基于BIM的中低速磁浮土建构件管理平台开发

裴彦飞，苏 芮，苏 谦，2

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

引言

BIM理念自从被提出以来，就不断地在改变传统的设计、施工及建设管理方法，使之逐渐向信息化、精细化和标准化方向发展[1-3]。要实现BIM技术在建筑全生命周期中的应用，其核心是建立兼带几何信息和非几何信息的三维模型，而设计阶段作为整个BIM全生命周期的源头，在其中起着至关重要的作用。在设计阶段，设计人员使用BIM技术的出发点，是希望能够借助其可视化、易协同、实时模拟等优势，更加高效、准确、经济地完成设计工作，与此同时，三维模型也会伴随设计工作的完成而被建立出来。然而，当前BIM技术的应用现状却与其大相径庭，在国内外众多设计院所，设计人员仍先完成传统的二维设计，再依托二维设计成果翻建三维模型，逆向检查设计成果，这便是传统意义上的“逆向设计”。这样做虽然在一定程度上解决了设计偏差问题，但无法做到在设计过程中避免差错的产生[4-6]，降低了BIM模型的应用价值，同时给设计单位增加了大量的额外工作量，在源头上阻碍了BIM的发展。当今，BIM的发展趋势便是从源头解决设计、施工及工程全生命周期应用的问题，而采用基于BIM的正向设计，根据实际的工程工况，选用合理的标准化构件，设计人员在初步设计时就可建立三维模型，并且该三维模型可直接用于可视化交底[6-8]、与结构计算模型同步优化、工程概况分析等，再经深化设计变更后，真正应用于工程施工指导及后期运营维护[9-12]，达到了“数据流通，一模多用”的效果，提高设计效率，降低设计成本。

当前BIM技术已不仅作为便于三维可视化的空间几何模型，BIM相关联的数字孪生理念，使得建筑信息模型需贯穿建设项目的全生命周期，因此，多维BIM的概念应运而生。在三维的基础上，加入时间、成本、施工管理、监测预警、多源数据驱动运维等多属性的全过程综合信息载体，其强大的空间信息能力，对其他维度(如经济类信息、过程类信息等)信息具有非常友好的载负和关联特征，具有强参数化特性。其次，BIM需构建良好的自循环生态，众多平台均提供用户供其自主开发的友好接口，利用BIM的诸多优势，可实现中低速磁悬浮线下结构构件库信息管理平台的初步搭建和应用[13-15]。而中低速磁浮作为当前城市轨道交通的代表，具有环保、安全性高、建设成本低等特点，具有很高的推广价值。但目前其土建设施的设计成果仍以二维形式呈现，对于复杂的磁浮实体结构，这种传统的设计方法无法达到“所想即所得”的设计效果，同时对于线路结构无法实现参数共享和成本管控，影响中低速磁浮的推广，增加了沟通成本。

因此，依托BIM技术建立的磁浮线路模型，通过开发构件库信息管理[12，16]平台，提取工程项目中的构件信息，建立构件标准化设计库和相关工程附属信息管理平台，初步探索结合BIM的中低速磁浮土建设计方法。研究实践表明，构件管理平台的建立从一定程度上摆脱了繁琐的设计图纸，可以快速查找相关工程经验资料和构件信息。因此，有必要研究正向设计理念在中低速磁浮土建结构设计领域中的应用，以期推动中低速磁悬浮土建设计领域的发展。

1 正向设计中的关键问题

1.1 BIM软件选择

与建筑工程[8，10]相比，中低速磁浮工程具有专业多、线路长、体量大等特点。选择何种BIM软件，完成设计流程，提高设计效率就显得尤为重要。目前，市场上大量的BIM行业公司均非专门从事轨道交通行业的软件商开发软件。现阶段各个软件公司所提供的产品都不能很好地适用于中低速磁悬浮工程。由于设计者考虑到磁浮构件实体复杂，且工程终身责任制就要求所有构件的附属信息清楚明白等，要求模型附属信息添加方软件方便灵活，参数化能力强、协同设计便捷等特点[17-19]和模型数据交互的需要，同时由于设计者习惯了使用欧特克公司的CAD系列软件，而Revit软件同为该公司系列软件，具有相似的操作方式，容易上手。其特点恰为构件定义编辑性强，故选取Revit软件作为建模平台，进行中低速磁浮土建构件库BIM正向设计研究。

