杜前洲 蔡亞橋 楊禮楨 楊周周 劉宇圣

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 BIM技術(shù)與可視化編程

在雙碳背景之下，作為碳排放大戶，建筑業(yè)亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)[1-2]。國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)一系列政策標(biāo)準(zhǔn)，從新技術(shù)、新能源、新材料和信息化等科技應(yīng)用和發(fā)展方面，推動(dòng)建筑行業(yè)開啟新一輪的發(fā)展[3-5]。BIM(Building Information Model，建筑信息模型)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)建筑信息化的重要手段，對(duì)加快推進(jìn)建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義[6-7]。BIM概念起源于上世紀(jì)70年代[8]，并于本世紀(jì)初在美國(guó)開始應(yīng)用，近二十年來(lái)，BIM應(yīng)用項(xiàng)目已擴(kuò)展到包括歐美、日韓、中國(guó)在內(nèi)的世界范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美國(guó)家應(yīng)用BIM的項(xiàng)目數(shù)量已超過傳統(tǒng)項(xiàng)目[9]。BIM技術(shù)正以高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)改變著整個(gè)土建行業(yè)的面貌。

Dynamo for Revit是基于Autodesk公司建模軟件Revit開發(fā)的可視化編程插件，適用于工程師們?cè)诓挥蒙钊雽W(xué)習(xí)編程語(yǔ)言的前提下，進(jìn)行可視化編程，從而完成較為復(fù)雜的建模任務(wù)。文獻(xiàn)[10]借助Dynamo對(duì)水力機(jī)械中復(fù)雜的蝸殼和尾水管進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了模型的"一鍵生成"。文獻(xiàn)[11]基于Dynamo軟件實(shí)現(xiàn)了快速、高效放置鋼板樁和結(jié)構(gòu)鉆孔樁，大幅提高設(shè)計(jì)效率。文獻(xiàn)[12]利用Dynamo可視化編程功能完成了復(fù)雜的曲面造型，提高模型的生成和修改速度。

給排水、通風(fēng)空調(diào)等專業(yè)的各類水管在施工階段，一般以工廠預(yù)制的6m長(zhǎng)原管為原材料，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切割和拼接，以滿足現(xiàn)場(chǎng)各種安裝長(zhǎng)度的實(shí)際需求。從節(jié)約資源、降低施工成本角度出發(fā)，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)可以考慮將閥門等管道附件設(shè)置在特定位置，以最大限度利用既有的6m長(zhǎng)原管。在信息化發(fā)展的大背景下，有必要開發(fā)一種基于BIM技術(shù)的管道閥門自動(dòng)定位方法，既可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，減少切管，又不增加工程師的設(shè)計(jì)壓力。本文工作便是在此背景下展開。

2 研究目標(biāo)與技術(shù)路線

考慮6m長(zhǎng)的水管原管，閥門在管道上的位置可能存在4種情形，如圖1所示。情形1中閥門兩端的水管長(zhǎng)度之和小于6m； 情形2中閥門兩端的水管長(zhǎng)度之和等于6m； 情形3中閥門兩端的水管長(zhǎng)度之和大于6m，但每端的長(zhǎng)度都小于6m； 情形4中閥門兩端的水管長(zhǎng)度之和大于6m，且存在至少一端的長(zhǎng)度大于6m。各種情形中存在閥門位于管道左側(cè)、中點(diǎn)及右側(cè)的三種情況。為充分利用6m長(zhǎng)原管，本文提出的閥門自動(dòng)定位的方法需實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：對(duì)于閥門兩端長(zhǎng)度之和小于或等于6m的情形1、2，需移動(dòng)閥門到管道的端頭； 對(duì)于閥門兩端長(zhǎng)度之和大于6m的情形3、4，需移動(dòng)閥門，使得閥門兩端中長(zhǎng)度接近6m的一端被調(diào)整為6m。而且在移動(dòng)時(shí)，需盡量減少閥門偏移的距離，以保證與原設(shè)計(jì)的一致性。

圖1 閥門在水管上的位置示意

基于以上分析，結(jié)合Dynamo可視化編程方法，本文采取如圖2所示的技術(shù)路線。首先分析閥門在管道上的位置，并明確實(shí)現(xiàn)閥門定位的目標(biāo)；其次借助Revit+Dynamo平臺(tái)，確定閥門移動(dòng)的方向和距離，實(shí)現(xiàn)單個(gè)閥門的自動(dòng)定位；然后在單個(gè)閥門自動(dòng)定位的基礎(chǔ)上，自定義Dynamo節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)閥門的自動(dòng)定位；最后對(duì)本方法進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證方法的正確性和準(zhǔn)確性。

