基于建筑信息模型技术的水电工程族库的构建

刘尚蔚，熊东，魏群

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045)

基于建筑信息模型技术的水电工程族库的构建

刘尚蔚，熊东，魏群

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045)

利用建筑信息模型的建模软件Revit进行水电工程信息模型构建时，存在建模速度慢，设计人员、各专业协同性差，构建模型精度低等问题。在深入分析建筑信息模型建模软件和水电工程特殊性的基础上，通过对Revit族库构建方法的研究和拓展，并以某水电工程建筑信息模型的建立为例，提出了一种构建水电工程标准化族库的方法，有效促进了族库的标准化和信息化，为实现快速构建水电工程信息模型找到了一条路径，提高了水电工程信息模型的建模效率。

水电工程；信息模型；Revit；标准化族库

建筑信息模型(Building Information Modeling，以下简称BIM)技术是以三维数字化技术为基础，集成建筑工程项目各种相关数据信息建立信息模型，在项目整个生命周期内，通过数字信息仿真模拟建筑物的所有信息[1]。水电工程规模较大，项目系统复杂，设计周期短，工期较为紧张[2]。如何在短时间内建立水电工程信息模型成为各设计单位丞须解决的问题。在信息模型的构建过程中，族是其核心内容，是各种信息数据的的载体，是信息模型的基础。族之所以可以重复利用是因为族构件模型是通过参数化方式构建和表达的，通过修改其参数，就可以改变原模型的相关属性。在建模时，只需调整族构件的参数就可以多次应用到模型构建中[3]。由于水电工程没有标准化族库，设计单位会根据自己的需要，内部制定一个标准构建族库，所构建的族库得不到其他设计单位的一致认可，族构件的各种数据信息也不能有效地进行交换，给族构件的重复利用带来了不便[4]。笔者将BIM族库运用到某水电工程项目中，对Revit族库进行拓展，提出了一种构建水电工程标准化族库的方法，为实现水电工程信息模型快速构建找到了一条路径，从而提高建模的效率。

一、技术路线

以Revit族库构建为指导，结合水电工程的特点，本文对水电工程标准化族库的构建方法进行了研究，具体的构建思路如图1所示。

图1 族库构建的基本思路

二、族库的拓展

Revit族的制作是建模工作能够顺利开始的前提，在利用BIM软件Revit进行信息模型的构建中，族是其核心元素，它是信息数据的载体，包括了建族物的几何与非几何(尺寸、结构、材料、加工制造、厂商等相关数据信息)属性[5]。族库是具有相同特征、造型类似、参数不同的族及其资源的集合，如可分为电气、给排水、暖通等[6]。族库随着设计方法、标准化技术和数字信息技术的发展而成为一种信息资源库，并逐渐与现在的信息理论相结合，对促进族库的标准化和信息化具有重要作用。族库的基本功能有归类、存储、检索、下载、拓展与共享[7]。标准化族库的构建能很好地帮助设计人员在构建信息模型时相互协调并方便检索，可以减少模型的重复绘制，在以后信息模型的构建时可直接调取族库里面的族构件，大大减少了建模的工作量，更方便工作人员进行管理，增强了企业的竞争实力。水电工程目前没有标准化的族库，一定程度上导致了信息模型构建速度慢等问题。因此，构建水电工程标准化族库十分有必要。

(一)实体的拆分

模型的拆分是族构建的一个重要基础环节，完善的模型拆分可以避免很多重复的建模工作，便于设计人员建模时对工作进行分配并相互协作。由于水电工程BIM信息模型过大，进行模型构建的设计人员也会比较多，有时十几人同时进行模型的构建。为使设计人员更好地实现协同，便于项目人员的统一管理，合理的拆分就显得十分重要。模型拆分时采用的方法应照顾到参与建模的所有内部和外部专业团队，并获得一致认可。在拆分的每个文件中最多包含一个建筑体并且模型文件应仅包含来自一个专业的数据。水电建筑物其自身结构复杂，构件数量多且相似度大，拆分具有一定的难度。本文是将水电模型分为主模型、分模型和子模型，按专业分成类模型，然后将类模型细分为不同的构件，并对构件进行编码。

