基于Autodesk平台的地铁车站围护结构族建立研究

刘曹宇

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作为数字化信息集成的载体，贯穿于建筑全寿命周期的各个阶段，指导建筑与结构设计、施工及运营管理［1-3］。近年来，对于BIM技术在地铁车站中的应用不少学者作出了相应研究［4-5］，而对于地铁车站围护结构部分内容，研究文献较少。一些学者研究了BIM技术在基坑工程中的应用。钟宇［6］基于统一的IFC数据标准建立的基坑围护结构信息模型实现了地铁车站基坑围护结构模型建模的自动化。刘星［7］研究开发了一种基于BIM技术的基坑微变形监控系统，可对地铁车站基坑支护系统进行三维展示，快速查看相应构件。常见的地下建筑围护结构包含地连墙、放坡、土钉墙、锚杆、桩、钢支撑、冠梁、钢围檩、连系梁、临时立柱等。近年来，国内围护结构的BIM建模及应用工作发展缓慢，建立的族主要有地连墙、冠梁、锚杆、桩等简单的构件，而对于钢支撑、钢围檩等复杂构件，没有相应的BIM建族及研究工作。由于缺乏关键构件族，导致围护结构方面的BIM应用，如工程量统计、出图等尚未有相关研究成果。

本文以西安地铁9号线（临潼线）芷阳广场站为工程背景，采用参数化BIM技术建立了一系列地铁车站围护结构族，应用围护族建立了车站的围护结构模型，并进行了相应BIM应用。

1 地铁车站围护结构建族系统

1.1 软件平台

Revit是美国Autodesk公司一套系列软件的名称。在目前国内建筑市场核心建模软件中Revit的市场占有率最高，全球通用性最强，欧特克旗下多款软件与Revit数据交互性较强。“族”指的是一类可输入要改变的尺寸、形状信息即可控制形状改变的参数化构件。相比于其他BIM软件，Revit软件有着强大的参数化建族功能，建立好的族可重复使用，且可导入其他BIM软件，有着极其广大的应用前景。

1.2 参数化BIM技术建族方案

地铁车站围护结构族主要包括参数化钢围檩、参数化连系梁、参数化临时立柱、参数化钢支撑固定措施、参数化钢支撑族。Revit软件中的车站围护结构模型如图1所示。

图1 车站围护结构模型Fig.1 The building envelope model of the station

建族过程中遇到大量技术问题，主要包括构件的零件建族基础、零件约束方式、零件分类、零件建立、零件嵌套、零件位置参数化控制问题。

具体建族的过程中进行了大量的技术方案比选，比选过程如图2所示。其中打√的方案为最终应用方案，没有√的方案为比选方案。

图2 围护结构建族方案比选Fig.2 Comparison and selection of building group schemes for envelope structures

Revit中的“组”和CAD中的“块”是相同的意思。“建组约束”指的是将部分可以合为一体的构件建为一体，用以约束使各个构件在空间上的相对位置保持一致不变。如钢支撑的活动端头、固定端头分别为一组，其后和直径609 mm钢管组装在一起。经过研究发现，用组约束便捷可行、逻辑简单。应用软件建族的过程中使用了大量建组约束的功能。钢支撑、钢支撑固定措施、临时立柱可通过拉伸和标注参数化功能建模。钢围檩、连系梁在此基础上还需采用参数化阵列的建族功能。图3所示的“钢支撑固定端头组”即为建组约束而后成为一体的构件。

图3 钢支撑固定端头组Fig.3 Fixed end group supported by steel

“合并建模”指的是将构件中可阵列的加劲肋、缀板与工字钢（H型钢）合并建模为一个族。“分开建模”指的是构件中可阵列的加劲肋、缀板建为一个族，工字钢（H型钢）建为一个族，两个族分开建模。经过试验，采用合并建模得到的族使用起来更加简便易行且钢围檩各个构件间的相对定位始终保持准确一致。

“画工字钢形状建模”指的是双击已有工字钢出现洋红色轮廓线，删除轮廓线，从零开始绘制新的工字钢轮廓线。“CAD导入工字钢形状建模”指的是提前链接入新工字钢的CAD轮廓，出现洋红色轮廓线后，删除旧轮廓线，采用拾取线命令拾取新轮廓，而后生成新工字钢。经过试验，采用拾取线更加简便易行且可以与施工图中的构件形状保持完全一致，避免错误。钢围檩建族关键步骤如图4所示。

