基于BIM的变电工程围墙参数化建模研究

廖鸣宇，黎 亮，梁 明，宋佩珂，吴 丹，杨凌霜

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术是以三维数字化模型为基础，实现数据信息在项目策划、运行和维护等全生命周期过程中进行共享和传递，为各方建设主体提供协同工作的基础，从而达到提高生产效率、节约成本和缩短工期等方面的重要作用。随着科学技术的快速发展，BIM技术从建筑行业逐步应用到各类工程领域中。

国家电网公司也大力推动以BIM技术为支撑的数字化、信息化、智能化输变电项目建设，针对输变电工程三维建模和数字化移交制定了企业标准，其中，QGDW 11810.1—2018《输变电工程三维设计建模规范 第1部分：变电站(换流站)》要求在初设、施工图设计阶段建立围墙三维布置模型。目前，大多数电力设计院采用Revit软件进行围墙建模，Revit相对其他设计软件围墙建模功能更为完善，但仍存在诸多不足：参数化程度低，需定义和完善围墙相关族文件；各类构件通过手动布置，无法批量生成，导致建模效率较低；布置过程中时容易出现因操作错误而引起的模型偏差，降低模型精准度。此外，若设计方案发生变化，模型不便修改，返工工作量大。本文基于Revit和Dynamo深入研究快速实现变电工程站区围墙的参数化建模方法，解决Revit在围墙建模中存在的问题。

Revit是我国建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一，软件可以进行建筑、结构、机电、暖通等建模工作，一定程度上实现了构件的参数化定义、编辑及属性赋值等功能，为工程BIM应用提供了解决方案。Revit的建模方式大致归为四种，自由形式建模、内置族库建模、外部引入族建模、Dynamo for Revit参数化建模[1]。内置族库主要是面向民用建筑工程的门、窗柱、梁、墙等族构件[2]，而对于变电工程的围墙建模，Revit缺乏内置标准族，需要设计人员根据围墙结构型式自定义参数化族构件，用以项目重复使用，满足BIM建模精准化、标准化的需求。

Dynamo是一款基于流的可视化编程软件，其代码的最小单位为节点(Node)，每个节点执行一个特定的任务，利用预定义功能的节点或者自定义节点编写一套循序渐进的程序算法[3]，实现在3D空间中的数据处理和几何图形创建。利用Dynamo，设计人员能自由修改参数、处理模型数据、批量关联模型及属性，从而提高设计效率。

1 技术路线

以变电工程围墙设计方案为数据支撑，研究三维环境下围墙各主体构件参数化设计和快速批量建模的方法。围墙主体构件包括墙体、地梁、墙柱及基础，建模过程中，首先在Revit中定义好各类围墙构件的参数化族，再基于Dynamo编写工作流，以围墙平面轴线为基础驱动模型生成。

将围墙墙体和地梁视为连续型构件，沿围墙平面轴线路径生成墙体和地梁模型。墙柱及基础为独立型构件，根据围墙平面轴线设置各个独立模型的建模基准点，基于基准点批量生成各个墙柱和基础模型，通过设置底部偏移参数保证墙柱底部与基础顶部动态关联。此外，因各段围墙布置方向不同，要相应考虑墙柱及基础的布置方向。围墙全部构件的参数化建模技术路线如图1所示。

图1 围墙参数化建模技术路线

2 围墙参数化建模方法

2.1 自定义族文件

族是组成项目的构件，也是参数信息的载体，根据围墙构件的设计特征，先使用族样板完成创墙柱、基础、墙体、地梁等参数化族创建，再将RFA格式的族文件载入到项目文件中，以便建模时直接调用。图2为墙柱台阶式基础族的平、立面图示例，定义了各级台阶及垫层的长度、宽度、高度、材质等主要设计参数。

图2 参数化台阶基础族剖面图

2.2 创建围墙平面轴线

变电工程中，站区围墙平面布置是由多条轴线连续构成的多边形，在站区入口处断开。在Revit中基于二维平面绘制不同方向和不同长度的模型线作为围墙平面轴线，分别记为S1，S2……Sn(下文示例中绘制了7段)，测量单位统一为毫米。

在Dynamo中用Select Model Element节点选中模型线后，首先要将模型线转换为Dynamo可识别和编辑的图元类型，由于墙体、地梁与墙柱、基础的建模采用了不同的逻辑算法，所以要用不同的节点来实现图元类型的转换。使用Element.Curves节点将模型线图元类型(Element)转换为二维平面曲线(Curve)，用于墙体和地梁的建模流程编辑，再使用Element.Geometry节点将模型线图元类型(Element)转换为几何图形(Geometry)，用于墙柱和基础的建模流程编辑。

2.3 墙体参数化建模

使用Wall.ByCurveAndHeight节点创建墙体，此节点有curve、height、level、wallType四个输入项，其中curve连接到创建好的围墙平面轴线节点Element.Curves，height用来输入墙体高度，各段围墙高度均按2.5m设计，level和wallType分别读取墙底标高和墙体族，如图3所示。

图3 墙体和地梁建模节点程序

2.4 地梁参数化建模

地梁创建方法与墙体类似，使用StructralFraming.BeamByCurve节点，输入项curve、height、StructralFramingType分别选择平面轴线、标高和地梁族，墙体和地梁模型如图4所示。

图4 墙体和地梁模型

2.5 墙柱及基础参数化建模

墙柱及基础属于独立构件，模型数量较多，在Revit中用手动复制的方法建模较为繁琐，而用Dynamo可以实现墙柱及基础批量创建。前文已使用Element.Geometry节点获取了所有围墙平面轴线，墙柱及基础建模基准点可以基于轴线确定，位于相同位置的墙柱及基础参考同一基准点。

