基于BIM的中低速磁浮土建構件管理平臺開發

裴彥飛，蘇 芮，蘇 謙，2

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

引言

BIM理念自從被提出以來，就不斷地在改變傳統的設計、施工及建設管理方法，使之逐漸向信息化、精細化和標準化方向發展[1-3]。要實現BIM技術在建筑全生命周期中的應用，其核心是建立兼帶幾何信息和非幾何信息的三維模型，而設計階段作為整個BIM全生命周期的源頭，在其中起著至關重要的作用。在設計階段，設計人員使用BIM技術的出發點，是希望能夠借助其可視化、易協同、實時模擬等優勢，更加高效、準確、經濟地完成設計工作，與此同時，三維模型也會伴隨設計工作的完成而被建立出來。然而，當前BIM技術的應用現狀卻與其大相徑庭，在國內外眾多設計院所，設計人員仍先完成傳統的二維設計，再依托二維設計成果翻建三維模型，逆向檢查設計成果，這便是傳統意義上的“逆向設計”。這樣做雖然在一定程度上解決了設計偏差問題，但無法做到在設計過程中避免差錯的產生[4-6]，降低了BIM模型的應用價值，同時給設計單位增加了大量的額外工作量，在源頭上阻礙了BIM的發展。當今，BIM的發展趨勢便是從源頭解決設計、施工及工程全生命周期應用的問題，而采用基于BIM的正向設計，根據實際的工程工況，選用合理的標準化構件，設計人員在初步設計時就可建立三維模型，并且該三維模型可直接用于可視化交底[6-8]、與結構計算模型同步優化、工程概況分析等，再經深化設計變更后，真正應用于工程施工指導及后期運營維護[9-12]，達到了“數據流通，一模多用”的效果，提高設計效率，降低設計成本。

當前BIM技術已不僅作為便于三維可視化的空間幾何模型，BIM相關聯的數字孿生理念，使得建筑信息模型需貫穿建設項目的全生命周期，因此，多維BIM的概念應運而生。在三維的基礎上，加入時間、成本、施工管理、監測預警、多源數據驅動運維等多屬性的全過程綜合信息載體，其強大的空間信息能力，對其他維度(如經濟類信息、過程類信息等)信息具有非常友好的載負和關聯特征，具有強參數化特性。其次，BIM需構建良好的自循環生態，眾多平臺均提供用戶供其自主開發的友好接口，利用BIM的諸多優勢，可實現中低速磁懸浮線下結構構件庫信息管理平臺的初步搭建和應用[13-15]。而中低速磁浮作為當前城市軌道交通的代表，具有環保、安全性高、建設成本低等特點，具有很高的推廣價值。但目前其土建設施的設計成果仍以二維形式呈現，對于復雜的磁浮實體結構，這種傳統的設計方法無法達到“所想即所得”的設計效果，同時對于線路結構無法實現參數共享和成本管控，影響中低速磁浮的推廣，增加了溝通成本。

因此，依托BIM技術建立的磁浮線路模型，通過開發構件庫信息管理[12，16]平臺，提取工程項目中的構件信息，建立構件標準化設計庫和相關工程附屬信息管理平臺，初步探索結合BIM的中低速磁浮土建設計方法。研究實踐表明，構件管理平臺的建立從一定程度上擺脫了繁瑣的設計圖紙，可以快速查找相關工程經驗資料和構件信息。因此，有必要研究正向設計理念在中低速磁浮土建結構設計領域中的應用，以期推動中低速磁懸浮土建設計領域的發展。

1 正向設計中的關鍵問題

1.1 BIM軟件選擇

與建筑工程[8，10]相比，中低速磁浮工程具有專業多、線路長、體量大等特點。選擇何種BIM軟件，完成設計流程，提高設計效率就顯得尤為重要。目前，市場上大量的BIM行業公司均非專門從事軌道交通行業的軟件商開發軟件。現階段各個軟件公司所提供的產品都不能很好地適用于中低速磁懸浮工程。由于設計者考慮到磁浮構件實體復雜，且工程終身責任制就要求所有構件的附屬信息清楚明白等，要求模型附屬信息添加方軟件方便靈活，參數化能力強、協同設計便捷等特點[17-19]和模型數據交互的需要，同時由于設計者習慣了使用歐特克公司的CAD系列軟件，而Revit軟件同為該公司系列軟件，具有相似的操作方式，容易上手。其特點恰為構件定義編輯性強，故選取Revit軟件作為建模平臺，進行中低速磁浮土建構件庫BIM正向設計研究。

