基于Revit和Dynamo的排水管網快速建模技術研究

摘要：傳統的排水管網建模方法主要依賴于手工繪圖，效率低下且易出錯，已無法滿足市政排水管網的設計、施工與運維在效率和精度等方面的高要求。通過整合Revit的建筑信息建模功能和Dynamo的靈活編程能力，構建了從構件庫建立、數據庫建立、程序編制到參數化建模的技術流程，實現了設計、建模到關鍵信息錄入的全流程自動化操作。該研究成果應用于宜昌市兩網項目東山片區排水管網改造工程，所提供的可視化數字模型既準確又高效，具有可視化、可交互、可參變的特點。相關經驗可供類似管網改造工程設計借鑒。

關 鍵 詞：排水管網；建筑信息模型；三維建模；參數化設計；長江大保護項目；宜昌市

中圖法分類號：TP391 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.032

0 引言

長江大保護項目是以城鎮污水處理為核心，推動科學系統治水，確保污水全面收集、處理及達標利用，以改善城市水環境^［1-2］。目前長江大保護項目已在11個省市展開，投資逾千億元。排水管網工程是長江大保護項目中關鍵的子項工程，有嚴格的設計與建設要求。然而，目前排水管網設計數據仍然以二維圖紙表達為主，缺乏整體性與連續性，難以全面展現管線情況，使得交叉沖突難以及時發現，其準確性問題常導致施工誤判，嚴重影響工程進度。BIM技術作為一種創新的工具和方法，正在逐步被工程行業廣泛應用，該方法能夠利用信息模型的可視化手段，為長江大保護工程的設計與施工提供更為準確和高效的指導。

管線工程規模大，手動建模效率低且容易出錯。因此，需一種高精度、自動化、快速化建模方法，以提升建模效率和質量。近年來，許多學者從不同角度對地下管線三維建模進行了深入研究，如竇世卿等^［3］基于Cesium提出了一種利用shapefile二維地下管網數據自動構建三維地下管網3D Tiles模型的建模方法；王靜^［4］基于GIS實現了農村排水管網模型的快速構建；鄧梁等^［5］采用InfraWorks和Civil 3D BIM平臺及二次開發技術，實現了BIM協同的城市地下管網三維快速建模；宋雪等^［6］采用BIMAPI二次開發技術、數據庫技術和C#語言，實現了管線數據提取處理算法、管段與管點連接構件的建模。

前述研究在管網三維建模方面實現了一定程度的自動化，但所采用的工具并非主流設計軟件，與長江大保護其他工程設計平臺進行銜接及數據互用方面存在一定阻礙，例如與Revit創建的構筑物等模型的整合問題尤為突出^［7］。盡管可以通過IFC等通用格式進行數據互導，但這種格式轉換的方式存在單向不可逆、構件屬性信息丟失等問題。本文旨在利用Revit和Dynamo這兩款廣泛應用的BIM軟件，實現排水管網的自動化建模，期望解決現有BIM技術在數據互用性方面的局限，提高設計效率，并促進不同設計平臺之間的無縫協作。

1 軟件平臺介紹

Dynamo^［8］作為一款開源可視化編程插件，以腳本的形式為使用者提供圖形化的界面用以編程，通過組織連接預先設計好的節點（Node）來表達數據處理的邏輯^［9］，形成可執行的程序。該插件能夠降低傳統程序編輯的復雜度，令開發者專注于功能開發的本身，可輔助快速實現參數化設計、數據管理以及性能分析。Dynamo能夠識別并提取多種文件格式的數據^［10］，如Excel、TXT等，從而促進了Revit與外部軟件的數據交流，使得不同軟件之間可以進行數據共享和傳遞，這也是本次研究中數據導入的基礎。此外，Dynamo還允許用戶利用Python語言編寫一些能實現具有復雜功能需求的自定義節點并加入現有節點庫^［11-13］，從而進一步擴展Dynamo的功能。圖1所示為利用Dynamo中嵌入的Python腳本程序創建管道的自定義節點，通過輸入管道中心線IN［0］、管道類型IN［1］、管道系統IN［2］、參照標高IN［3］、管徑IN［4］，可實現管道模型創建的功能。

