BIM技术在重力式码头沉箱参数化建模中的应用

2021-01-04刘子璇李世森

港工技术 2020年6期

刘子璇，李世森

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

引言

目前，港口码头三视图的绘制多用Auto CAD进行，但是用二维平面图形表现港工建筑物远不如三维模型清晰直观[1]。因此，建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）逐渐得到了更广泛的普及和应用。建筑信息模型以工程项目的各项真实数据为基础来建立建筑模型，通过参数化形式模拟仿真建筑物的几何信息，以及材料、数量、造价等非几何信息[2]。Autodesk Revit作为专业三维建模的BIM类软件，它的基础是族文件，通过关联参数生成三维模型，具有2D和3D视图功能。Revit还拥有丰富的族库，用户也可根据需要自己建立或修改族[3]。BIM技术带来了二维设计向三维设计升级的巨大变革，提高了水运行业的信息化水平，促进了水运行业科学、绿色发展。

靳铭宇[4]系统地阐述了Autodesk Revit在中国的发展现状。季景远[5]介绍了Revit在高桩码头设计关键环节的使用方法，演示了用三维建筑模型（BIM）设计方法代替传统二维设计在港口工程设计中的应用。王鹏[6]详细介绍了一些高桩码头工程中特有的族的创建思路和参数化的方法，完成了高桩码头工程的完整三维信息化模型和动态展示。望毅、李银发[7]对将BIM技术应用于港口工程实现数字建造过程的可行性进行了研究探索。高琰哲、陶桂兰[8]建立了基于BIM设计的码头构件族库，利用建立完成的族库逐步搭建了高桩码头信息化模型。谢锦波、周国然[9]等人基于Revit软件对高桩码头三维交互设计系统进行了二次开发，阐明了系统开发思路和方法，并展示了系统的应用效果。

重力式码头具有较好的耐久性、抗冻性能和抗冰性能，其承受地面荷载的能力以及对地面超载等的适应能力都比其他形式的码头强[10]。重力式码头结构形式简单、所用钢材量少、维修简单且费用低，在国内得到了广泛的应用[11]。迄今为止，在港口工程中BIM技术的应用甚少，仅有的研究也都限于高桩码头。所以，在重力式码头参数化的研究中进一步应用BIM技术，有助于促进我国港口工程的科学高效发展。

本文建立的重力式码头沉箱族实现了沉箱三维模型的自动生成，该族库应用在实际工程中可以节约大量的人力物力。港口设计人员只需要在沉箱族中输入沉箱的相关参数数据，就可以快速生成相应的沉箱模型，极大的提高了绘图效率。同时可快速计算混凝土用量，且混凝土用量值会随沉箱参数的改变做出相应改变，可以帮助设计人员更好的对方案进行比选和对沉箱的造价进行预估。重力式码头沉箱族按照高度进行了分类并对相对固定的参数设置了默认值，大大减少了需要设计人员手动输入的参数，只需根据码头规模确定沉箱高度范围，便可直接调用相应模型，同时亦可以手工修改其中的默认值，省时省力，体现了沉箱族的人工智能特性。

1 重力式码头沉箱族创建流程

重力式码头沉箱构件是一种巨大的钢筋混凝土箱，中间由隔墙隔开，成为若干舱格。重力式码头沉箱的舱格数量较多且内部有加强角。

沉箱族的建立采用将沉箱的各部分进行实心拉伸并连接在一起的方法（由于Revit中空心拉伸不可作为嵌套族阵列，所以不能采用将实心沉箱主体进行挖空绘制箱格的方案）。

1.1 “单位箱格”的建立

如图1所示，为了沉箱模型建立的便捷性，将“单位箱格”作为沉箱绘制过程中阵列的基本单元，如图中红色边框所示。“单位箱格”基本单元的范围为沉箱的舱格净长沿长度方向向两边分别延长横隔墙宽度的一半、净宽沿宽度方向向两边分别延长纵隔墙宽度的一半，上至舱顶、下至舱底（不含底板），并包含八个加强角。“单位箱格”族的建立步骤为创建参照平面，采用拉伸工具绘制加强角和四边的墙体并与相应参照平面锁定，用标注工具对参照平面进行标注并且关联相应的参数。

图1 重力式码头沉箱族“单位箱格”示意

1.2 沉箱其他部分的建模

绘制前后趾、前后壁、侧壁、底板等的参照平面，采用“拉伸”工具绘制除“单位箱格”外的墙体，对墙体进行标注并和相应参照平面锁定。

1.3 “单位箱格”的阵列

由于重力式码头沉箱中“单位箱格”重复的数量较多，且在同一沉箱中结构相同，所以采用“阵列”工具进行绘制。将“单位箱格”族在长度方向上进行阵列为“单位箱格长度方向阵列”族，为了保证阵列后阵列图元可以随“单位箱格”中各项参数的变化而改变，“单位箱格”需要作为嵌套族载入“单位箱格长度方向阵列”族进行阵列，并将两个族的族参数进行关联。再将该阵列族作为嵌套族，按照和上面类似的方法在宽度方向上进行阵列并进行对应族参数的关联。这样就完成了“单位箱格”阵列的绘制。

