1. 站臺雨棚BIM設計系統研究與開發-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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                            站臺雨棚BIM設計系統研究與開發

                            發布時間:2022年9月26日 點擊數:2337

                            1 研究概況

                            《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》明確指出:建筑業信息化是建筑業發展戰略的重要組成部分,也是建筑業轉變發展方式、提質增效、節能減排的必然要求,對建筑業綠色發展、提高人民生活品質具有重要意義[1]。

                            加快BIM普及應用,實現勘察設計技術升級是信息化發展的主要任務[1]。BIM技術的應用能夠提升鐵路工程建設技術水平及信息管理能力,也是鐵路工程建設信息化的核心和方向[2]。

                            鐵路站臺雨棚施工圖設計目前還采用基于CAD的輔助設計模式。站臺雨棚形式雖然簡單,但受限因素多,直接參與專業有建筑、結構、強弱電等專業,間接還需要配合站場設施進行調整,重復修改工作量大。本文首先分類研究站房雨棚參數和參數之間的邏輯,把設計表達內容變成結構化的數據,基于此開發一種雨棚設計系統能快速實現三維模型建立、快速出圖,有著提高設計效率的現實目的。

                            另外,由于專業之間的鴻溝,在設計專業工具開發領域,如何將用戶需求有效傳遞給開發人員一直存在較大困難,本文通過站臺雨棚基于Grasshopper的參數化開發研究,總結出一套將設計人員的思維有效傳達給開發人員的溝通方法。

                            2 站臺雨棚參數關系分析

                            2.1 站臺雨棚類型選取

                            本次研究的對象是站房混凝土雨棚,結構類型包括單立柱雨棚、雙立柱雨棚,以及寶蓋屋面雨棚。參見圖1、圖2。

                            圖2 雙柱雨棚

                            圖2 雙柱雨棚   下載原圖


                            圖1 單柱雨棚

                            圖1 單柱雨棚   下載原圖


                            單立柱雨棚站臺寬度在10 m以內,混凝土結構柱標準跨距為10 m,單柱直徑一般為650 mm;炷廖蓓斦移乱话銥5%,屋頂懸挑最多不超過5 m。

                            雙立柱雨棚站臺寬度在10 m以上,混凝土結構柱標準跨距為10m,柱直徑一般為550 mm;炷廖蓓旊p柱之間找坡一般為2%。

                            寶蓋屋頂雨棚為中間高,兩邊低,并在兩側設置雨水槽和雨水管的新型雨棚結構形式,立柱為雙排鋼筋混凝土柱。因其美觀、新穎等特點已逐步應用到新建站臺雨棚中。

                            2.2 站臺雨棚單元模塊分析

                            站臺雨棚系統由土建結構、屋面、站臺鋪裝、設備管線四大主要部分組成,還受跨線設施(天橋、地道)和站場設施影響。各專業構件的設計參數種類繁多,研究和整理各專業實體構件的設計參數及相互影響關系,對于開發站臺雨棚BIM系統至關重要。

                            站臺雨棚的特點是線性構筑物,通過整理各專業實體構件的關鍵設計參數和圖紙表達要求,以及分析站臺雨棚各專業構件參數間的邏輯關系,站臺雨棚可分解為相鄰縱向軸網組成的單元模塊。

                            按照站臺雨棚的特點,站臺雨棚BIM設計系統可劃分為九個單元,分別是:①軸網單元,②屋面單元,③站臺裝修單元,④設備管線單元,⑤雨棚結構單元,⑥站臺單元,⑦線路單元,⑧地道單元,⑨天橋單元。單元之間的關系如圖3所示。將重復單元的內容作為模塊整體看待,形式根據邊界條件生成,受軸網模塊的驅動,每個單元按照軸網順序重復排列,不同單元之間設置轉換規則自動連接。相同的單元模塊實例參數一致,在每個實例中參數均獨立可調,也可以通過全局參數進行批量調整。

