基于CAD圖紙快速創(chuàng)建BIM模型的應(yīng)用研究

王俊博 張 宇 漆麗英

(1.北京理正股份有限公司，北京 100044;2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029)

引言

CAD技術(shù)將建筑師、工程師們從手工繪圖推向計(jì)算機(jī)輔助制圖，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第一次信息革命[1]。從CAD技術(shù)普及以來，設(shè)計(jì)成果一般都是CAD圖紙形式表達(dá)。但是近些年來，隨著建筑的復(fù)雜程度日益增加，專業(yè)間的配合更加緊密。傳統(tǒng)的平面圖式的專業(yè)配合已經(jīng)無法滿足日益繁復(fù)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求。究其原因，傳統(tǒng)的二維CAD圖紙存在的根本性問題是，我們?cè)镜脑O(shè)計(jì)方式就是“反建筑”的，因?yàn)榻ㄖ橇Ⅲw的三維的，用二維的圖紙無法事無巨細(xì)地完美表達(dá)真實(shí)的三維建筑。

為了解決傳統(tǒng)CAD技術(shù)存在的瓶頸與問題，BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，BIM技術(shù)的誕生和使用被譽(yù)為建筑行業(yè)的第二次技術(shù)革命[1]，它將多專業(yè)分別分步的繪圖方式轉(zhuǎn)換為共同繪圖，把傳統(tǒng)的二維空間模式轉(zhuǎn)換為三維空間，更加具有立體感。BIM設(shè)計(jì)相對(duì)于CAD二維設(shè)計(jì)，具有無可比擬優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在：可視化設(shè)計(jì)，便于業(yè)主決策，減少項(xiàng)目返工[2]； 各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，大幅度減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[3]； 可解決機(jī)電管道打架老大難問題[4]。項(xiàng)目通過引入BIM技術(shù)，可大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低項(xiàng)目建造成本[5]。因此， BIM已成為建筑行業(yè)發(fā)展方向。

采用BIM的首要任務(wù)是建立BIM模型，BIM建模目前有兩條技術(shù)路線：一條是BIM正向設(shè)計(jì)，就是項(xiàng)目從草圖設(shè)計(jì)階段至交付階段全部過程都是由BIM三維模型完成，設(shè)計(jì)圖紙是三維模型投影得到的衍生品[6]； 另一條是BIM翻模，就是先完成施工圖，然后根據(jù)施工圖再建立三維模型[7]。目前，限于BIM技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)人員掌握BIM技術(shù)的程度，BIM正向設(shè)計(jì)的全面推行將是一個(gè)漫長的過程，在這個(gè)過渡過程中，BIM正向設(shè)計(jì)和BIM翻模兩種技術(shù)路線將長期并存[8]。BIM翻模主要應(yīng)用在設(shè)計(jì)階段還是采用傳統(tǒng)的CAD 圖紙，在施工、運(yùn)維階段想應(yīng)用BIM做深化設(shè)計(jì)與管理[9]，或者是存量建筑的BIM化[10]，CIM(City Information Modeling)的數(shù)據(jù)快速積累等場景[11]。現(xiàn)階段多數(shù)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行BIM翻模還處于手工階段，存在大量的繁重的重復(fù)性工作。BIM建模效率低下成為其推廣使用最大障礙之一，如何提高BIM建模效率是當(dāng)前急需解決問題之一。現(xiàn)在市面上眾多BIM軟件中，其中要數(shù)Aulodesk Revit系列軟件可擴(kuò)展性最好，應(yīng)用程序接口較為完善。理正BIM翻模軟件基于Revit平臺(tái)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)從CAD圖紙到Revit快速翻模。

