基于数据快捷方式的生态河道BIM协同设计研究与应用

孟 明 杜 征 杨玉涵

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003;2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹),河南 郑州 450003;3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心,河南 郑州 450003)

随着当前工程项目对设计时间的要求越来越紧,项目的复杂程度越来越高,多人员的协同设计工作模式日趋重要。对于BIM而言,高端应用是在其基础上进行各专业间、专业内以及项目各阶段间的协同设计。BIM技术的核心便是协同设计,在工程项目的任一阶段均可应用到协同工作的成果,为项目各参与方提供服务。协同工作可通过互联网进行成果共享,为不同地方的协同作业提供高效高质的工作机制,在提高信息交换速度的同时,也让不同地方的技术人员联合到了一起。

Civil 3D平台是一款应用于基础设施行业的BIM解决方案,它为基础设施各行业的技术人员提供强大的分析、设计以及文档编制功能,适用于水利水电、岩土工程、勘察测绘、交通运输、城市规划、市政给排水和总图设计等众多领域[1]。在Civil 3D平台上可根据项目的复杂程度与大小选择共享图形、共享图形间对象以及使用基于数据库的项目协同方式进行各种程度的协同设计[2]。

1 基于Civil 3D的两种协同工作方式对比

在工程项目的设计过程中,协同设计实际上就是设计数据的共享及管理,协同设计是以图纸数据为中心合作开展的,伴随着设计的不断深入,项目中所涉及的数据文件就会越来越多。如何有效地分散共享这些数据,使不同阶段不同专业的设计人员可以在同一个项目中协同合作便成为一个较突出的问题。

科学地进行数据共享及数据管理,不但可以提高工程设计数据的重复利用率,还可大幅降低工程设计中配合专业间的依赖性。与此同时,在这个过程中也可以提高设计数据的安全性,在把项目文件进行分类共享时,如果项目中一个设计文件遭到破坏,其他共享过的设计文件还可以保持完好。利用Autodesk Civil 3D(以下简称C3D)进行基础设施工程项目设计时,可通过传统的外部参照方式和创新的数据快捷方式实现数据文件的共享与管理,以实现协同工作机制。

1.1 外部参照

外部参照比较常见的应用是通过外部参照实现原始地形、地貌、地物等信息参照[3]。在C3D中,虽然外部参照是从AutoCAD中沿用过来的,但是其拥有非常多AutoCAD中所不具备的功能,外部参照不但可以实现图纸文件间图层数据的参照,还能够实现项目图纸间C3D对象的参照[4],常用的C3D对象有曲面、路线、横断面、纵断面以及道路等。

利用C3D所具备的特性可以将模型创建和施工图纸设计分散到不同的协同文件中,在新的图形文件中为参照的原始设计对象添加标签、样式、表格及横纵断面图。在使用外部参照文件的时候,所有的参照文件均作为可显示对象插入到当前文件中,不可以在当前文件中直接访问参照文件中所包含的C3D对象。另外,外部参照的这种调用关系是一种动态调用关系,当前项目设计文件中的设计数据会随着外部调用文件的变化而变化[5]。

1.2 数据快捷方式

数据快捷方式能够提供C3D对象级别的共享,利用这种方法可以方便地在项目中进行设计对象共享,最大限度地重复利用已有设计数据[6]。

有别于外部参照的将设计不同部分进行协同设计,数据快捷方式是对设计的不同阶段进行协同设计,同时还可将设计中的对象进行数据共享。利用数据快捷方式可以进行更加专业化的设计,设计人员仅需专注在一个设计阶段中,使设计的质量和效率得到了一定程度的提高。另外,通过数据快捷方式,设计对象还可利用网络进行多地域共享,以便于更多用户的协同工作。

1.3 对比分析结论

在用外部参照时,所有外部文件均是作为可显示的对象引用到当前图形文件中的,不可在当前图形文件中直接访问外部参照文件中所包含的对象。有别于外部参照所提供的图形文件之间的共享,基于C3D数据的快捷方式提供了图形文件中对象级别的数据协同共享。利用这种方式可便捷地在项目中实现图形文件中设计对象的共享,最大限度地重复利用已有的设计数据,且数据快捷方式有自身的优势:

a.数据快捷方式的共享模式是仅基于图形文件共享文件中的对象数据,并为这些对象数据提供简单、直接的共享机制,可在本地计算机中实现,也可在局域网内实现,且无须服务器空间,这对小团队或者小项目来说成本非常低,也非常理想。