根據排水管網三維建模需求，利用Dynamo編寫程序能更高效地實現數據批量處理、管道中心線構建、管井節點放置、參數導入等功能，達到排水管網快速精準建模的目標。另外，通過編寫代碼的方式對已構建模型進行參數修改更加便利，有利于實現模型復用，大幅降低建模成本，提高建模效率。

2 排水管網快速建模技術路線

目前，線性工程快速建模的方法有很多種，最常見的是基于斷面通過中心線放樣，生成不同規格的常規模型，這種方式創建的管道缺少必要的設計屬性，如管道類型、管道系統、管道粗糙度等，不利于后續的水力計算和管道流態分析。本次研究在上述基礎上進行改進，通過RevitAPI調用Revit管道創建的原生功能完成管道建模，并且通過Dynamo程序完善數據處理功能，通過二維設計圖紙導出檢查井和管段設計參數表，實現排水管網二維圖紙到三維模型的快速轉換，避免了設計數據導出后還需對數據庫結構進行的二次設計，節約數據處理耗時。利用Dynamo對排水管網進行參數化建模的詳細流程如圖2所示。

3 排水管網快速建模方法

3.1 準備工作

（1）創建項目文件。Revit軟件中所有建模工作均是基于項目文件完成的，項目文件可以對項目公共幾何屬性、空間屬性以及工程信息進行統一管理，比如項目單位、項目地址名稱等，本次研究主要針對室外排水管網工程展開，涉及范圍廣，故項目單位設置為m。Revit項目文件中還支持管道系統和管道類型的設置，不同的管道類型代表不同的管道材質，管道材質不同導致管道的內外徑尺寸、材質渲染效果均有所不同，這些均需要在項目文件中提前設置，設置好的項目文件可以保存為項目樣板，便于后續同類型項目重復使用。

（2）參數族的創建。為批量創建不同型號、種類的檢查井構件，需要對其關鍵屬性參數進行分析，主要分為幾何屬性（井徑、井深）、空間屬性（插入點位置）、非幾何屬性（材質、是否為跌水井等）。本次研究選取Revit軟件的公制常規模型.rft作為檢查井參數族樣板，通過拉伸、放樣以及布爾運算，創建檢查井實體模型，同時將檢查井幾何參數與實體模型進行關聯，最后調試檢查井構件幾何參數，觀察模型是否受參數驅動而變化，若驅動成功，即可載入至Revit項目文件中。參數族的創建流程詳見圖3。

（3）構建數據庫。目前物探管線和設計管線數據以CAD圖紙為主，因此根據管線特征從CAD圖紙中提取建模關鍵信息，如檢查井的編號、坐標、標高、尺寸以及管道的起終點編號、直徑、材質、長度等。為了便于Dynamo對數據進行處理，本次研究采用Excel電子表格作為管段和管井數據存儲器，建立排水管網數據庫，如表1～2所列。

3.2 參數化建模

（1）數據的導入與處理。利用FilePath節點可以直接導入檢查井和管道設計屬性數據庫，由于Dynamo的Data.ImportExcel節點讀取的數據是按照行構成的數列矩陣，故需要對其進行轉置。

（2）檢查井自動建模。利用Code Block節點，根據轉置后數列矩陣的行數分別提取檢查井插入A點XY坐標信息、檢查井類型信息、井面與井底標高信息；將井坐標X和Y的信息與井面標高信息進行組合，生成檢查井中心插入點的坐標點陣，再利用FamilyInstance.ByPoint和FamilyType.ByName節點，通過檢索數據庫中對應編號下的井類型，在對應的坐標點放置不同類型的檢查井。直接導出的屬性表中部分原始參數無法直接利用，需要通過簡單的數學運算對數據進行轉換，如井深=井面坐標-井底坐標。最終利用SetParameterByName節點，將轉換后的數據對檢查井可參變的參數進行調整，如檢查井的井徑、井深等。

（3）管段自動建模。利用Code Block節點，提取管段起、終點檢查井編號、管徑、管內底標高、管道系統、管道材質。由于直接導出的管段屬性表中不包含管段起、終點坐標信息，故利用List.IndexOf和List.GetItemAtIndex的節點組合通過起、終點管段編號對檢查井屬性表進行檢索，獲取對應的坐標信息中X和Y值，再根據提取的管內底標高信息與管徑信息進行數學運算（管中心標高=管內底標高-管徑/2）生成起點和終點管中心坐標Z值，最終生成管段的中心線。利用Python Script節點，通過引用內嵌的Revit API程序集編寫管段模型構建程序，然后將起終點中心線、管道類型、管道系統、管徑尺寸參數在input端輸入，最終在output端生成管段模型。