图4 钢围檩建族步骤Fig.4 Building steps of steel enclosing purlin

“工字钢嵌套入加劲肋、缀板族”指的是建立好加劲肋、缀板族后，在其中插入工字钢族，成为一体。“加劲肋、缀板族嵌套入工字钢族”指的是建立好工字钢族后，将加劲肋、缀板族模型嵌套入工字钢族，成为一体后再修改模型。经过研究发现，采用第一种方法会造成项目中的围护构件无法采用拖曳的形式生成，构件失去了工字钢本身可以拖曳延伸的属性；采用第二种方法后，构件很好地继承了工字钢可以拖曳延伸的属性，是一种可行的方法。

“端头连系梁与立柱分开建模”指的是端头连系梁为一组，临时立柱为一组，分开建模。“合并建模”指的是端头连系梁与临时立柱为一体一起建模。经过研究发现端头连系梁和临时立柱合并一起建模，利于其在项目中的相对定位的准确性，合并建模得到的构件更加简单易用。端头连系梁模型如图5所示。

图5 端头连系梁模型Fig.5 End connecting beam model

建立端头连系梁时需要建立斜板。“旋转参考平面建斜板”指的是在立面上建立一个斜的参考平面作为斜板的建立面，而后选择斜的参考平面，在上面建立钢板。“旋转构件建斜板”指的是建立钢板后旋转构件。经过试验，在Revit软件下，只能在其参考平面所属平面上旋转构件，无法脱离一个平面旋转构件，第二种方法技术上不可行，第一种方法是一种简单易行的方法。斜板的建立如图6所示。

图6 斜板的建立Fig.6 Establishment of inclined plates

参照标高是族的基准参照标高，即插入项目中使用的基准面。“参照标高控制端头连系梁高度”指的是采用标注参照标高与端头连系梁距离的方法控制端头连系梁在竖直方向的高度。“槽钢柱顶控制端头连系梁高度”指的是标注槽钢顶与端头连系梁的距离，而后控制端头连系梁高度。经过试验：由于槽钢柱顶有诸多约束，标注时会产生过约束，无法参数化控制距离，第二种方法技术不可行，最终采用标注参照标高与端头连系梁竖向距离的方式控制端头连系梁在竖向的位置。

下载U形螺栓族，输入相应参数，更改尺寸，建立符合工程实际的U形螺栓。在此基础上进行扩充可得到钢支撑固定措施族。

1.3 钢围檩建族过程及应用

通过拉伸命令在一个族文件中建立普通热轧45c工字钢，在工字钢背面上通过拉伸命令建立通长钢板。通过拉伸命令在另外一个族文件中建立内外肋板、钢缀板。将内外肋板、钢缀板族嵌套入普通热轧45c工字钢族文件中，通过一连串约束条件约束内外肋板、钢缀板及工字钢的相对关系。使用阵列命令阵列内外肋板、钢缀板，并给与阵列命令添加参数，即内外肋板及钢缀板个数=（长度-内外肋板及钢缀板间距）/内外肋板及钢缀板间距。在类型属性栏输入缀板间距，可控制缀板、加劲肋的间距。输入各构件尺寸，构件弹性模量、泊松比、切变模量、密度、抗压强度、屈服强度等信息，最终形成参数化钢围檩模型。

在建立的族界面，可见性/图形替换选项卡中，选择取消所有构件在平面/天花板平面视图中的可见性。在族界面的平面视图中使用遮罩选项遮住所有三维构件，锁定遮罩区域与三维构件四边为一体。在平面视图中使用和二维CAD图纸一样的线型及其颜色绘制图例线，并锁定图例线的长度和位置为与三维构件一致。

在项目浏览器中搜索参数化钢围檩族，并在合适位置单击鼠标左键并由左至右移动，即可生成钢围檩，在钢围檩属性栏中输入参数，可以控制钢围檩细部构件尺寸及物理上的材料参数。钢围檩族的三维模型和二维平面显示如图7所示。

图7 参数化钢围檩模型Fig.7 Parameterized steel enclosing purlin model

1.4 连系梁建族过程及应用

连系梁的建族过程及应用方法与钢围檩类似，连系梁模型及其二维平面显示如图8所示。

图8 参数化连系梁模型Fig.8 Parametric connecting beam model

1.5 临时立柱建族过程及应用

通过拉伸命令在一个族文件中建立端头连系梁构件，锁定端头连系梁构件并将此构件建立为一个模型组。在另一个族文件中建立槽钢及通长钢板模型。将端头连系梁族载入槽钢及通长钢板模型族中，将端头连系梁距槽钢顶部参考平面的距离标注并将标注参数化即可控制端头连系梁在竖向的高度位置。输入各构件尺寸、构件机械及材料性能，最终形成参数化临时立柱族。