1.2 BIM正向设计族构件库

构件是BIM中的重要概念，构件数据信息是跨模型、跨项目的，一个完整线路模型[13-15]涉及各专业的构件，其数量和类型均是极其庞大，因此，对BIM数据信息进行妥善的管理，仅仅依靠建模软件是不行的，为满足当下新基建的快速发展和工程的标准化建设，就要求务必提高构件的通用性。

在普通二维设计中，在得到基础地形数据的基础上，对工程建筑物的体量、涉及的土建专业进行分析后，此线路中的基本结构也即确定(桥梁、隧道、路基)，基于以往的设计经验，通过基本建筑物的拼装，可以得到初步设计。在实施设计中，就涉及到较多的重复性工作，BIM对工程设计的促进作用也仅停留在最终的翻模、碰撞检查阶段。长此以往的设计模式，正向设计便无着手之处。

Revit软件的主要功能是在三维模型环境中，利用Revit族构件搭建可视化三维模型。在BIM正向设计中，关键是建立相关设施的标准参数化构件，通过相关工程经验积累，构建自己的相关族库，实现在设计过程中直接调用构件来完成快速设计[20-21]，逐步建立三维BIM模型。目前，中低速磁浮土建设施构件均趋于“标准化”，大部分构件已经实现工厂预制和现场拼装。因此，实现正向设计在中低速磁浮土建设施设计中的应用，必须创建中低速磁浮参数化族构件库。为达到正向设计时对构件的快速查找与调用，以及通过参数驱动变换构件的尺寸、材质等，需在此基础上进行二次开发，解决平面设计中重复性、不可视性，协同性差等弊端。因此，开发构件管理平台，提取各类族构件的信息、导入数据库存储相关数据，来简化设计流程很有必要，由此建立标准族构件设计库。

2 中低速磁浮土建构件库创建

对于磁浮线下结构构件，根据设计要求，完成相应部件的参数化模型来组装构件库，其建立基于Revit平台参数化建模[18]实现。首先，实现二维轮廓参数化；然后，由二维轮廓通过拉伸、旋转、融合、放样等方法形成简单参数化构件；再对简单构件进行交并差、组合、阵列等操作以形成复杂构件或组件，或利用dynamo等可视化编程手段批量完成复杂磁浮土建构件的建立。

2.1 参数化构件分类

构件的标准化、参数化决定了模型的精细程度，对工程结构物的精确性影响较大。基于模型的编辑属性，从BIM模型的角度对构件进行合理分类，同时依托中低速磁悬浮土建设施各部分构件的特点，将这些土建构件划分为标准构件和自定义构件两大类。标准构件是指构件的几何尺寸不受外部环境影响，在不同项目中应用功能相同的构件。这类构件一般是结构的附属部分或起连接、缓冲、导向等作用的构件，比如磁浮轨道结构中的各类垫板、F形钢等，见图1(a)。自定义构件是指构件的几何尺寸可变、受外部环境影响、在不同项目中结构体量变化的构件。这类构件一般是磁浮结构的基础部分，是结构承受大部分荷载的主体，比如承轨台、轨道梁等，见图1(b)。

图1 构件示意

2.2 Revit族样板设置和二维轮廓参数化

在创建构件之前，根据构件的应用属性和背景，首先选择相应的族样板，依托不同的样板文件，设置一系列的参照平面并标注关键部分的尺寸，方便后续的尺寸调整；选择构件的插入点，绘制构件的外形轮廓并将其与之前的参照平面相关联，使构件的尺寸可由参数驱动；最后，统一设置全局的族类别和相关的族参数。

2.3 构件模型创建与构件属性设置

对构件进行建模时，在其二维轮廓的基础上通过Revit的拉伸、融合、旋转等布尔运算命令建立构件的三维模型。对不同类型的构件设置不同的关键控制参数，并且在创建的过程中，对细部尺寸处理尤为重要。

构件三维模型建立完成后需对构件属性进行设置，构件属性[20]包括几何属性和非几何属性，要保证各几何属性能够呈现出来，检查无误才能继续添加非几何属性。构件的非几何属性包括材质、生产商、成本等。在构件属性框的材质栏中添加材质，便可在族类型中自定义修改材质，构件的非几何属性创建后检查无误保存。利用Revit创建的中低速磁浮土建模型见图 2。

图2 中低速磁浮土建BIM模型示意

3 族构件管理平台开发

整个中低速磁浮土建正向设计实施过程中，需要用到的族构件类型较多。相关项目的“经验构件”在建设纵向传递困难，在各个不同设计平台间横向传递更是难以实现，对大型建模软件的依赖性又很高，因此，族构件的集中式管理和参数共享显得更加重要。在正确创建模型的基础上实现对族构件有序管理、快速检索、高效调用、数据共享在正向设计流程中颇为关键。