（4）數據附加。BIM模型中信息是關鍵，模型信息分為幾何信息、屬性信息以及關系信息，幾何信息應包含幾何形態、位置、尺寸等，例如管道直徑、長度、坡度；屬性信息應包含名稱、類型、特性、材質、等級和數量等，例如管道材質、管道系統、管道類型；關系信息主要表達模型單元之間的邏輯關系，例如井編號、管段起終點編號等。信息模型只有包含這些屬性信息才算完整。在模型搭建完成后，可以利用Element.SetParameterByName節點，將工程建設過程中產生的數據通過構件屬性的形式記錄下來，為信息模型的后期應用提供數據基礎。

4 案例優化

4.1 項目概況

宜昌市主城區污水廠網、生態水網共建項目二期PPP工程（圖4）是“共抓大保護、不搞大開發”重要長江大保護支撐項目，項目位于宜昌市主城區，包括現狀管網清淤、檢測，宜昌市“一江兩岸”污水廠網新建和改擴建，柏臨河（主城區）水環境治理和生態修復以及智慧水務工程共計5個子項，可為宜昌市主城區全面改善水環境質量，基本實現城區污水全收集全處理。

4.2 存在的問題

該案例采用Dynamo+Revit快速建模方法創建排水管網改造工程管網模型。通過實際應用以及材料明細表的統計發現，該方法搭建的管網模型超出實際管長7.5%～10.0%（表3），存在一定的誤差。深入研究發現，導致該問題的重要原因在于管道均以檢查井中心點為起、終點，造成管道起端和末端部分管道與檢查井重疊，致使模型管道長度統計過量。為了使模型準確反映管道的真實情況，需對快速建模方法進行優化。

4.3 改進措施

通過進一步研究發現，為了使模型真實反映管段長度，需要切除與檢查井重疊部分，但管段中心線屬于由起、始的空間坐標點相連形成的空間矢量線段，不能簡單進行數學運算，需要采用空間向量的原理對其進行處理。

（1）獲取起、終點裁剪向量。通過起點A坐標和終點B坐標生成向量AB，再利用Vector.ByCoordinates節點獲取向量AB的單位向量e=AB/AB，由于向量AB屬于空間向量，在向量AB方向管段與檢查井重疊部分實際長度為R′，根據勾股定理可知R′= /R²+H²，如圖5所示，但實際工程中一般H值很小，為便于計算令R′≈R，得到起點裁剪向量AA′=R_起（起點井半徑）·e，終點裁剪向量B′B=R_終（終點井半徑）·e。

（2）獲取裁剪后的起、終點坐標。獲取起終點裁剪向量后，就可以利用Point.Add和Point.Subtract節點，通過向量的加減運算獲取向量OA′=OA+AA′，OB′=OB-B′B，如圖6所示，然后將A′點和B′點坐標進行重新組合，生成裁剪后的管段中心線通過起終點，最終生成更加準確的管段模型。

5 結語

本文基于排水管網二維設計圖紙直接導出的檢查井和管段設計參數表，實現了排水管網數據批量自動導入和排水管線的快速高效創建，自動生成各類型排水管網的三維設計模型。本次研究以Revit軟件平臺為基礎，融合Dynamo可視化編程、Python腳本、數據庫以及Revit API調用技術，開發了排水管網自動化快速建模程序，實現了排水管網從二維設計圖紙到三維模型的快速轉換。在案例分析中，以宜昌市兩網項目東山片區排水管網改造工程為例，應用所建立的快速建模程序對管段模型的創建方法進行優化，有效降低了模型誤差，確保了BIM模型在表達排水管網工程時的精確性。研究成果不僅提升了BIM模型在排水管網工程中的準確性和實用性，而且為長江大保護工程實現智慧化、智能化建設提供了良好的數據支撐，對于推動城市基礎設施的現代化和智能化發展具有重要意義。

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（編輯：胡旭東）