1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案及原則

1.1 實(shí)現(xiàn)方案

為了讓用戶翻模過程更順暢更便捷，本插件采用在Revit直接鏈接CAD圖紙進(jìn)行翻模的方式。翻模過程主要分為兩步，第一步從鏈接的CAD圖紙二維圖元中識(shí)別出要翻模的建筑構(gòu)件，第二步將識(shí)別出的建筑構(gòu)件生成Revit相應(yīng)三維實(shí)體，識(shí)別與生成部分通過外部xml文件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。理正BIM翻模軟件包括建筑翻模、結(jié)構(gòu)翻模、噴淋系統(tǒng)翻模，水管翻模，風(fēng)管翻模，橋架翻模等。本文將僅以土建的建筑翻模和機(jī)電的噴淋系統(tǒng)翻模為例說明具體實(shí)現(xiàn)過程。

1.2 原則

廣泛適應(yīng)性：對(duì)CAD圖紙不作特別要求，確保插件具備廣泛的適應(yīng)性。

準(zhǔn)確性與效率：將翻模準(zhǔn)確性放在第一位，在滿足準(zhǔn)確性前提下，盡可能提高翻模效率。

易用性：插件操作力求簡單，便于上手。

1.3 開發(fā)環(huán)境及模塊劃分

本插件基于Revit 2016-2018版本，主要開發(fā)工具Visual Studio 2012。識(shí)別部分由于需要調(diào)用CAD二次開發(fā)包ObjectARX SDK中一些函數(shù)來提取dwg文件中相關(guān)信息，采用C++語言編寫，該模塊命名為LZCADModel.dll。生成部分及界面開發(fā)選擇Revit二次開發(fā)推薦的C#語言編寫，該模塊命名為LZ.BIM.Model.dll。為了讓C#編寫的界面模塊可以直接調(diào)用C++語言編譯生成的LZCADModel.dll中的類，采用托管C++技術(shù)對(duì)LZCADModel.dll模塊中的類進(jìn)行封裝，該模塊命名為LZRevitCadTrans.dll。插件主要由上面的3個(gè)DLL模塊組成。

2 建筑翻模

2.1 界面設(shè)計(jì)

建筑翻模界面如圖1所示，界面劃分為兩部分，上半部分為識(shí)別相關(guān)內(nèi)容，主要是確定各種構(gòu)件所在的CAD圖層，下半部分為生成相關(guān)內(nèi)容，主要是確定各類構(gòu)件在Revit中對(duì)應(yīng)的族及在垂直方向上的位置。

圖1 建筑翻模界面

2.2 核心識(shí)別算法

首先從軸線及軸號(hào)、墻邊線、門窗及門窗編號(hào)、柱邊線圖層中提取各類CAD圖元，并根據(jù)圖層進(jìn)行分類。然后對(duì)各類構(gòu)件，調(diào)用各自特有的識(shí)別規(guī)則進(jìn)行識(shí)別匹配。各類構(gòu)件具體識(shí)別規(guī)則與算法如下：

1)軸線支持直線和弧線，識(shí)別出軸線后，要從軸線延長線上順藤摸瓜地根據(jù)軸號(hào)引線找到軸圈，進(jìn)而找到軸線編號(hào)；

2)墻線支持直線和弧線，從墻線圖層上提取出直線和弧線后，要進(jìn)行雙線匹配，雙線匹配要用到翻模界面上設(shè)置的“最大墻寬”；

3)門窗必須為圖塊，識(shí)別出門窗圖塊后，要與門窗編號(hào)進(jìn)行匹配，這個(gè)匹配要用到翻模界面上設(shè)置的“門窗編號(hào)與門窗之間距離”這個(gè)參數(shù)，門還會(huì)識(shí)別出門的開啟方向；

4)柱子支持圖塊和非圖塊，但要求必須有封閉邊線，支持圓柱、方柱和異形柱。

2.3 數(shù)據(jù)交換格式

識(shí)別模塊會(huì)將識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)在xml文件中，以便生成模塊讀取來構(gòu)建三維模型，各類構(gòu)件主要存儲(chǔ)內(nèi)容如下：