圖3 獲取閥門兩端管線參數(shù)的Dynamo模型

圖2 本文技術(shù)路線

3 單個(gè)閥門自動(dòng)定位

3.1 獲取閥門兩端管線圖元

閥門自動(dòng)定位依據(jù)的是閥門兩側(cè)連接的管線長(zhǎng)度，因此，首先需要通過Dynamo獲取Revit界面中閥門兩端的管線圖元。通過“Select Model Elements”節(jié)點(diǎn)選擇待調(diào)整的閥門圖元，然后利用Dynamo機(jī)電分析包“MEPover”中的“MEP Fitting connected MEPCurves”節(jié)點(diǎn)確定閥門兩端的管線圖元，并將其轉(zhuǎn)化為便于數(shù)據(jù)處理的曲線。通過“Element.GetLocation”節(jié)點(diǎn)獲取曲線的定位、方向、長(zhǎng)度等幾何參數(shù)。此部分Dynamo模型如圖3所示。

3.2 確定閥門移動(dòng)方向

圖4展示了確定閥門移動(dòng)方向的Dynamo模型。為簡(jiǎn)化模型，借助“Python Script”節(jié)點(diǎn)判斷閥門移動(dòng)的方向，模型中“Python Script 1”可通過閥門兩段管線的長(zhǎng)度自動(dòng)判斷閥門移動(dòng)方向，其判斷邏輯如圖5所示。按圖5所示的判斷邏輯，其結(jié)果是當(dāng)閥門兩端管線長(zhǎng)度之和小于6m時(shí)，閥門往短邊移動(dòng)； 當(dāng)閥門兩端管線之和大于6m時(shí)，閥門往管線長(zhǎng)度最接近6m的一邊移動(dòng)。按此原則，可保證閥門調(diào)整的距離最小，不影響整體性設(shè)計(jì)，同時(shí)保證在施工時(shí)充分利用6m長(zhǎng)的原管，減少裁管及浪費(fèi)。借助“Python Script 1”確定閥門移動(dòng)方向后，在Dynamo模型中利用自帶的節(jié)點(diǎn)，生成一個(gè)單位向量來(lái)表示移動(dòng)的方向，如圖4所示。

3.3 計(jì)算閥門移動(dòng)距離

圖4 確定閥門移動(dòng)方向的Dynamo模型

接下來(lái)通過計(jì)算得到滿足第2節(jié)目標(biāo)的閥門移動(dòng)距離，其Dynamo模型如圖6所示。計(jì)算過程需要用到邏輯判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算，為簡(jiǎn)化模型，該部分通過2個(gè)“Python Script”節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。其中，“Python Script 1”的功能已在上一小節(jié)闡述，“Python Script 2”的功能則是計(jì)算閥門需要移動(dòng)的距離，其判斷邏輯圖如圖7所示。按此原則，可保證當(dāng)閥門兩端的管線長(zhǎng)度之和大于6m時(shí)，移動(dòng)最小的距離以達(dá)到其中一段管線長(zhǎng)度為6m的目的； 當(dāng)閥門兩端的管線長(zhǎng)度之和小于或等于6m時(shí)，閥門移到管線的端頭(以閥門距端頭3mm為例)； 當(dāng)閥門兩端的其中一段管線長(zhǎng)度剛好為6m時(shí)，閥門按設(shè)計(jì)時(shí)的位置不做調(diào)整。

圖5 閥門移動(dòng)方向的判斷邏輯圖

圖6 計(jì)算閥門移動(dòng)距離的Dynamo模型

圖7 閥門移動(dòng)距離的判斷邏輯圖

3.4 通過向量實(shí)現(xiàn)閥門移動(dòng)

確定閥門移動(dòng)的方向與數(shù)量之后，隨即利用Dynamo自帶節(jié)點(diǎn)“Vector.Scale”生成閥門移動(dòng)的向量，并通過“Element.MoveByVector”實(shí)現(xiàn)閥門按指定方向和距離的移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)定位要求。圖8展示了實(shí)現(xiàn)閥門移動(dòng)的Dynamo模型。

圖8 實(shí)現(xiàn)閥門移動(dòng)的Dynamo模型

4 多個(gè)閥門自動(dòng)定位

前文論述了單個(gè)閥門自動(dòng)定位的方法和步驟，而在實(shí)際工程中，通常不止一個(gè)閥門，因此下面闡述多個(gè)閥門自動(dòng)定位的方法。

4.1 Dynamo自定義節(jié)點(diǎn)

Dynamo提供了自定義節(jié)點(diǎn)的功能，自定義節(jié)點(diǎn)經(jīng)打包后形成.dyf文件，可重復(fù)利用，而且穩(wěn)定性高，不易被誤改。將上述單個(gè)閥門自動(dòng)定位的Dynamo模型打包成一個(gè)自定義節(jié)點(diǎn)“Adjust MEPValves”，該節(jié)點(diǎn)的.dyf文件如圖9所示。該節(jié)點(diǎn)的輸入為多個(gè)閥門組成編號(hào)列表，輸出為向量。

4.2 過濾視圖中的閥門

為篩選出需要自動(dòng)定位的閥門，本節(jié)通過Dynamo自帶的節(jié)點(diǎn)過濾圖元，其Dynamo模型如圖10所示。通過“Select Model Elements”節(jié)點(diǎn)自由框選Revit界面中目標(biāo)閥門附近的圖元，此過程選擇的圖元集合需包含所有的目標(biāo)閥門。然后通過圖元的名稱過濾出名稱中含有“閥”字的圖元，即得到目標(biāo)閥門的編號(hào)列表。

