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站台雨棚BIM设计系统研究与开发

发布时间:2022年9月26日 点击数:418

1 研究概况

《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》明确指出:建筑业信息化是建筑业发展战略的重要组成部分,也是建筑业转变发展方式、提质增效、节能减排的必然要求,对建筑业绿色发展、提高人民生活品质具有重要意义[1]

加快BIM普及应用,实现勘察设计技术升级是信息化发展的主要任务[1]。BIM技术的应用能够提升铁路工程建设技术水平及信息管理能力,也是铁路工程建设信息化的核心和方向[2]

铁路站台雨棚施工图设计目前还采用基于CAD的辅助设计模式。站台雨棚形式虽然简单,但受限因素多,直接参与专业有建筑、结构、强弱电等专业,间接还需要配合站场设施进行调整,重复修改工作量大。本文首先分类研究站房雨棚参数和参数之间的逻辑,把设计表达内容变成结构化的数据,基于此开发一种雨棚设计系统能快速实现三维模型建立、快速出图,有着提高设计效率的现实目的。

另外,由于专业之间的鸿沟,在设计专业工具开发领域,如何将用户需求有效传递给开发人员一直存在较大困难,本文通过站台雨棚基于Grasshopper的参数化开发研究,总结出一套将设计人员的思维有效传达给开发人员的沟通方法。

2 站台雨棚参数关系分析

2.1 站台雨棚类型选取

本次研究的对象是站房混凝土雨棚,结构类型包括单立柱雨棚、双立柱雨棚,以及宝盖屋面雨棚。参见图1、图2。

图2 双柱雨棚

图2 双柱雨棚   下载原图


图1 单柱雨棚

图1 单柱雨棚   下载原图


单立柱雨棚站台宽度在10 m以内,混凝土结构柱标准跨距为10 m,单柱直径一般为650 mm。混凝土屋顶找坡一般为5%,屋顶悬挑最多不超过5 m。

双立柱雨棚站台宽度在10 m以上,混凝土结构柱标准跨距为10m,柱直径一般为550 mm。混凝土屋顶双柱之间找坡一般为2%。

宝盖屋顶雨棚为中间高,两边低,并在两侧设置雨水槽和雨水管的新型雨棚结构形式,立柱为双排钢筋混凝土柱。因其美观、新颖等特点已逐步应用到新建站台雨棚中。

2.2 站台雨棚单元模块分析

站台雨棚系统由土建结构、屋面、站台铺装、设备管线四大主要部分组成,还受跨线设施(天桥、地道)和站场设施影响。各专业构件的设计参数种类繁多,研究和整理各专业实体构件的设计参数及相互影响关系,对于开发站台雨棚BIM系统至关重要。

站台雨棚的特点是线性构筑物,通过整理各专业实体构件的关键设计参数和图纸表达要求,以及分析站台雨棚各专业构件参数间的逻辑关系,站台雨棚可分解为相邻纵向轴网组成的单元模块。

按照站台雨棚的特点,站台雨棚BIM设计系统可划分为九个单元,分别是:①轴网单元,②屋面单元,③站台装修单元,④设备管线单元,⑤雨棚结构单元,⑥站台单元,⑦线路单元,⑧地道单元,⑨天桥单元。单元之间的关系如图3所示。将重复单元的内容作为模块整体看待,形式根据边界条件生成,受轴网模块的驱动,每个单元按照轴网顺序重复排列,不同单元之间设置转换规则自动连接。相同的单元模块实例参数一致,在每个实例中参数均独立可调,也可以通过全局参数进行批量调整。

图3 站台雨棚各模块间的相互关系

图3 站台雨棚各模块间的相互关系   下载原图


以轴网单元与单元模块为例,轴网是所有专业设计定位的依据,因此以轴网为基础单元。单元模块是长度方向上相邻两柱之间柱梁支撑体系,单个单元模块与单个轴网单元是一一对应关系,任一单元改动,另一单元根据预设规则自动调整。

这种面向对象的开发思路,能够适应BIM正向设计中的反复调整和修改,同时降低开发复杂程度,缩短开发周期。

2.3 站台雨棚参数提取验证

仅通过软件需求沟通,很难让非专业的开发人员理解设计需要,设计院借助参数化工具Grasshopper软件,将构件参数和设计逻辑展示出来[3],作为设计师和IT程序员的沟通桥梁。

Grasshopper是与3D建模工具Rhino紧密集成的图形算法软件,与Rhino软件平台上脚本语言不同,Grasshopper可以在不需要书写程序代码的情况下,快速实现模型及相关模型信息的编辑与呈现。设计师结合初始的站场资料与站台雨棚设计条件,将其精简为符合雨棚设计习惯的设计参数与相应的雨棚建模逻辑系统,再通过Grasshopper软件验证站台雨棚项目中各专业实体构件的关键设计参数的必要性及合理性,以及各专业构件参数间的逻辑关系的可行性。

以雨棚结构单元为例,结合多种结构类型的混凝土雨棚设计参数,并按专业模块划分归类汇总成表格,如表1所示。每个参数包含相应的参数类别、单位、取值范围、默认值、输入方式、参数说明等,作为进一步验证的参数依据。

  

表1 轴网模块参数分类(以双柱雨棚为例)  下载原图



表1 轴网模块参数分类(以双柱雨棚为例)

(来源:作者绘制)

在Grasshopper软件中搭建逻辑系统,通过调整参数,借助Grasshopper与ArchiCAD联动功能,在ArchiCAD软件中模拟生成单柱雨棚柱梁模型和双柱雨棚柱梁模型。结合验证过程适当调整、优化表1中的设计参数与Grasshopper软件的逻辑系统,并提供给下一步开发流程作为数据基础与开发依据。通过Grasshopper与ArchiCAD提取参数并验证的整套流程,各个模块的设计参数与生成逻辑完全符合且对应BIM正向设计系统的工作流。