(二)模型文件的命名

水电工程规模大，建筑物复杂，拆分出的模型族构件庞大繁杂，能让人清晰明了地了解此文件夹的内容十分重要，所以必须严格规定文件的命名方式，以便得到清晰的文件名。为了得到灵活简洁的文件名称，文件名字不能太长，应把握好文件名清晰度和长度之间的关系。经过查阅资料，借鉴香港房屋署的BIM标准手册里文件命名方式，把模型文件分为6个字段，中间用“-”分隔。按照项目编码-子项编码-阶段(如项目策划、规划、设计、合约、实施阶段)-专业-分部工程-描述等6个阶段命名。例如文件模型文件名为：001-A1-SJ-SZ-ZS-K0_K30.rvt,文件名中001表示项目编号为001，A1表示1标段，SJ表示标段1的设计阶段，SZ表示设计阶段下的水闸工程，ZS表示水闸工程中的闸室工程，K0_K30表示闸室工程设计阶段下桩号K0到K30所有模型。

(三)族命名与族参数命名

族构件的分类命名是设计人员对族库进行检索和调用的前提，进行标准统一命名不仅能清晰明了地告知设计人员此族构件所代表的模型，而且对模型中构件工程量的统计和管理带来了很大帮助，它是族库构建极其重要的一步。可以参照族的分类方法及在项目中实施的具体要求对族进行命名，经过查阅资料，以单位工程编码、分部工程编码、分项工程编码、分项工程族编码、分项工程族类型的顺序进行命名。如渡槽地板族的命名为：DL-DC-DCDB-DCDB01-4200*2100。

Revit软件中族构件的重点在于其属性(几何属性和非几何属性)的参数化，也是族构件可以重复利用的基础。通过修改族参数即可改变族构件的属性，规范的族参数命名可以清楚地告知设计人员每个参数的具体含义及参数代表的构件的属性，同时有助于项目的沟通、识别和管理，也可以形成不同协作团队间、企业间相互沟通的标准。为保障项目及族库文件管理系统的高效工作，避免BIM模型基础数据繁琐，制定了简明扼要的参数命名规范。族构件的长度用L表示、高度用H表示、宽度用W表示、深度用D表示、槽宽度用B表示。其他方面的变化可以用数字来区分命名，同一个族类型的尺寸规定由上到下、由左到右、由外到内的顺序命名，譬如D1、D2等。如渡槽底板的参数命名规则如图2所示。

图2 渡槽底板族参数命名示例

图2示例中DC表示渡槽，DCD表示渡槽底板，Ln表示渡槽底板各部位的长度，Hn表示渡槽底板各部位的高度。

(四)族库的建立

在构建族时，项目中所有模型均使用统一的单位与度量制，使用真实坐标系，族构件制作步骤如图3所示，制作的族构件质量的好坏，可通过可用性测试和调试辨别，最后将调试好的族构件归类成族库。通过规范的族和族参数命名，使建立的族具有良好的通用性和高度的参数化性质。在水电工程建模过程中，可以不断积累水电工程族并进行拓展，这样不仅能够使族库得到持续的补充，又能够高效地利用族库。

图3 族构件的制作步骤

三、BIM模型的构建

模型的装配搭建是整个BIM模型创建的最后一步，也是对之前创建族的一个具体应用。由于Revit族构件是参数化的构件，在模型构建时只需调用族库里面的族构件，通过修改族构件参数或在模型上直接进行编辑，就可以实现族构件的变换，从而满足模型搭建的要求。

(一)模型轴网的布置

在构建好各个水电工程项目的族构件之后，需要在Revit中新建一个“构造样板”项目，载入需要的族构件进行模型的装配搭建。在进行模型装配时，首先要做的就是根据各种图纸在Revit“构造样板”里面构建大坝的轴网和标高，以便能够确定整体模型中的各个坝段、压力管道、廊道、节制闸、厂房等建筑物的准确空间位置。在“构造”选项卡下的“基准”菜单中找到“轴网”选项，单击“修改/放置轴网”选项卡，根据“绘制”选项卡里面轴网的类型，在工作界面绘制需要的轴网，如图4所示。同理，在工作界面根据图纸绘制标高，如图5所示。

图4 模型构建项目轴网

Revit会为每个轴网编号，以数字的形式出现，如果想以字母的形式出现，只需把第一个轴网编号修改为字母，其它轴网则自动以字母的形式表示。在绘制轴网时，可以让各轴线的头部和尾部相互对齐，如果要移动轴网时，所有对齐的轴网也都会随之移动。

图5 模型构建项目标高

(二)族构件在Revit项目中空间位置变换

在Revit项目中载入族或者制作嵌套族的时候，有时候需要转变它们之间的空间位置关系从而满足模型的搭建，同时也存在着繁多的约束关系，比如对齐、旋转、移动等。利用这些约束关系，可以很快地把不同的族构件嵌套或者装配到合适的位置上，并通过数字驱动、约束传递的方式实现构件的变化。

