通風空調(diào)等專業(yè)的各類水管在施工階段，一般以工廠預制的6m長原管為原材料，在施工現(xiàn)場進行切割和拼接，以滿足現(xiàn)場各種安裝長度的實際需求。從節(jié)約資源、降低施工成本角度出發(fā)，優(yōu)秀的設計可以考慮將閥門等管道附件設置在特定位置，以最大限度利用既有的6m長原管。在信息化發(fā)展的大背景下，有必要開發(fā)一種基于BIM技術的管道閥門自動定位方法，既可以滿足現(xiàn)場需求，減少切管，又不增加工程師的設計壓力。本文工作便是在此背景下展開。

2 研究目標與技術路線

考慮6m長的水管原管，閥門在管道上的位置可能存在4種情形，如圖1所示。情形1中閥門兩端的水管長度之和小于6m； 情形2中閥門兩端的水管長度之和等于6m； 情形3中閥門兩端的水管長度之和大于6m，但每端的長度都小于6m； 情形4中閥門兩端的水管長度之和大于6m，且存在至少一端的長度大于6m。各種情形中存在閥門位于管道左側、中點及右側的三種情況。為充分利用6m長原管，本文提出的閥門自動定位的方法需實現(xiàn)的目標是：對于閥門兩端長度之和小于或等于6m的情形1、2，需移動閥門到管道的端頭； 對于閥門兩端長度之和大于6m的情形3、4，需移動閥門，使得閥門兩端中長度接近6m的一端被調(diào)整為6m。而且在移動時，需盡量減少閥門偏移的距離，以保證與原設計的一致性。

圖1 閥門在水管上的位置示意

基于以上分析，結合Dynamo可視化編程方法，本文采取如圖2所示的技術路線。首先分析閥門在管道上的位置，并明確實現(xiàn)閥門定位的目標；其次借助Revit+Dynamo平臺，確定閥門移動的方向和距離，實現(xiàn)單個閥門的自動定位；然后在單個閥門自動定位的基礎上，自定義Dynamo節(jié)點，進而實現(xiàn)多個閥門的自動定位；最后對本方法進行試驗，驗證方法的正確性和準確性。

圖3 獲取閥門兩端管線參數(shù)的Dynamo模型

圖2 本文技術路線

3 單個閥門自動定位

3.1 獲取閥門兩端管線圖元

閥門自動定位依據(jù)的是閥門兩側連接的管線長度，因此，首先需要通過Dynamo獲取Revit界面中閥門兩端的管線圖元。通過“Select Model Elements”節(jié)點選擇待調(diào)整的閥門圖元，然后利用Dynamo機電分析包“MEPover”中的“MEP Fitting connected MEPCurves”節(jié)點確定閥門兩端的管線圖元，并將其轉化為便于數(shù)據(jù)處理的曲線。通過“Element.GetLocation”節(jié)點獲取曲線的定位、方向、長度等幾何參數(shù)。此部分Dynamo模型如圖3所示。

3.2 確定閥門移動方向

圖4展示了確定閥門移動方向的Dynamo模型。為簡化模型，借助“Python Script”節(jié)點判斷閥門移動的方向，模型中“Python Script 1”可通過閥門兩段管線的長度自動判斷閥門移動方向，其判斷邏輯如圖5所示。按圖5所示的判斷邏輯，其結果是當閥門兩端管線長度之和小于6m時，閥門往短邊移動； 當閥門兩端管線之和大于6m時，閥門往管線長度最接近6m的一邊移動。按此原則，可保證閥門調(diào)整的距離最小，不影響整體性設計，同時保證在施工時充分利用6m長的原管，減少裁管及浪費。借助“Python Script 1”確定閥門移動方向后，在Dynamo模型中利用自帶的節(jié)點，生成一個單位向量來表示移動的方向，如圖4所示。

3.3 計算閥門移動距離

圖4 確定閥門移動方向的Dynamo模型

接下來通過計算得到滿足第2節(jié)目標的閥門移動距離，其Dynamo模型如圖6所示。計算過程需要用到邏輯判斷及數(shù)學運算，為簡化模型，該部分通過2個“Python Script”節(jié)點實現(xiàn)。其中，“Python Script 1”的功能已在上一小節(jié)闡述，“Python Script 2”的功能則是計算閥門需要移動的距離，其判斷邏輯圖如圖7所示。按此原則，可保證當閥門兩端的管線長度之和大于6m時，移動最小的距離以達到其中一段管線長度為6m的目的； 當閥門兩端的管線長度之和小于或等于6m時，閥門移到管線的端頭(以閥門距端頭3mm為例)； 當閥門兩端的其中一段管線長度剛好為6m時，閥門按設計時的位置不做調(diào)整。

圖5 閥門移動方向的判斷邏輯圖

圖6 計算閥門移動距離的Dynamo模型

圖7 閥門移動距離的判斷邏輯圖

3.4 通過向量實現(xiàn)閥門移動

確定閥門移動的方向與數(shù)量之后，隨即利用Dynamo自帶節(jié)點“Vector.Scale”生成閥門移動的向量，并通過“Element.MoveByVector”實現(xiàn)閥門按指定方向和距離的移動，最終實現(xiàn)閥門的自動定位要求。圖8展示了實現(xiàn)閥門移動的Dynamo模型。