3 站台雨棚BIM设计系统开发

站台雨棚BIM设计系统开发基于ArchiCAD平台,该平台是适合建筑师进行正向设计的BIM软件,在复杂形体的三维建模和二维表达上与建筑师的使用习惯一致。并且对于特殊的构件,提供了GDL和API两种开发手段。通过这两种方法在具体项目中实现站台雨棚BIM设计系统。

3.1 GDL参数化对象

GDL(Geometric Description Language)是ArchiCAD软件参数化程序设计语言,是智能化参数驱动构件的基础[4]。GDL对象蕴含了二维符号、三维模型以及文字描述所需的所有信息,而占很少的数据空间。类似于Revit的“族”,但更为灵活和小巧。

基于设计院的构件参数表,IT开发人员创建站台雨棚各种GDL对象,每个GDL对象的参数都可以调整,以满足各种结构形式、规格尺寸的要求。这种GDL对象包括地面铺装、排水管、落沙井、天桥、地道等。

3.2 API联动

采用GDL参数编写相关构件,通过参数调整即可实现不同类型、不同尺寸的样式。但仅通过GDL无法搭建起完整的雨棚设计逻辑,因此借助ArchiCAD软件的API接口,调用BIM软件的功能,按照设计师提供的Grasshoper逻辑电池图,实现批量操作GDL对象的赋型、赋值、联动及各种操作,从而按照设计的要求完成雨棚的建模逻辑。例如:站台轴网与站台柱子、站台梁、站台屋面的联动;站台铺砖与站台单元模块的联动;排水系统与站台单元模块的联动等。采用API联动后,可以最大量地减少人工操作的工作量,同时避免人为修改造成的误差,提高设计效率和质量。

通过上述Grasshopper软件的逻辑系统,借助API调用雨棚各专业模块GDL构件的源代码与ArchiCAD软件相关的程序接口,再利用C++编程语言将各个对象的设计参数实现逻辑关联(图4),同时调用ArchiCAD软件的原生设计工具与雨棚GDL构件根据逻辑系统依次生成,从而达到快速生成站台雨棚模型的目的。

图4 站台雨棚GDL源代码

图4 站台雨棚GDL源代码   下载原图


3.3 站台雨棚BIM设计系统应用实践

站台雨棚BIM设计系统利用金甬线东阳、奉化站实际工程项目开展正向设计验证,目前该项目已完成施工图。站台雨棚与站房紧密相关,在开展设计前需先将站房模型按原始标高链接至雨棚模型文件中,根据站房相对标高、站房与雨棚高差、雨棚高度等因素确定站台雨棚高程,并在平面视图中导入站场CAD资料,通过拾取站台轮廓线及轨道线完成定位;利用ArchiCAD中BIM Cloud共享协同设计方法,建筑专业完成轴网单元参数设置,结构专业完成结构单元参数设置,建筑专业继续完成屋面单元、站台装修单元参数设置,电力、信息专业完成设备管线单元。从而实现站台雨棚多专业协同设计的流程方法。

针对BIM建模的工作开展情况如表2所示,插件对BIM建模设计效率有显著提升。

  

表2 BIM建模的工作开展情况  下载原图



表2 BIM建模的工作开展情况

以集水井及排水波纹管的设置为例,手动建模时需要根据雨棚柱位置逐个放置集水井对象,并根据波纹管坡度及相隔距离计算出集水井深度逐个调整尺寸,同理逐个设置排水波纹管,调整两段高度与集水井相接。插件建模的过程则简单许多,在设置好轴网模块及单元模块参数后开始设置排水模块,屋面排水可与地面排水产生联动一体生产,通过设置排水管直径、落沙井长宽、起始井底标高、坡度等参数,选择起坡位置后软件通过自动计算生成正确的落沙井及排水波纹管。实际工程应用中插件具有良好的可操作性,一方面节约了计算时间,避免了大量简单重复工作;另一方面能够精确建模,提高模型质量。

站台雨棚BIM设计系统基于BIM软件ArchiCAD开发,完成建模的雨棚通过剖切及投影的方式生成相应的平立剖面,增加二维标注后即可出图。由于设置了模型参数,因此标注内容可直接提取信息,不必手动输入;部分大样图来自于平立剖面图,大样部分需要对具体构造精确建模,特殊节点部位可在三维模型基础上通过增加二维点、线、面增补表达。模型移交至施工单位后,可基于手机或IPAD端BIMX软件集成BIM模型及图纸,方便现场管理及调用。

4 结论

本研究通过大量混凝土站台雨棚设计图纸的分析及汇总,整理出一套站台雨棚各专业的设计规则和关键设计参数,并根据站台雨棚的结构特点,引入模块化开发思路,将站台雨棚划分为各逻辑模块,总结出它们之间的逻辑关系。

除了总结雨棚的参数规律外,还归纳总结出一套将设计人员的思维有效传达给开发人员,方便设计人员与开发人员有效沟通的新方法,即通过前期研究和分析各种混凝土站台雨棚图纸,整理一套站台雨棚各专业的设计规则和设计参数,利用参数化设计软件(Grasshopper)模拟各专业的设计规则和参数间的逻辑关系,为开发人员提供准确的开发逻辑及参数设置依据,这种高效的沟通方式可以运用到其他类似的开发项目中。

另外,通过站台雨棚BIM系统开发,研究团队开拓了一条站台雨棚设计的新方法,即BIM正向设计,大大减少设计人员的设计绘图工作量,有效提高了设计效率。

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