1)軸線會(huì)記錄識(shí)別出多少根軸線，每根軸線是直線還是弧線，直線會(huì)記錄起點(diǎn)和終點(diǎn)，弧線會(huì)記錄圓心、半徑、起始角度、終止角度，還會(huì)記錄軸號(hào)，及哪側(cè)軸號(hào)顯示；

2)墻體會(huì)根據(jù)墻厚進(jìn)行分類，然后記錄每面墻的墻類型編號(hào)，墻也會(huì)分為直線和弧線，直線會(huì)記錄起點(diǎn)和終點(diǎn)，弧線會(huì)記錄圓心、半徑、起始角度、終止角度，每面墻還記錄了墻寬；

3)門窗會(huì)根據(jù)編號(hào)進(jìn)行分類，并記錄該類別的門窗寬度、高度，然后記錄每個(gè)門窗屬于哪個(gè)類型和具體位置；

4)柱子會(huì)根據(jù)形狀尺寸進(jìn)行分類，方柱會(huì)記錄長度、寬度，圓柱會(huì)記錄半徑，然后記錄每個(gè)柱子屬于哪個(gè)類型和柱子的中心位置。

2.4 生成部分核心算法

讀取識(shí)別生成的xml和界面上用戶交互輸入的相關(guān)參數(shù)生成Revit中相應(yīng)建筑構(gòu)件。各類構(gòu)件具體生成算法如下：

1)根據(jù)識(shí)別出的軸線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、軸號(hào)，生成軸線；

2)根據(jù)識(shí)別出的墻線起點(diǎn)、終點(diǎn)、墻寬，及界面設(shè)置的墻類型、墻頂標(biāo)高、墻底標(biāo)高，生成墻體；

3)根據(jù)識(shí)別出的柱子幾何形狀尺寸及界面設(shè)置的族名稱，生成柱子；

4)根據(jù)識(shí)別出的門寬、門高、門編號(hào)及界面設(shè)置的族名稱，生成門；

5)根據(jù)識(shí)別出的窗寬度、窗高度及界面設(shè)置的窗臺(tái)高，族名稱，生成窗。

2.5 建筑翻模樣例

下面為某辦公樓建筑局部翻模效果，圖2是該建筑標(biāo)準(zhǔn)層CAD圖紙，圖3是該建筑標(biāo)準(zhǔn)層在Revit中翻模生成的相應(yīng)建筑模型(未經(jīng)過手工修改)。

圖2 建筑CAD圖紙圖

圖3 Revit中翻模生成的相應(yīng)建筑模型(未經(jīng)過手工修改)

3 噴淋翻模

3.1 界面設(shè)計(jì)

噴漆翻模界面如圖4所示，界面劃分為兩部分，上半部分為識(shí)別相關(guān)內(nèi)容，主要是確定管道及管徑標(biāo)注、噴頭所在的CAD圖層，下半部分為生成相關(guān)內(nèi)容，主要是確定噴頭族和管道、噴頭的高度。

圖4 噴淋翻模界面

3.2 核心識(shí)別算法

首先從管道及管徑標(biāo)注、噴頭圖層中提取CAD圖元，然后識(shí)別出首尾相聯(lián)的噴淋系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)會(huì)形成一棵從樹根(系統(tǒng)入口點(diǎn))到樹葉(噴頭)的樹狀結(jié)構(gòu)，然后開始對(duì)每根管道與管徑標(biāo)注進(jìn)行匹配。

3.3 數(shù)據(jù)交換格式

識(shí)別結(jié)果會(huì)輸出到在xml文件中，以便生成模塊讀取來構(gòu)建三維模型，各類構(gòu)件主要存儲(chǔ)內(nèi)容如下：

1)管道會(huì)記錄起點(diǎn)、終點(diǎn)，管徑；

2)噴頭會(huì)記錄噴頭位置。

3.4 生成部分核心算法

讀取識(shí)別生成的xml和界面上用戶交互輸入的相關(guān)參數(shù)生成Revit中噴淋系統(tǒng)。具體生成算法如下：

1)根據(jù)識(shí)別出的管道起點(diǎn)、終點(diǎn)、管徑和界面設(shè)置的管道類型、高度在對(duì)應(yīng)位置生成管道，并對(duì)相連管道，自動(dòng)生成彎頭、三通、四通、變徑等相應(yīng)連接件；