4.3 多個(gè)閥門自動(dòng)定位

選擇好待調(diào)整的目標(biāo)閥門后，通過4.1節(jié)的自定義節(jié)點(diǎn)“Adjust MEPValves”即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)閥門的自動(dòng)定位。這里需要注意的是，為使多個(gè)閥門中的每個(gè)閥門都一一進(jìn)行自動(dòng)定位，需要在“Adjust MEPValves”節(jié)點(diǎn)中使用級(jí)別，其使用級(jí)別為@L1，如圖11所示。通過以上方法即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)閥門的自動(dòng)定位。

圖9 閥門定位的Dynamo自定義節(jié)點(diǎn)

圖10 過濾閥門的Dynamo模型

圖11 實(shí)現(xiàn)多個(gè)閥門定位的Dynamo模型

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)本文提供的閥門自動(dòng)定位方法，借助Autodesk Revit 2018及Dynamo for Revit 2.0.2平臺(tái)，對(duì)本文圖1中示意的各種閥門位置及管線長(zhǎng)度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，對(duì)于閥門在水管上的各種位置，本文方法均能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。當(dāng)閥門兩端水管長(zhǎng)度之和小于或等于6m時(shí)，閥門被移動(dòng)到管線的端頭位置，如圖12的情形1、情形2所示，對(duì)比圖1、圖12可知，此兩種情形下，閥門移動(dòng)的方向是往短邊移動(dòng)。當(dāng)閥門兩端水管長(zhǎng)度之和大于6m時(shí)，通過本文方法，保證閥門一側(cè)的管線長(zhǎng)度為6m，如圖12的情形3、情形4所示。對(duì)比圖1、圖12可知，此兩種情形下，通過閥門移動(dòng)確保原長(zhǎng)度接近6m的管道長(zhǎng)度為6m。以上閥門自動(dòng)定位試驗(yàn)結(jié)果即滿足了最大限度利用6m長(zhǎng)原管且盡量減少閥門移動(dòng)調(diào)整量、保持與原設(shè)計(jì)一致性的目標(biāo)。

圖12 閥門自動(dòng)定位試驗(yàn)結(jié)果

表1展示了閥門調(diào)整前后各情形的切管、連管次數(shù)對(duì)比。由表1可知，對(duì)于以上情形1～4，閥門調(diào)整后切管次數(shù)各減少了1次； 除情形3外，連管次數(shù)同樣各減少了1次。情形3例外的原因是其閥門兩端的管道長(zhǎng)度均小于6m，本身無(wú)多余的連管工程量。除此之外，其他情形均能減少1次連管工程量。由以上分析可知，本文提出的管道閥門自動(dòng)定位方法，能一定程度上減少切管、連管工程量，節(jié)約管道連接件，降低施工成本。

表1 閥門調(diào)整前后各情形切管、連管次數(shù)對(duì)比

對(duì)于某實(shí)際工程(某地鐵車站的消火栓系統(tǒng))，對(duì)管道上的蝶閥使用本文方法進(jìn)行自動(dòng)定位，結(jié)果如圖13所示。在本項(xiàng)目中，共篩選并過濾出24個(gè)水平干管上的蝶閥，完成了蝶閥的自動(dòng)定位。蝶閥調(diào)整前后，整個(gè)項(xiàng)目的切管與連管次數(shù)共減少41次。Dynamo程序運(yùn)行流暢，未出現(xiàn)任何錯(cuò)誤警告。經(jīng)此實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證可說(shuō)明，本文提出的基于BIM的管道閥門自動(dòng)定位方法能準(zhǔn)確過濾閥門，實(shí)現(xiàn)閥門自動(dòng)定位的功能，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目來(lái)說(shuō)具備可行性。

圖13 閥門自動(dòng)定位在實(shí)際工程中的應(yīng)用

6 結(jié)論

本文主要闡述了基于BIM技術(shù)的管道閥門自動(dòng)定位的實(shí)現(xiàn)方法。首先通過分析閥門在管道上的位置，明確實(shí)現(xiàn)閥門定位的目標(biāo)；然后借助Dynamo for Revit的可視化編程功能，逐步實(shí)現(xiàn)了Revit中單個(gè)閥門及多個(gè)閥門的自動(dòng)定位；最后通過各種不同的閥門位置及管線長(zhǎng)度對(duì)本方法進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的正確性。進(jìn)一步地，通過某地鐵車站消火栓系統(tǒng)的實(shí)際工程，驗(yàn)證了本文方法的可行性。

本文所提出的基于BIM技術(shù)的管道閥門自動(dòng)定位的實(shí)現(xiàn)方法，簡(jiǎn)單高效，可一定程度減少切管、連管工程量，降低施工成本，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)為BIM技術(shù)及Dynamo可視化編程在閥門定位方面或其他相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一些借鑒。