                            圖3 站臺雨棚各模塊間的相互關系

                            圖3 站臺雨棚各模塊間的相互關系   下載原圖


                            以軸網單元與單元模塊為例,軸網是所有專業設計定位的依據,因此以軸網為基礎單元。單元模塊是長度方向上相鄰兩柱之間柱梁支撐體系,單個單元模塊與單個軸網單元是一一對應關系,任一單元改動,另一單元根據預設規則自動調整。

                            這種面向對象的開發思路,能夠適應BIM正向設計中的反復調整和修改,同時降低開發復雜程度,縮短開發周期。

                            2.3 站臺雨棚參數提取驗證

                            僅通過軟件需求溝通,很難讓非專業的開發人員理解設計需要,設計院借助參數化工具Grasshopper軟件,將構件參數和設計邏輯展示出來[3],作為設計師和IT程序員的溝通橋梁。

                            Grasshopper是與3D建模工具Rhino緊密集成的圖形算法軟件,與Rhino軟件平臺上腳本語言不同,Grasshopper可以在不需要書寫程序代碼的情況下,快速實現模型及相關模型信息的編輯與呈現。設計師結合初始的站場資料與站臺雨棚設計條件,將其精簡為符合雨棚設計習慣的設計參數與相應的雨棚建模邏輯系統,再通過Grasshopper軟件驗證站臺雨棚項目中各專業實體構件的關鍵設計參數的必要性及合理性,以及各專業構件參數間的邏輯關系的可行性。

                            以雨棚結構單元為例,結合多種結構類型的混凝土雨棚設計參數,并按專業模塊劃分歸類匯總成表格,如表1所示。每個參數包含相應的參數類別、單位、取值范圍、默認值、輸入方式、參數說明等,作為進一步驗證的參數依據。

                              

                            表1 軸網模塊參數分類(以雙柱雨棚為例)  下載原圖



                            表1 軸網模塊參數分類(以雙柱雨棚為例)

                            (來源:作者繪制)

                            在Grasshopper軟件中搭建邏輯系統,通過調整參數,借助Grasshopper與ArchiCAD聯動功能,在ArchiCAD軟件中模擬生成單柱雨棚柱梁模型和雙柱雨棚柱梁模型。結合驗證過程適當調整、優化表1中的設計參數與Grasshopper軟件的邏輯系統,并提供給下一步開發流程作為數據基礎與開發依據。通過Grasshopper與ArchiCAD提取參數并驗證的整套流程,各個模塊的設計參數與生成邏輯完全符合且對應BIM正向設計系統的工作流。

                            3 站臺雨棚BIM設計系統開發

                            站臺雨棚BIM設計系統開發基于ArchiCAD平臺,該平臺是適合建筑師進行正向設計的BIM軟件,在復雜形體的三維建模和二維表達上與建筑師的使用習慣一致。并且對于特殊的構件,提供了GDL和API兩種開發手段。通過這兩種方法在具體項目中實現站臺雨棚BIM設計系統。

                            3.1 GDL參數化對象

                            GDL(Geometric Description Language)是ArchiCAD軟件參數化程序設計語言,是智能化參數驅動構件的基礎[4]。GDL對象蘊含了二維符號、三維模型以及文字描述所需的所有信息,而占很少的數據空間。類似于Revit的“族”,但更為靈活和小巧。

                            基于設計院的構件參數表,IT開發人員創建站臺雨棚各種GDL對象,每個GDL對象的參數都可以調整,以滿足各種結構形式、規格尺寸的要求。這種GDL對象包括地面鋪裝、排水管、落沙井、天橋、地道等。

                            3.2 API聯動

                            采用GDL參數編寫相關構件,通過參數調整即可實現不同類型、不同尺寸的樣式。但僅通過GDL無法搭建起完整的雨棚設計邏輯,因此借助ArchiCAD軟件的API接口,調用BIM軟件的功能,按照設計師提供的Grasshoper邏輯電池圖,實現批量操作GDL對象的賦型、賦值、聯動及各種操作,從而按照設計的要求完成雨棚的建模邏輯。例如:站臺軸網與站臺柱子、站臺梁、站臺屋面的聯動;站臺鋪磚與站臺單元模塊的聯動;排水系統與站臺單元模塊的聯動等。采用API聯動后,可以最大量地減少人工操作的工作量,同時避免人為修改造成的誤差,提高設計效率和質量。