Revit中构件自带信息众多，需进行一定的数据筛选才可进行管理，基于API对Revit进行二次开发便成为关键。此过程中需自定义Server接口实现引入外部程序进行控制，并设计算法提取需要的数据。将筛选出的数据通过接口导入SQL数据库，再通过平台显示在界面上。此方式可实现对众多构件“精准”“简便”地抓取并进行轻量化管理，为正向设计后续过程提供必要的基础。

3.1 开发流程

在进行二次开发前，需对开发环境进行配置。AUTODESK开放了Revit SDK服务，以便用户可以自由对Revit进行二次开发。

外部服务框架(External Service Framework)主要是Revit用来把一部分功能委托给外部程序来完成，从Revit中提取构件信息是基于外部服务框架之上的，通过定义Server接口，引用RevitAPIUI.dll和RevitAPI.dll，让外部程序实现并注册。外部程序需建立类库并使用NET.4.5.2框架下的特殊C#语言，通过外部命令(External Command)，设计自适应性查询算法，对Revit库中构件信息进行提取。然后利用MySQL数据库软件创建符合国家现行相关规范的数据库。为使用方便，基于外部应用(External Application)添加一个Ribbon至Revit界面，整合外部命令，实现一键提取项目中构件的名称、尺寸等信息，并与数据库进行匹配，生成构件的基本信息，通过修改构件参数实现对构件的调用、修改及后期维护，同时生成族构件库。

基于Visual Studio C#编译windows窗口程序—构件信息管理平台，实现与数据库连接，对构件信息进行管理，管理平台设计的实施流程见图 3。

图3 构件管理平台执行流程

3.2 管理平台主要模块

构件经过在revit中开发插件提取信息后，需将各类属性数据导入数据库，首先要进行的是与数据库连接。将提取的构件信息以固定的格式存储在数据库中，在C#windows程序中通过sqlserver语句实例化类对象，对数据信息进行管理，包括信息的查找、编辑、删除、添加等基本功能的实现。如图4所示，设置的6个数据库构件属性，导入存储后对应于某个构件在BIM模型中的6个不同性质的信息，例如构件名、体积、材料等。

图4 数据库构件属性

管理平台的初步功能包括以下7个子模块，依次从Revit中读取构件的信息、数据库连接、到整个项目的成本计算等7个流程。图 5为构件管理平台的操作主界面，信息管理平台全过程的主要操作功能如下。

图5 构件管理平台主界面

(1)一键读取：将Revit中打开的构件信息进行一键读取，并将数据存入数据库中。

(2)用户登录：登陆管理平台，实现与数据库的对接。

(3)信息查询：对数据库中存入的构件信息进行查询，可通过构建名和构件编号来进行检索。

(4)新建信息：可手动进行添加构件信息，包括构件名称，构件编号，材料等数据。

(5)修改信息：对信息中的个别信息进行修改。

(6)删除信息：对无用信息进行删除，也可以进行批量删除。

(7)成本计算：通过对某构件自身成本的输入，计算该项目的总造价。

4 结论

针对当前BIM在城市轨道交通设计领域中的应用多数停留在效率低下的翻模阶段，不同模型数据之间形成壁垒和孤岛，形成数据传输上的堵塞结点，使模型的利用率降低，为促进中低速磁悬浮土建设计方式的变革，疏通数据传输管道，避免因繁琐的实施过程而限制其在应用中的推广和创新。通过基于BIM正向设计理念的构件管理措施，对其在中低速磁浮土建设计中进行了数据整合和导通探索研究，主要结论如下。

(1)集成中低速磁浮线下土建构件信息和开发构件信息管理平台，初步实现了设计过程中各类“资源”的合理配置，打破传统的数据屏障效应，简化了设计流程中的几何与非几何数据归类，实现了数据在全方位的应用传递。

(2)基于Autodesk平台开发中低速磁浮模型构件信息提取插件并建立各类型数据的存储库，实现了磁浮线下构件数据在建筑物全生命周期内的流通，成为建筑物的终身属性，相应工程责任准确至单位人的规则，又在一定程度上保证了结构物在施工阶段的安全可靠性和后期养护维修的便捷性。

(3)在欧特克平台上实施中低速磁浮正向设计的探索方式，也可推广应用于其他城市轨道交通开展 BIM 正向设计，为城市轨道交通设计领域 BIM 技术的可持续发展提供参考。