2.5.1 轴线分类

由于围墙轴线在XY平面上的布置方向不尽相同，会导致该方向上的墙柱和基础布置方向也不同，需将围墙平面轴线分为两类，一类是与X轴方向平行的平面轴线，此时墙柱和基础为默认设置的布置方向，即墙柱截面宽度方向与X轴方向平面；另一类是与X轴方向不平行的平面轴线，此时墙柱和基础方向要根据平面轴线的方向进行旋转。使用Line.Direction节点获得各段平面轴线的向量方向S1＇，S2＇……Sn＇，通过Vector.IsParallel节点判断各轴线向量Sn＇与X轴向量X＇的方向是否一致，用List.FilterByBoolMask节点将上述两类平面轴线分别输出，通常情况下站区围墙交接处大多呈正交布置，因此，第二类与X轴不平行的轴线仅考虑垂直方向。

2.5.2 获取建模基准点

1)与X轴方向平行的轴线

用Curve.Length节点提取每段围墙轴线长度S，墙柱间距设为L。墙柱间距是进行基准点定位的主要控制参数，一般情况下，墙柱是按一定间距呈规律布置，这里将每段围墙的墙柱间距L均设为5 m，实际应用时，只需将不同墙柱间距的围墙分段定义即可。将S和L进行整除计算，基准点的定位有以下两种情况：

(a)当S能被L整除时，设N=S/L,按等间距值获取围墙轴线上的点L*0，L*1，L*2……L*(N-1)，得到墙柱及基础建模基准点，比如S=30 m，L=3 m时，墙柱中心点分别位于0，3 m，6 m ……27 m处。此段围墙从轴线起点到N-1点设墙柱及基础，终点处(N点位置)不设墙柱及基础，避免与下一段围墙起点处墙柱及基础重合。

(b)当S不能被L整除时，设[N]=S/L，[N]为不大于S/L的最大整数，按等间距值获取围墙轴线上的点L*0，L*1，L*2……L*[N]，得到墙柱及基础建模基准点，比如S=31 m，L=3 m时，[N]=10，墙柱中心点分别位于0，3 m，6 m ……，30 m处。此段围墙轴线从起点到N点设墙柱及基础，轴线端点处墙柱及基础由下一段围墙起点处设置。确定了基准点位置后，用Curve.PointAtSegmentLength节点划分出轴线上的点位，即可完成与X轴方向平行的轴线基准点布置，如图5所示。

图5 定义建模基准点节点程序

2)与X轴方向不平行的轴线

与X轴方向不平行的轴线，墙柱及基础基准点定位方法与第1)种情况相同，求得基准点后，再次嵌套使用List.FilterByBoolMask节点将斜交轴线分为90°垂直相交和斜交两种情况，并通过Vector.AngleWithVector节点分别求出各轴线与X轴方向夹角值(degree)，以便下一步完成墙柱及基础模型方向的旋转。

2.5.3 模型创建

确定好基准点后，用FamilyInstance.ByPointAndLevel或 FamilyInstance.ByPoint，创建墙柱和基础，输入端的familytype导入墙柱和基础族，point连接到前文创建的基准点，上述各种情况均按此方法完成墙柱和基础模型批量创建。对于上节第2)种情况，要用节点FamilyInstance.SetRotation旋转建好的墙柱和基础模型，如图6所示。

图6 墙柱及基础建模核心节点

2.5.4 墙柱与基础动态关联

前文创建的墙柱模型只完成了地面以上的部位，墙柱底部应延伸到基础顶部，即基础顶部的埋深与墙柱底部偏移值相等并保持动态关联，用Element.SetParameterByName节点将基础埋深值赋给墙柱底部偏移量，构建出墙柱及基础的整体模型，如图7所示。

图7 墙柱及基础模型

3 工程应用

将围墙参数化建模方法应用到绵阳南500kV变电站新建工程中，本项目位于绵阳市石洞乡观音碑村，站区围墙主体结构采用框架结构，站区±0.000 m以上墙体采用MU15实心砖砌筑，地梁、框架柱及基础为C30混凝土，钢筋HPB300，HRB400。本涉及的构件族包括墙体、墙柱、地梁、台阶基础、承台基础，如图8所示。

图8 本项目参数化族

基于围墙设计方案，以围墙高度、墙柱间距、基础结构型式、平面轴线布置方向作为不同参数的围墙分段依据，将全站围墙按逆时针首尾顺序划分为10段，每段围墙的主要控制参数见表1所列。建模时根据分段划分结果先创建10条围墙平面轴线，然后利用Select Model Element节点依次选择各段轴线，完成全部围墙模型创建，如图9所示。

图9 绵阳南500 kV变电站站区围墙模型

表1 围墙分段及建模控制参数

5 结语

本文通过对Dynamo节点研究，总结出一种变电工程站区围墙的参数化快速建模方法，通过自定义围墙主要构件参数化族，利用Dynamo编写逻辑关系和算法，形成了适用于围墙参数化设计和自动化建模的工作流。研究成果可应用到不同的工程项目中，只需完成围墙平面轴线绘制并导入Dynamo的建模插件，就能驱动Revit中的参数化族快速完成围墙三维建模，提高参数化设计程度和建模效率的同时，保证了模型精度和构件之间的动态关联，推广了BIM技术在变电工程中的深入应用。