1.2 BIM正向設計族構件庫

構件是BIM中的重要概念，構件數據信息是跨模型、跨項目的，一個完整線路模型[13-15]涉及各專業的構件，其數量和類型均是極其龐大，因此，對BIM數據信息進行妥善的管理，僅僅依靠建模軟件是不行的，為滿足當下新基建的快速發展和工程的標準化建設，就要求務必提高構件的通用性。

在普通二維設計中，在得到基礎地形數據的基礎上，對工程建筑物的體量、涉及的土建專業進行分析后，此線路中的基本結構也即確定(橋梁、隧道、路基)，基于以往的設計經驗，通過基本建筑物的拼裝，可以得到初步設計。在實施設計中，就涉及到較多的重復性工作，BIM對工程設計的促進作用也僅停留在最終的翻模、碰撞檢查階段。長此以往的設計模式，正向設計便無著手之處。

Revit軟件的主要功能是在三維模型環境中，利用Revit族構件搭建可視化三維模型。在BIM正向設計中，關鍵是建立相關設施的標準參數化構件，通過相關工程經驗積累，構建自己的相關族庫，實現在設計過程中直接調用構件來完成快速設計[20-21]，逐步建立三維BIM模型。目前，中低速磁浮土建設施構件均趨于“標準化”，大部分構件已經實現工廠預制和現場拼裝。因此，實現正向設計在中低速磁浮土建設施設計中的應用，必須創建中低速磁浮參數化族構件庫。為達到正向設計時對構件的快速查找與調用，以及通過參數驅動變換構件的尺寸、材質等，需在此基礎上進行二次開發，解決平面設計中重復性、不可視性，協同性差等弊端。因此，開發構件管理平臺，提取各類族構件的信息、導入數據庫存儲相關數據，來簡化設計流程很有必要，由此建立標準族構件設計庫。

2 中低速磁浮土建構件庫創建

對于磁浮線下結構構件，根據設計要求，完成相應部件的參數化模型來組裝構件庫，其建立基于Revit平臺參數化建模[18]實現。首先，實現二維輪廓參數化；然后，由二維輪廓通過拉伸、旋轉、融合、放樣等方法形成簡單參數化構件；再對簡單構件進行交并差、組合、陣列等操作以形成復雜構件或組件，或利用dynamo等可視化編程手段批量完成復雜磁浮土建構件的建立。

2.1 參數化構件分類

構件的標準化、參數化決定了模型的精細程度，對工程結構物的精確性影響較大。基于模型的編輯屬性，從BIM模型的角度對構件進行合理分類，同時依托中低速磁懸浮土建設施各部分構件的特點，將這些土建構件劃分為標準構件和自定義構件兩大類。標準構件是指構件的幾何尺寸不受外部環境影響，在不同項目中應用功能相同的構件。這類構件一般是結構的附屬部分或起連接、緩沖、導向等作用的構件，比如磁浮軌道結構中的各類墊板、F形鋼等，見圖1(a)。自定義構件是指構件的幾何尺寸可變、受外部環境影響、在不同項目中結構體量變化的構件。這類構件一般是磁浮結構的基礎部分，是結構承受大部分荷載的主體，比如承軌臺、軌道梁等，見圖1(b)。

圖1 構件示意

2.2 Revit族樣板設置和二維輪廓參數化

在創建構件之前，根據構件的應用屬性和背景，首先選擇相應的族樣板，依托不同的樣板文件，設置一系列的參照平面并標注關鍵部分的尺寸，方便后續的尺寸調整；選擇構件的插入點，繪制構件的外形輪廓并將其與之前的參照平面相關聯，使構件的尺寸可由參數驅動；最后，統一設置全局的族類別和相關的族參數。

2.3 構件模型創建與構件屬性設置

對構件進行建模時，在其二維輪廓的基礎上通過Revit的拉伸、融合、旋轉等布爾運算命令建立構件的三維模型。對不同類型的構件設置不同的關鍵控制參數，并且在創建的過程中，對細部尺寸處理尤為重要。

構件三維模型建立完成后需對構件屬性進行設置，構件屬性[20]包括幾何屬性和非幾何屬性，要保證各幾何屬性能夠呈現出來，檢查無誤才能繼續添加非幾何屬性。構件的非幾何屬性包括材質、生產商、成本等。在構件屬性框的材質欄中添加材質，便可在族類型中自定義修改材質，構件的非幾何屬性創建后檢查無誤保存。利用Revit創建的中低速磁浮土建模型見圖 2。

圖2 中低速磁浮土建BIM模型示意

3 族構件管理平臺開發

整個中低速磁浮土建正向設計實施過程中，需要用到的族構件類型較多。相關項目的“經驗構件”在建設縱向傳遞困難，在各個不同設計平臺間橫向傳遞更是難以實現，對大型建模軟件的依賴性又很高，因此，族構件的集中式管理和參數共享顯得更加重要。在正確創建模型的基礎上實現對族構件有序管理、快速檢索、高效調用、數據共享在正向設計流程中頗為關鍵。