在建立的族界面中，设置可见性/图形替换选项卡，应用遮罩和图例线。最终可设置好临时立柱族的平面显示形式。

在项目浏览器中搜索参数化临时立柱族，并在合适位置单击鼠标左键并由上至下移动，即可生成临时立柱。实例属性中输入参数可更改临时立柱构件尺寸，临时立柱族的三维模型和二维平面显示如图9所示。

图9 参数化临时立柱模型Fig.9 Parameterized temporary column model

1.6 钢支撑建族过程及应用

通过放样命令建立直径609 mm钢管、活动端头、固定端头。将钢支撑管长标注并参数化。输入各构件尺寸、构件机械及材料性能，最终形成参数化钢支撑族。

在建立的族界面中，设置可见性/图形替换选项卡，应用遮罩和图例线。最终可设置好钢支撑族的平面显示形式。

在项目浏览器中搜索钢支撑族，并在合适位置放置，调整钢支撑长度即可生成合适的钢支撑，在钢支撑族文件中修改即可更改钢支撑钢管直径，在钢支撑属性栏中可修改钢支撑物理上的材料参数。钢支撑族的三维模型和二维平面显示形式如图10所示。

图10 参数化钢支撑模型Fig.10 Parametric steel support model

1.7 钢支撑固定措施建族过程及应用

通过放样命令建立U型卡箍，通过拉伸命令建立螺栓、矩形钢板、三角钢板、橡胶垫，标注构件尺寸并将构件尺寸参数化。输入各构件尺寸、构件机械及材料性能，最终形成参数化钢支撑固定措施族。将钢支撑固定措施族嵌套入基于面的公制常规族中形成新的钢支撑固定措施族，以便于固定措施族方便的捕捉到连系梁表面上。在项目浏览器中搜索参数化钢支撑固定措施构件族，并在合适位置放置，即可生成钢支撑固定措施构件，在钢支撑固定措施构件属性栏中输入参数，可以控制钢支撑固定措施构件细部构件尺寸及物理上的材料参数。钢支撑固定措施族如图11所示。

图11 钢支撑固定措施模型Fig.11 Model of fixed measures with steel support

2 BIM应用研究

2.1 工程量生成

在明细表中选择常规模型，输出族、体积两个关键词可依次得到临时立柱、钢支撑、钢支撑固定措施的工程量。具体工程量如表1所示。

表1 常规模型明细表Table 1 List of general models

在明细表中选择结构框架选项卡，输出族、注释记号、体积三个关键词，且在过滤器中选择过滤注释记号为钢围檩+连系梁，最终得到钢围檩、连系梁的工程量。具体工程量如表2所示。

表2 结构框架明细表Table 2 List of structural frames

2.2 图纸输出

将围护族载入项目中建立围护模型，平面视图中各个构件会自动显示为符合二维制图习惯的线型和图案。在平面图中，隐藏全体钢支撑固定措施构件，应用Revit图框族后，生成围护结构图纸，在图纸上添加相应标注后，完成围护结构图。围护结构平面布置图纸如图12所示。

图12 围护结构平面布置图Fig.12 Layout of the envelope

3 技术经济效益分析

通过实际应用、测量和理论计算分析结果，采用Revit软件建立地铁车站围护结构族是可行的。生成的三维模型可以进行三维模型展示，一键出图、算量，对于工程量的估算、控制是有效的；围护结构建模时无需学习，新手即可达到和二维设计时一样的速度，对于节省BIM设计时间是有效的。对于西安地铁9号线（临潼线）BIM技术应用具有很大的指导意义。

4 结语

通过西安地铁9号线（临潼线）全线、全专业的BIM技术应用。建立了地铁车站围护结构BIM族并进行了工程量及出图应用。本次BIM应用研究为国内首次地铁车站围护结构的BIM正向设计研究，可以图模联动，节省BIM设计时间。为建立更符合地铁车站BIM设计的多专业协同合作平台提供了依据，为以后地铁车站围护结构BIM技术应用与推广打下了良好的基础。