                            通過上述Grasshopper軟件的邏輯系統,借助API調用雨棚各專業模塊GDL構件的源代碼與ArchiCAD軟件相關的程序接口,再利用C++編程語言將各個對象的設計參數實現邏輯關聯(圖4),同時調用ArchiCAD軟件的原生設計工具與雨棚GDL構件根據邏輯系統依次生成,從而達到快速生成站臺雨棚模型的目的。

                            圖4 站臺雨棚GDL源代碼

                            圖4 站臺雨棚GDL源代碼   下載原圖


                            3.3 站臺雨棚BIM設計系統應用實踐

                            站臺雨棚BIM設計系統利用金甬線東陽、奉化站實際工程項目開展正向設計驗證,目前該項目已完成施工圖。站臺雨棚與站房緊密相關,在開展設計前需先將站房模型按原始標高鏈接至雨棚模型文件中,根據站房相對標高、站房與雨棚高差、雨棚高度等因素確定站臺雨棚高程,并在平面視圖中導入站場CAD資料,通過拾取站臺輪廓線及軌道線完成定位;利用ArchiCAD中BIM Cloud共享協同設計方法,建筑專業完成軸網單元參數設置,結構專業完成結構單元參數設置,建筑專業繼續完成屋面單元、站臺裝修單元參數設置,電力、信息專業完成設備管線單元。從而實現站臺雨棚多專業協同設計的流程方法。

                            針對BIM建模的工作開展情況如表2所示,插件對BIM建模設計效率有顯著提升。

                              

                            表2 BIM建模的工作開展情況  下載原圖



                            表2 BIM建模的工作開展情況

                            以集水井及排水波紋管的設置為例,手動建模時需要根據雨棚柱位置逐個放置集水井對象,并根據波紋管坡度及相隔距離計算出集水井深度逐個調整尺寸,同理逐個設置排水波紋管,調整兩段高度與集水井相接。插件建模的過程則簡單許多,在設置好軸網模塊及單元模塊參數后開始設置排水模塊,屋面排水可與地面排水產生聯動一體生產,通過設置排水管直徑、落沙井長寬、起始井底標高、坡度等參數,選擇起坡位置后軟件通過自動計算生成正確的落沙井及排水波紋管。實際工程應用中插件具有良好的可操作性,一方面節約了計算時間,避免了大量簡單重復工作;另一方面能夠精確建模,提高模型質量。

                            站臺雨棚BIM設計系統基于BIM軟件ArchiCAD開發,完成建模的雨棚通過剖切及投影的方式生成相應的平立剖面,增加二維標注后即可出圖。由于設置了模型參數,因此標注內容可直接提取信息,不必手動輸入;部分大樣圖來自于平立剖面圖,大樣部分需要對具體構造精確建模,特殊節點部位可在三維模型基礎上通過增加二維點、線、面增補表達。模型移交至施工單位后,可基于手機或IPAD端BIMX軟件集成BIM模型及圖紙,方便現場管理及調用。

                            4 結論

                            本研究通過大量混凝土站臺雨棚設計圖紙的分析及匯總,整理出一套站臺雨棚各專業的設計規則和關鍵設計參數,并根據站臺雨棚的結構特點,引入模塊化開發思路,將站臺雨棚劃分為各邏輯模塊,總結出它們之間的邏輯關系。

                            除了總結雨棚的參數規律外,還歸納總結出一套將設計人員的思維有效傳達給開發人員,方便設計人員與開發人員有效溝通的新方法,即通過前期研究和分析各種混凝土站臺雨棚圖紙,整理一套站臺雨棚各專業的設計規則和設計參數,利用參數化設計軟件(Grasshopper)模擬各專業的設計規則和參數間的邏輯關系,為開發人員提供準確的開發邏輯及參數設置依據,這種高效的溝通方式可以運用到其他類似的開發項目中。

                            另外,通過站臺雨棚BIM系統開發,研究團隊開拓了一條站臺雨棚設計的新方法,即BIM正向設計,大大減少設計人員的設計繪圖工作量,有效提高了設計效率。

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