圖8 實現(xiàn)閥門移動的Dynamo模型

4 多個閥門自動定位

前文論述了單個閥門自動定位的方法和步驟，而在實際工程中，通常不止一個閥門，因此下面闡述多個閥門自動定位的方法。

4.1 Dynamo自定義節(jié)點

Dynamo提供了自定義節(jié)點的功能，自定義節(jié)點經(jīng)打包后形成.dyf文件，可重復利用，而且穩(wěn)定性高，不易被誤改。將上述單個閥門自動定位的Dynamo模型打包成一個自定義節(jié)點“Adjust MEPValves”，該節(jié)點的.dyf文件如圖9所示。該節(jié)點的輸入為多個閥門組成編號列表，輸出為向量。

4.2 過濾視圖中的閥門

為篩選出需要自動定位的閥門，本節(jié)通過Dynamo自帶的節(jié)點過濾圖元，其Dynamo模型如圖10所示。通過“Select Model Elements”節(jié)點自由框選Revit界面中目標閥門附近的圖元，此過程選擇的圖元集合需包含所有的目標閥門。然后通過圖元的名稱過濾出名稱中含有“閥”字的圖元，即得到目標閥門的編號列表。

4.3 多個閥門自動定位

選擇好待調(diào)整的目標閥門后，通過4.1節(jié)的自定義節(jié)點“Adjust MEPValves”即可實現(xiàn)多個閥門的自動定位。這里需要注意的是，為使多個閥門中的每個閥門都一一進行自動定位，需要在“Adjust MEPValves”節(jié)點中使用級別，其使用級別為@L1，如圖11所示。通過以上方法即可實現(xiàn)多個閥門的自動定位。

圖9 閥門定位的Dynamo自定義節(jié)點

圖10 過濾閥門的Dynamo模型

圖11 實現(xiàn)多個閥門定位的Dynamo模型

5 試驗結果及分析

根據(jù)本文提供的閥門自動定位方法，借助Autodesk Revit 2018及Dynamo for Revit 2.0.2平臺，對本文圖1中示意的各種閥門位置及管線長度進行試驗，試驗結果如圖12所示。由圖12可知，對于閥門在水管上的各種位置，本文方法均能實現(xiàn)目標要求。當閥門兩端水管長度之和小于或等于6m時，閥門被移動到管線的端頭位置，如圖12的情形1、情形2所示，對比圖1、圖12可知，此兩種情形下，閥門移動的方向是往短邊移動。當閥門兩端水管長度之和大于6m時，通過本文方法，保證閥門一側的管線長度為6m，如圖12的情形3、情形4所示。對比圖1、圖12可知，此兩種情形下，通過閥門移動確保原長度接近6m的管道長度為6m。以上閥門自動定位試驗結果即滿足了最大限度利用6m長原管且盡量減少閥門移動調(diào)整量、保持與原設計一致性的目標。

圖12 閥門自動定位試驗結果

表1展示了閥門調(diào)整前后各情形的切管、連管次數(shù)對比。由表1可知，對于以上情形1～4，閥門調(diào)整后切管次數(shù)各減少了1次； 除情形3外，連管次數(shù)同樣各減少了1次。情形3例外的原因是其閥門兩端的管道長度均小于6m，本身無多余的連管工程量。除此之外，其他情形均能減少1次連管工程量。由以上分析可知，本文提出的管道閥門自動定位方法，能一定程度上減少切管、連管工程量，節(jié)約管道連接件，降低施工成本。

表1 閥門調(diào)整前后各情形切管、連管次數(shù)對比

對于某實際工程(某地鐵車站的消火栓系統(tǒng))，對管道上的蝶閥使用本文方法進行自動定位，結果如圖13所示。在本項目中，共篩選并過濾出24個水平干管上的蝶閥，完成了蝶閥的自動定位。蝶閥調(diào)整前后，整個項目的切管與連管次數(shù)共減少41次。Dynamo程序運行流暢，未出現(xiàn)任何錯誤警告。經(jīng)此實際項目驗證可說明，本文提出的基于BIM的管道閥門自動定位方法能準確過濾閥門，實現(xiàn)閥門自動定位的功能，對實際項目來說具備可行性。

圖13 閥門自動定位在實際工程中的應用

6 結論

本文主要闡述了基于BIM技術的管道閥門自動定位的實現(xiàn)方法。首先通過分析閥門在管道上的位置，明確實現(xiàn)閥門定位的目標；然后借助Dynamo for Revit的可視化編程功能，逐步實現(xiàn)了Revit中單個閥門及多個閥門的自動定位；最后通過各種不同的閥門位置及管線長度對本方法進行試驗，驗證了方法的正確性。進一步地，通過某地鐵車站消火栓系統(tǒng)的實際工程，驗證了本文方法的可行性。

本文所提出的基于BIM技術的管道閥門自動定位的實現(xiàn)方法，簡單高效，可一定程度減少切管、連管工程量，降低施工成本，具有較強的現(xiàn)實意義，同時為BIM技術及Dynamo可視化編程在閥門定位方面或其他相關領域中的應用提供了一些借鑒。