b.数据快捷方式提供了在当前图形文件中访问源图形中对象数据的权限,同时确保对象的数据仅可以在源图形中更改。

c.利用数据快捷方式所参照的对象可以被无限次重新参照,即便误删当前已参照的对象,也可以再次对该对象执行参照命令进行数据恢复。

d.引用对象可以具有不同于源图形的样式和标签。

e.每次重新打开具有参照数据的文件时,如若源文件中被参照对象的数据有更改,在当前图形文件中参照的对象都会自动进行更新。

f.在当前图形文件工作期间,如果源图形中被参照的对象数据发生更改,C3D将会发出通知,提示数据已更新,需要同步参照数据。

g.利用Civil 3D进行正向三维设计过程中会涉及大量环环相扣的对象,这些对象动态关联,将它们进行独立协同,才能提高整体工作效率。

2 主要技术研究内容

数据快捷方式提供灵活的、对象级别的项目管理方式,该数据快捷方式可提供图形间的参照链接,且不使用数据库[7]。如果源图形文件中参照的对象发生更改,则这些更改将在参照该对象的任何图形文件中更新。

使用数据快捷方式大体上可分为两个主要过程:第一个是从数据快捷方式的源图形文件创建出数据快捷方式;第二个是当数据快捷方式创建完成之后,在用户当前图形中创建对源图形中源对象的数据参照。

2.1 项目数据及数据快捷方式框架

创建完成数据快捷方式之前,需要先进行合适的项目模板选择,然后在工作文件夹内创建项目文件夹作为数据快捷方式数据基础框架,指定新的项目文件夹来作为已经激活的数据快捷方式项目文件夹,将项目图形对象的数据快捷方式保存在项目文件夹的相应子文件夹中。

设定新工作文件夹作为存储数据快捷方式项目的位置,也可以自行新建文件夹,来放置项目数据。

数据快捷方式项目文件夹包含项目中的所有源图形和数据快捷方式对象,新建文件夹用于存储一组相关的项目图形和数据快捷方式。可使用C3D提供的项目模板来创建数据快捷方式项目文件夹,因为当项目和数据量非常庞大时,项目模板会很好地分类整理所创建的所有数据。图1就是由默认项目模板创建的项目文件夹结构。

图1 项目文件夹及其子文件夹结构

设置数据快捷方式项目文件夹就是指定想要选用的数据快捷方式的项目路径,更进一步讲就是在进行协同设计时,共享由项目组其他设计人员提供的设计源图形文件的数据快捷方式,以便于当前图形文件的设计人员能够利用该数据快捷方式项目文件夹创建源图形文件中各对象的参照,项目文件夹通常包含由源文件创建的各图形对象的数据快捷方式和源图形文件。

2.2 数据快捷方式创建及关联

2.2.1 创建数据快捷方式

从当前图形创建的数据快捷方式存储在所选项目文件夹的“_Shortcuts”文件夹中,该文件夹在其他图形文件中用于创建对源对象的数据参照[8],另外,每个数据快捷方式都存储在单独的XML文件中。

已在当前文件之中创建过对象的数据快捷方式,执行过“保存”命令,才能与当前图形文件关联,而这个被保存的图形文件就是后续协同设计中这些数据快捷方式的源图形文件。在同一个源文件中,C3D平台不允许为同一个对象创建多个快捷方式,所以对话框中的所有对象均是不可操作的,如果需要给该对象再创建出一个数据快捷方式,编者研究出一种方法:将此源文件进行拷贝粘贴,创建出一个副本,将此副本打开,设定到之前的工作文件夹,执行“将项目与当前图形相关联”命令,再执行“创建数据快捷方式”命令。经编者测试,该方法可以对同一对象创建多个数据快捷方式。

编者经过多次的项目经验积累以及多次的测试,研究发现“数据快捷方式”树节点上各个对象的数据快捷方式名称仅仅只和源图形文件中的对应对象的名称保持一致,即便我们把数据快捷项目文件夹中的对应对象的XML文件名称手动改了,数据快捷方式的对象名称也会不变,保持和源图形文件中的对应对象的名称一致,并且引用关系也不会受到影响。