1.4 “单位箱格长度方向阵列”的设置

Revit“阵列”工具要求阵列个数必须大于等于2，当阵列个数小于 2时软件会出现报错，无法进行正常阵列。“单位箱格”在长度方向上的阵列个数一般不会少于两个，而“单位箱格长度方向阵列”在宽度方向上的阵列数个为“宽度箱格数”，可能为一个所以当宽度方向箱格为一排时需对阵列进行可见性设置。

将参数“单位箱格宽度方向阵列数”的公式定义为“if((宽度箱格数)＜2,2,(宽度箱格数))”，含义为当“宽度箱格数”的数值小于2时，“单位箱格宽度方向阵列数”为2，若不小于2，“单位箱格宽度方向阵列数”为“宽度箱格数”，这样就解决了Revit软件报错的情况。

此时若宽度箱格数为2和1，参数“单位箱格宽度方向阵列数”都为 2，需要单独载入“单位箱格长度方向阵列”为单个的情况，并对两种情况进行可见性设置。将“单位箱格长度方向阵列单个”族载入到沉箱族中并放在阵列首个图元的位置，再将其可见性与参数“箱格宽度方向_单个”进行关联，将“箱格宽度方向_单个”参数的公式设置为“宽度箱格数＜2”，即在宽度箱格数小于2的情况下，“单位箱格长度方向阵列单个”可见。选中阵列组中的任意一个实例，将其可见性和参数“箱格宽度方向_多个”进行关联，并将“箱格宽度方向_多个”参数的公式设置为“not(箱宽度方向_单个)”，即在宽度箱格数大于等于2的情况下，“单位箱格长度方向阵列”可见。

这样就完成了“单位箱格长度方向阵列”的可见性设置，宽度箱格个数大于等于2时，显示单位箱格长度方向阵列；宽度箱格个数等于1时，显示单个阵列，可见性参数设置见图2。

图2 “单位箱格宽度方向”阵列族参数设置界面

1.5 沉箱族建立过程中报错的解决方法

1）由于参数调试导致的报错

修改参数时，可能导致逻辑约束出现差错，产生软件报错；或者参数约束的应该出现变化的图元没有产生相应变化。

第一种报错的原因是参数在约束图元时产生了逻辑冲突，第二种报错的原因是图元有些边没有锁定在相应平面上，无法和参数约束的参照平面一起移动。解决方法为每次新绘制一个图元并为图元添加参数后应及时进行参数的调整测试，观察参数变化后图元是否有正确的变化，以便及时发现问题并进行调整。

2）对参照平面进行约束时报错

对参照平面的约束过多或重复约束时会出现过约束报错，原因是同一个距离被两个参数约束，解决方法为将有关联的参数用公式表示，同时可以减少手工输入的工作量。

3）阵列图元参数变化引起的报错

图元阵列后，改变图元的参数会出现软件报错，原因是图元阵列后约束图元的参照平面等并没有一起阵列，其他阵列的图元不会受到这些参照平面的约束，解决方法为将图元作为一个整体嵌套族载入，就可以通过参数约束阵列组全部图元。

4）阵列时图元不能在某一方向上移动

几个图元一起阵列时，软件报错显示有些图元不能在这一方向移动，原因是有些图元只能在横向移动，有些图元只能在纵向移动，解决方法为将这几个图元作为一个嵌套族载入另一个族，并作为整体进行阵列移动。

这四种解决方法已经在本沉箱族的建立中实现。

2 重力式码头沉箱族应用

重力式码头沉箱族的使用流程见图3。

图3 重力式码头沉箱族使用流程

2.1 重力式码头沉箱族模型的快速生成

重力式码头沉箱族可以通过输入不同的箱格数及沉箱构件尺寸快速建立出相应的沉箱模型，使设计工程师在今后的设计中更加快速便捷的建立沉箱模型。下面以辽东湾某渔港重力式码头沉箱构件设计数据为例，演示“重力式码头沉箱”族三维模型的快速生成。表1为辽东湾某渔港重力式码头的沉箱尺寸数据。

表1 辽东湾某渔港码头沉箱尺寸

首先在 Revit族中打开“重力式码头沉箱”族，在族类型对话框中输入相应数据，见图 4，族类型中灰色部分为可以用公式表示出的族类型，不需要输入。点击族类型对话框中的确定，即可快速完成辽东湾某渔港重力式码头沉箱的绘制，绘制完成的三维模型见图5。

图4 辽东湾某渔港码头沉箱数据界面

图5 辽东湾某渔港码头沉箱三维模型

2.2 重力式码头沉箱族的参数化

建立重力式码头沉箱族后用户提供码头的尺寸、箱格数等数据，就可以一键生成沉箱的 Revit三维模型。为了使码头设计工程师更加便捷的建立重力式码头沉箱三维模型，本文开发了重力式码头沉箱族的人工智能特性，对沉箱族按照高度进行了分类并对相对固定的参数设置了默认值，大大减少了需要设计人员手动输入的参数，设计人员只需根据码头吨级和吃水等数据确定沉箱高度范围，便可直接调用相应模型，省时省力。

本文根据重力式码头的设计经验，将沉箱族分为沉箱高度5～10 m、10～15 m、15～20 m、20～25 m、25～30 m、30～35 m六个类型，每个类型分别对应不同的沉箱尺寸参数的默认值，用户可以根据码头的规模选择相应的沉箱模型，同时可以根据码头实际情况在该经验值的基础上进行调整。将沉箱族载入到项目中，六种族类型的三维模型如图6所示。