基于BIM的变电工程围墙参数化建模研究_廖鸣宇.pdf

68http:/电 力 勘 测 设 计第1期DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.01.012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)摘要：通过研究 Dynamo 程序节点，提出了基于 Dynamo 驱动 Revit 的围墙参数化建模方法，解决变电工程站区围墙建模参数化程度低、建模效率低等关键问题。此方法包含 Dynamo 逻辑关系和算法编写，形成参数化设计和自动化建模的工作流，更符合工程师的设计习惯，能够提高工作效率，保证模型精度，并推广了 BIM技术在变电工程中的深入应用。关键词：Dynamo；围墙；参数化建模；变电工程；BIM中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)01-68-05Research on Parametric Modeling for Wall of Substation Engneering Based on BIMLIAO Mingyu,LI Liang,LIANG Ming,SONG Peike,WU Dan,YANG Lingshuang(Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Chengdu 610021，China)Abstract:By studying Dynamo program nodes,a parameterized modeling method of the wall based on Dynamo driven Revit is proposed to solve the key problems of low parameterization degree and low modeling efficiency of the wall modeling in substation area.This method includes logic relation and algorithm compilation in Dynamo,forming the workflow of parametric design and automatic modeling,which is more in line with the design habits of engineers,greatly improving the work efficiency,ensuring the accuracy of the model,and promoting the in-depth application of BIM technology in substation engineering.Keywords:Dynamo;wall;parametric modeling;substation engineering;BIM*收稿日期：2021-09-24 第一作者简介：廖鸣宇(1988)，男，硕士，工程师，研究方向为变电数字化设计。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 11810.12018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69基于BIM的变电工程围墙参数化建模研究http:/ 企业数字化转型与工程数字化创新 第1期 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。创建围墙平面轴线创建墙体和地梁模型与X轴方向不平行的轴线与X轴方向平行的轴线布置墙柱和基础建模基准点墙柱和基础模型动态关联创建墙柱和基础模型完成围墙整体模型创建调整墙柱和基础模型方向创建墙柱和基础模型布置墙柱和基础建模基准点轴线分类轴线图元类型转换 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。垫层宽=2000垫层长=1600一阶宽B1=1800二阶宽B2=1300一阶长L1=1400一阶高H1二阶长L2=900二阶高H2=300100 图2 参数化台阶基础族剖面图70http:/电 力 勘 测 设 计第1期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，S2Sn(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71基于BIM的变电工程围墙参数化建模研究http:/ 企业数字化转型与工程数字化创新 第1期 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*2L*(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*2L*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。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。72http:/电 力 勘 测 设 计第1期图6 墙柱及基础建模核心节点距、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序号轴线与 X轴方向墙体高/m墙体厚/mm墙柱 间距/m基础类型1平行56004.5承台基础2平行56005二阶台阶基础3平行46005二阶台阶基础4不平行46005二阶台阶基础5不平行56005二阶台阶基础6平行2.54005二阶台阶基础7不平行2.54005二阶台阶基础8不平行2.54005承台基础9平行2.54004.5承台基础10不平行2.54005承台基础图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(下转第79页)79高烈度地区 110kV 钢框架配电楼减震设计及分析http:/ 电网设计第1期 4 结论对于多层钢框架结构，采用粘滞阻尼器进行减震时，在给定阻尼指数 的情况下，存在一个最优总阻尼系数 C，可使结构的层间位移比和最大层间位移角均为最小(此时如继续增加粘滞阻尼器的阻尼系数，房屋结构的总动刚度也将继续增加，导致地震输入到结构中的能量大于粘滞阻尼器多消耗的能量)，此时结构的抗震性能达到最佳。对高烈度地区的钢框架结构采用非线性粘滞阻尼器进行减震优化设计时，如粘滞阻尼器的参数采用最优总阻尼系数 C，根据其地震影响系数的减小情况，可按消能减震设计规范的规定降低 1 度(地震烈度)采取抗震构造措施。总的来说，高烈度地区采用减震优化设计的钢框架结构配电楼，既能减小其最大层间位移角，有利于电气设备的安全平稳运行，又能减小大开洞结构的扭转振动(减小了层间位移比，主要通过消耗地震扭转能量实现)。减震模型在扣除粘滞阻尼器设备费和人字形型钢支撑的钢材用量后，依然节约了较多的钢材和混凝土，符合国家双碳目标。因此采用粘滞阻尼器进行减震优化设计的方法值得在更多工程中推广。参考文献1 汪志昊，陈政清.高层建筑结构中粘滞阻尼器的新型安装方式J.世界地震工程，2010，26(4)：135-140.2 CONSTANTINOU M C，TSOPELAS P.Toggle-brace-damper Seismic Energy Disspation SystemsJ.Journal of Structural Engineering，2001，127(2)：105-112.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 500112010(2016年版)S.北京：中国建筑工业出版社，2016.4 杨晗琦，汪梦甫，沈蒲生.带刚性伸臂减震层高层结构抗震效果分析J.地震工程与工程震动，2015，35(2)：114-123.5 CONSTANINOU M C，SYMANS M D.Experiment-al and Analytical Investigation of Seismic Respo-nse of Structures with Supplemental Fluid Viscous dampersR.Buffalo：National Center for Earthquake Engineering Research，State University of New York，1998.6 HWANG J S，HUANG Y N，Yi S L.Design Formulations for Supplemental Viscous Dampers to Building StructuresJ.Journal of Structural Engineering，2008，134(1)：22-31.7 CHEN Y，MCFARLAND D M.Analysis of Tall Building with Damped OutriggersJ.The structural Design of Tall and Special Buildings，2007，16(4)：501-517.8 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑消能减震技术规程：JGJ 2972013S.北京：中国建筑工业出版社，2013.9 丁洁民，吴宏磊.减隔震建筑结构设计指南与工程应用M.北京：中国建筑工业出版社，2018.(编辑 魏俊)(上接第72页)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。参考文献1 吴樊，闫智，孔祥平.Dynamo for Revit在基坑围护结构建模中的应用J.土木建筑工程信息技术，2020，12(2)：62-67.2 王欣，田石柱.基于Dynamo的变截面连续梁桥BIM建模方法研究J.苏州科技大学学报(工程技术版)，2021，34(1)：23-28.3 史廉博，王汉臣.基于Dynamo的参数化设计在地基处理工程中的应用J.中国水运航道科技，2021(2)：39-44.(编辑 魏俊)