2)根據(jù)識(shí)別出的噴頭平面位置和界面設(shè)置噴頭類型、高度在對(duì)應(yīng)位置生成噴頭，并自動(dòng)生成短立管與系統(tǒng)連接。

3.5 噴淋翻模樣例

下面為某建筑噴淋系統(tǒng)翻模效果，圖5是該噴淋系統(tǒng)CAD圖紙，圖6是在Revit中翻模生成的相應(yīng)噴淋系統(tǒng)模型(未經(jīng)過手工修改)。

圖5 噴淋系統(tǒng)CAD圖紙

圖6 Revit中翻模生成的相應(yīng)噴淋系統(tǒng)模型(未經(jīng)過手工修改)

4 插件實(shí)際使用情況

經(jīng)用戶實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)于建筑翻模準(zhǔn)確率在98%以上，噴淋翻模的準(zhǔn)確率在99%以上。翻模效率相比手工翻模更是幾十倍的效率提升。對(duì)于建筑翻模，一個(gè)10萬m210棟樓的小區(qū)的建筑模型，一個(gè)熟練的Revit建模人員加班加點(diǎn)至少也要花半個(gè)月的時(shí)間，但通過翻模插件只需要半天的時(shí)間就可以完成。對(duì)于噴淋翻模，一個(gè)1萬多m2的地庫有1 000個(gè)噴頭的噴淋系統(tǒng)，普通建模人員手工建模可能要花上一兩天的時(shí)間，通過噴淋翻模只需要幾分鐘的時(shí)間就可以完成。

5 結(jié)論

BIM技術(shù)的全面應(yīng)用，將使建筑設(shè)計(jì)乃至整個(gè)工程的質(zhì)量和效率顯著提高，已逐漸成為業(yè)界共識(shí)[12]。但BIM技術(shù)的推廣與應(yīng)用不可能一蹴而就，需要建設(shè)單位，設(shè)計(jì)院，施工單位，監(jiān)理單位，運(yùn)維企業(yè)等各方的協(xié)作推進(jìn)，還需要配套軟件、國家配套標(biāo)準(zhǔn)及管理模式逐步完善，才能比較順暢地全面推行，這個(gè)過程將是比較漫長的[13]。總之，現(xiàn)階段用Revit完全取代CAD進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)還不現(xiàn)實(shí)，對(duì)于采用BIM翻模的項(xiàng)目又面臨手工建模效率低下、工作量大等問題，嚴(yán)重阻礙BIM技術(shù)發(fā)展[14]，通過開發(fā)Revit二次插件是提高建模效率較為可行方法之一[15]。

本文闡述了通過Revit二次開發(fā)插件直接翻模構(gòu)建三維模型的方法，避免了手工建模的繁瑣重復(fù)性工作。實(shí)踐表明，插件具有廣泛適應(yīng)性，可大大提高CAD圖紙到Revit模型的轉(zhuǎn)換效率，翻模準(zhǔn)確率也高達(dá)98%以上。插件利用Revit二次開發(fā)突破BIM發(fā)展瓶頸做了一些嘗試及實(shí)踐，取得了較好效果，但是即使翻模準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上，還是會(huì)有部分構(gòu)件存在翻模錯(cuò)誤的問題，用戶檢查模型將會(huì)是一件非常頭疼的事情，插件雖然在錯(cuò)誤提示方面做了很多工作，但還不能保證所有翻模錯(cuò)誤全部能提示出來，在這方面還有待加強(qiáng)。

通過開發(fā)BIM配套軟件，來降低BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用門檻，是推動(dòng)BIM發(fā)展的有效途徑，值得建筑行業(yè)廣大從業(yè)人員和軟件企業(yè)共同研究及探討。