2.2.2 数据快捷方式项目与当前图形相关联

将数据快捷方式项目与当前图形相关联,就是使数据快捷方式项目文件夹与当前图形文件相关联,使其成为当前图形的默认值,在该数据快捷方式项目文件夹内创建当前图形文件中某对象的数据快捷方式时,可将源图形文件创建的数据快捷方式项目文件夹与当前图形文件进行关联。基于此便可在该数据快捷方式项目文件夹内创建当前图形文件中的图形对象的数据快捷方式,如未创建关联是无法创建数据参照的[9]。

2.3 数据快捷方式的对象参照

2.3.1 创建对象参照

在创建参照之前,须先完成数据快捷方式创建工作,之后,将数据快捷方式设定到当前图形文件中,此时就可以在当前图形文件中为激活的数据快捷方式创建参照[10]。另外,对象参照只可以在处于打开的图形文件中进行创建,并且不可以在数据快捷方式的源图形文件中创建对象参照。对于当前创建的包含有对象参照的最终施工图,为了数据管理的安全与便捷,要另存到数据快捷方式项目文件夹下Production Drawings文件夹内,并与数据快捷方式项目一起保存。

2.3.2 参照创建研究结论

经过对数据快捷方式的对象参照创建研究发现以下几项重点结论:

a.任何一种对象的数据快捷方式都不能在其对应的源图形文件内创建数据参照。

b.在“数据快捷方式”节点集合中任何一个对象在当前图形文件中仅可创建一个图形参照,参照没有副本。

c.编者研究发现,在除了“道路”数据快捷方式以外的其他图形在把已有的对象参照“提升”之后,还可以再次创建对象参照。

d.研究发现,如果一个文件内有“道路”模型,并且“数据快捷方式”节点集合上“道路”数据快捷方式的名称与当前图形文件中固有的“道路”模型名称相同的话,那此时的“道路”数据快捷方式便无法在该文件中创建对象参照。

2.3.3 同步对象参照

图2 数据快捷方式引用图标

只要源图形发生变更,那么当重新打开含有对象参照的图形文件时对应源图形变更的对象参照会自动更新同步最新数据。如果不是新打开,而是已经打开时,源文件发生了数据变更,会在C3D用户界面的右下角以通知消息的形式进行提示,见图3,并且同时会在图形窗口的浏览树和状态栏中显示带有感叹号的警告标志。

图3 同步提示

如果需要同步的对象参照比较多,一个一个选择对象执行同步命令比较烦琐,C3D平台给提供了一个“一键同步”的命令“同步参照”,见图4,执行完该命令,即可把当前图形文件中的所有需要同步的对象参照同步完成。

图4 一键同步所有已变更的对象参照命令

3 成果应用

3.1 工程概况

本研究成果应用项目为黄河一级支流沁河沁阳市城区段治理工程,该工程的纵向建设范围为沁河安全河口至已拆除的老沁河大桥下游约0.6km,治理总长度5.5km,横向设计范围为左右岸大堤以内。本次治理河段紧邻城区,为城市河道,首先要强化河岸边界,满足行洪安全需求;同时兼顾工程的环境效应和生态效应,使其更好地满足生态城市的要求,为实现工程与生态景观的有机统一、充分发挥河滩的自然景观和人文景观功能创造条件。由于该河段河势不稳,主槽变化较大,为了控制河势,稳定流路,增加河道的行洪能力,考虑对安全河口至主河槽液压升降坝下游0.5km段共5.5km河道进行疏浚。沁河河道滩地现状见图5。

图5 沁河河道滩地现状

3.2 项目协同识别

本次设计的生态河道蜿蜒曲折、地形地貌复杂,结合现状地形设计岸线,分为左岸2段和右岸4段,并且断面型式不同,为了精确、高效率地完成设计任务,项目组利用无人机进行DEM数据采集,通过global mapper软件对数据进行处理,Autodesk Subassenbly Composer软件进行河道横断面参数化设计,以Civil 3D软件为主要设计平台,进行生态河道BIM设计。

根据以往正向三维设计经验,由于本工程河道断面型式复杂多变,地形范围较大,最终生成的整个工程项目的信息非常庞大,在现有高配电脑上运行项目文件非常吃力,一次微小调整、一次数据保存或者一次断面创建,计算机就会花费大量时间进行运行,中途还不免有崩溃的危险,对于设计效率的提升有着很大的负面影响。将研究出的基于数据快捷方式的专业内协同工作模式应用于该项目中,很好地解决了这一问题:将原本环环相扣的地形、平面布置、断面设计、模型创建、工程量统计以及施工图纸创建等工作分到多个文件中,分别由项目组不同设计人员来完成,由于将庞大的设计数据细分给多人多计算机进行并行设计,极大地提高了设计效率和计算机运行速率。