从原理上讲，族构件在项目中的搭建及相互之间的嵌套过程就是装配空间坐标和族构件坐标系统交换的过程，通常可以用一个4×4的位姿矩阵变换得到：

(x1，y1，z1，1)T=A(x，y，z，1)T。

(x1，y1，z1，1)T表示空间整体坐标位置，(x，y，z，1)T表示空间局部坐标位置,A表示变换矩阵。

平移变化中，变换矩阵

dx、dy、dz表示平移变量。

旋转变换中绕x轴旋转矩阵

绕y轴旋转矩阵

绕z轴旋转矩阵

族构件的任何空间变换均可通过一定量的平移和旋转变换组合得到。

(三)族在项目中的搭建

把需要应用的族构件分类载入到已经创建好的标高和轴网的“构造样板”项目里面，并制定编制族在项目里面的名称编号。根据标高和轴网确定各个坝段在空间的位置，通过变换族构件的方向(移动、旋转)，放置到合适的位置上，对齐轴网，并在合适的标高和立面视图上调整位置，以对齐轴网并锁定。依据之前放置的各个坝段的位置，分别放置其相应的设备族(如发电机厂房族等其他设备)，如果在项目中移动不了，可以在属性里面通过数字调整起点和终点的标高来控制族的上下位置，以使模型放置到准确位置，最后锁定对齐。全部装配完成之后，检查各个族构件之间是不是已经对齐锁定，以及各个族构件的逻辑关系是否正确。根据上述方法搭建完成的渡槽信息模型如图6所示。

图6 渡槽信息模型

四、结语

基于标准参数化族库的构建方法，以现有设计软件Revit为工具，通过族构件装配构建了某水电工程建筑信息模型，提出了一种构建水电工程标准化族库的构想。水电工程标准化的族库构建能很好地实现对族构件的储存和管理，并进行统一规范，使族构件的数据信息更加完整，有助于解决工程信息的流失，并对后期模型数据的信息传输和应用夯实了基础。标准化族库的构建便于设计人员快速地从族库里面进行族构件提取和信息检索，通过修改族构件的参数载入到项目中即可实现模型的构建，不仅大大节省了建模的时间，也提高了模型的精准度。

[1] 丁建洋,付后国,应宇垦.轨道交通工程Revit族库系统设计与开发[J].电脑知识与技术,2016(11):5-7.

[2] 仲夏.三维协同设计在水利水电工程设计中的应用[J].信息化建设,2016(4):347-348.

[3] 贾盈平,李春祥.面向属性的参数化建模在Revit API中的应用[J].计算机辅助工程,2016(4):72-76.

[4] 宋楠楠.基于Revit的BIM构件标准化关键技术研究[D].西安:西安建筑科技大学,2015.

[5] 赛菡.季文君,杨莅宇.BIM族库管理建设框架设想[J].建筑机械化,2016(12):30-34.

[6] 崔旸,朱丹,王德俊,等.机电专业常用族的分类和命名方法[J].建设科技,2015(14):135-138.

[7] 罗文林,刘刚.基于BIM 技术的 Revit 族在工程项目中的应用研究[J].施工技术,2015(6):761-764.

ResearchofConstructionMethodofHydropowerProjectLibraryBasedonBIMTechnology

LIU Shangwei, XIONG Dong, WEI Qun

(College of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

When we construct hydropower engineering information model with BIM modeling software Revit, there are many problems such as slow modeling velocity, poor coordination among designers and various disciplines, low modeling accuracy. Based on the deep analysis of BIM software and the specificity of hydropower project, taken BIM of a specific hydropower project as an example, this paper puts forward a method to building a standardized family library for hydropower project, which can promote the Revit library standardization and informatization effectively, through the research and expansion of Revit family library construction method, thus providing a path for constructing hydropower project BIM rapidly and enhancing the hydropower project BIM modeling efficiency.

hydropower project; building information model; Revit; standardized family library

2017-08-10

河南省教育厅科技开放合作项目“工程结构虚拟仿真动态建模引擎技术与应用”(142106000043)

刘尚蔚(1967—)，女，河南南阳人，华北水利水电大学水利学院教授，博士，研究方向为水工结构可视化仿真； 熊东(1989—)，男，重庆云阳人，华北水利水电大学水利学院硕士研究生，研究方向为水工结构可视化仿真； 魏群(1947—)，男，山东诸城人，华北水利水电大学钢结构与工程研究院教授，博士生导师，研究方向为水工结构可视化仿真。

C931；TV222.2

A

1008—4444(2017)06—0034—04

蔡洪涛)