Revit中構件自帶信息眾多，需進行一定的數據篩選才可進行管理，基于API對Revit進行二次開發便成為關鍵。此過程中需自定義Server接口實現引入外部程序進行控制，并設計算法提取需要的數據。將篩選出的數據通過接口導入SQL數據庫，再通過平臺顯示在界面上。此方式可實現對眾多構件“精準”“簡便”地抓取并進行輕量化管理，為正向設計后續過程提供必要的基礎。

3.1 開發流程

在進行二次開發前，需對開發環境進行配置。AUTODESK開放了Revit SDK服務，以便用戶可以自由對Revit進行二次開發。

外部服務框架(External Service Framework)主要是Revit用來把一部分功能委托給外部程序來完成，從Revit中提取構件信息是基于外部服務框架之上的，通過定義Server接口，引用RevitAPIUI.dll和RevitAPI.dll，讓外部程序實現并注冊。外部程序需建立類庫并使用NET.4.5.2框架下的特殊C#語言，通過外部命令(External Command)，設計自適應性查詢算法，對Revit庫中構件信息進行提取。然后利用MySQL數據庫軟件創建符合國家現行相關規范的數據庫。為使用方便，基于外部應用(External Application)添加一個Ribbon至Revit界面，整合外部命令，實現一鍵提取項目中構件的名稱、尺寸等信息，并與數據庫進行匹配，生成構件的基本信息，通過修改構件參數實現對構件的調用、修改及后期維護，同時生成族構件庫。

基于Visual Studio C#編譯windows窗口程序—構件信息管理平臺，實現與數據庫連接，對構件信息進行管理，管理平臺設計的實施流程見圖 3。

圖3 構件管理平臺執行流程

3.2 管理平臺主要模塊

構件經過在revit中開發插件提取信息后，需將各類屬性數據導入數據庫，首先要進行的是與數據庫連接。將提取的構件信息以固定的格式存儲在數據庫中，在C#windows程序中通過sqlserver語句實例化類對象，對數據信息進行管理，包括信息的查找、編輯、刪除、添加等基本功能的實現。如圖4所示，設置的6個數據庫構件屬性，導入存儲后對應于某個構件在BIM模型中的6個不同性質的信息，例如構件名、體積、材料等。

圖4 數據庫構件屬性

管理平臺的初步功能包括以下7個子模塊，依次從Revit中讀取構件的信息、數據庫連接、到整個項目的成本計算等7個流程。圖 5為構件管理平臺的操作主界面，信息管理平臺全過程的主要操作功能如下。

圖5 構件管理平臺主界面

(1)一鍵讀取：將Revit中打開的構件信息進行一鍵讀取，并將數據存入數據庫中。

(2)用戶登錄：登陸管理平臺，實現與數據庫的對接。

(3)信息查詢：對數據庫中存入的構件信息進行查詢，可通過構建名和構件編號來進行檢索。

(4)新建信息：可手動進行添加構件信息，包括構件名稱，構件編號，材料等數據。

(5)修改信息：對信息中的個別信息進行修改。

(6)刪除信息：對無用信息進行刪除，也可以進行批量刪除。

(7)成本計算：通過對某構件自身成本的輸入，計算該項目的總造價。

4 結論

針對當前BIM在城市軌道交通設計領域中的應用多數停留在效率低下的翻模階段，不同模型數據之間形成壁壘和孤島，形成數據傳輸上的堵塞結點，使模型的利用率降低，為促進中低速磁懸浮土建設計方式的變革，疏通數據傳輸管道，避免因繁瑣的實施過程而限制其在應用中的推廣和創新。通過基于BIM正向設計理念的構件管理措施，對其在中低速磁浮土建設計中進行了數據整合和導通探索研究，主要結論如下。

(1)集成中低速磁浮線下土建構件信息和開發構件信息管理平臺，初步實現了設計過程中各類“資源”的合理配置，打破傳統的數據屏障效應，簡化了設計流程中的幾何與非幾何數據歸類，實現了數據在全方位的應用傳遞。

(2)基于Autodesk平臺開發中低速磁浮模型構件信息提取插件并建立各類型數據的存儲庫，實現了磁浮線下構件數據在建筑物全生命周期內的流通，成為建筑物的終身屬性，相應工程責任準確至單位人的規則，又在一定程度上保證了結構物在施工階段的安全可靠性和后期養護維修的便捷性。

(3)在歐特克平臺上實施中低速磁浮正向設計的探索方式，也可推廣應用于其他城市軌道交通開展 BIM 正向設計，為城市軌道交通設計領域 BIM 技術的可持續發展提供參考。