3.3 基于数据快捷方式的协同设计

本次沁河沁阳市城区段治理工程正向三维设计采用基于数据快捷方式的协同模式进行,主要将地形处理、平面布置和河道建模这三大块进行协同设计。

首先创建一个地形处理的独立文件,命名为“地形处理”,在该文件中进行正向三维设计工作中的地形曲面的创建、编辑与处理工作,得到高质量的现状地形曲面,见图6。

图6 高质量现状地形曲面

对创建完成的三维地形曲面进行编辑优化后,进行高程分析、坡度分析和坡向分析等,以数字化云图的形式直观反映工程区地势高低分布情况,为河道岸线的选线作出初步判断,同时结合水文资料设计出河道控制线,见图7。

图7 河道两岸控制线设计

随后利用研究完成的数据快捷方式流程把现状地形曲面、平面布置创建出其对应的数据快捷方式,创建完成之后,新建一个新文件,并命名为“河道正向三维设计”,此文件为最终的模型创建、自动统计工程量和自动出图文件。将地形曲面数据快捷方式设定到当前图形文件中,此时便可在当前图形文件中激活该数据快捷方式,并保持联动,随后创建对象参照,创建完成之后,当前图形文件便与数据快捷方式项目关联到一起。

接着,利用“设定数据快捷方式文件夹”激活“平面布置”数据快捷方式,该操作为切换操作,一旦“平面布置”数据快捷方式被激活,“地形处理”数据快捷方式将被取代,见图8。

图8 平面布置数据快捷方式取代地形处理数据快捷方式

接着利用同样的方法创建出各平面布置路线的参照对象,各种不同作用的平面布置路线就以指定的样式显示在“浏览”选项卡的“路线”集合下,同时在模型空间中也出现各路线的图形对象,见图9。

图9 创建完成的路线数据快捷方式在“路线”树节点中

至此,创建河道模型所需要的地形曲面和平面布置路线的数据快捷方式参照对象便创建完成,经过横纵断面的设计之后,即可创建完成河道BIM模型,见图10。最后从模型中提取工程量和施工图纸,见图11～图14。

图10 含有设计信息可参数化实时联动的生态河道BIM模型

图11 总开挖回填工程量自动计算和计算所得总开挖回填工程量表

图12 河道各种护岸材质工程量自动计算和计算所得护坡材质工程量表

图13 创建平纵出图图幅及平纵图纸

图14 创建多个横断面视图及横断面图纸

如果后续测量地形逐步完善,平面布置方案发生变更,便可在源文件中直接进行完善调整,调整之后将源文件进行保存,同时在模型文件的右下方会提示数据快捷方式定义可能已更改的消息提示框,见图15。

此时,只需点击“同步”,源文件中关联的现状地形曲面和平面布置最新方案便会更新到当前模型文件中,依靠Civil 3D强大的联动能力,所创建的河道BIM模型、统计的工程量表、创建的平纵横施工图纸也会自动更新,而不用在模型文件中做任何的调整,极大地提高了设计效率,提升了成果质量。

4 结 语

a.实现生态河道工程专业内、专业间以及项目各阶段的协同正向三维设计。在生态河道正向三维设计中利用数据快捷方式生成的数据可有效贯穿在工程项目建设的全生命周期,可以实现多个专业间的协同设计、协同交流、协同管理,将有效地提高工程项目的设计效率,为项目的各个参与方带来最大的经济效益。

b.数据快捷方式为仅基于图形文件的共享对象数据提供简单、直接的机制,而不需要额外的服务器空间。数据快捷方式可以很灵活地进行项目对象的数据管理,可方便地进行生态河道工程专业内部的数据协同,也可进行水工、景观以及规划等多专业间的数据协同,在同一个局域网中将数据快捷方式存储到个人电脑的共享文件夹之中,项目组任一成员的设计数据均可互通使用,提高了各专业之间的协同合作能力,提升了设计效率。

c.将传统专业间需要通过人工拷贝文件的配合工作模式进行创新。在企业内部的局域网中搭建协同通道,利用数据快捷方式实现各专业间的实时联动,任一方有方案调整变更,相关专业的设计成果便会自动更新调整,无须发送或拷贝文件替换,大大提高了工作效率。