BIM技术应用：4.2.3参数化建模特征

(1)关联式结构

当设计师在一栋建筑物的参数化模型中放置了一面墙时,可与墙关联的包括其曲面边界、其底座平面、其终端紧邻的、与其任何对接的墙和控制其高度的楼板曲面,这些都是参数化结构中用管理更新的所有关系。当设计师在墙上置放窗户或门时,也是在定义窗户(或门)与墙的另外一种关联的关系。同样在管路布线时,定义接头是否为螺纹连接、对接焊接或有无凸缘和螺栓是很重要的。数学中的关系(Connection)称为拓扑(Topology),拓扑和几何不同,相对于几何来说,对于建筑模型的表示形式至关重要,它是嵌入参数化建模的一种基础定义。

其他种类的关系对参数化配置也是基本的。由混凝土包裹的钢筋是混凝土的一部分骨架是墙的一部分,家具包含在一个空间对象中。聚合(Aggregation)是“部分”关系的总称,是一种广义的关系,用于取得对象,并在所有BIM设计系统中能以自动或手动的方式进行管理。聚合常被用于将空间组合成为部分,部分组合成程序集,将单件组合成部分命令,将单件组合成为架设顺序。规则可以与聚合有所关联,例如,构件的属性如何从零件属性中导入而来。

关联具有三个重要信息:什么可以被连接或是聚合物的一部分;某些关联具有一个或多个特征(例如一个关联修改与它连接的零件);关联的属性。

关系是BIM模型规则中很重要的一部分,可以决定零件之间定义的规则类型。作为设计的对象也很重要,通常需要规范或详细说明。没有一个BIM设计工具会清楚地定义允许和不允许的关系,它们可能被嵌入在文档中,以特定的方式被定义,因此用户必须自己厘清。在建筑设计BIM应用中关系很少被定义为明确的元素,但在建造BIM应用中,它们是被明确定义的元素。据调查所知,BIM应用中尚未支持对拓扑关系的详细研究。

(2)属性

以对象为基础的参数化模型解决了几何学和拓扑学上的问题,但它们若要被其他装置解读、分析、估价和采购的话,还需要带有各式各样的特性(Attribute)。

属性(Property)会在建筑物生命期的不同阶段起到作用。例如,设计属性强调空间域的概念,空间包括居住、活动,以及用于能耗分析的设备性能。区域(空间的聚合)由处理温控和载荷的属性来定义。建筑中不同的系统要素都有自己特有的属性,用于定义结构的、热的、力学的、电气的、管道的性能等。此外,属性也包含用于采购的材料的品质与规格。例如,在制造阶段,对材料的规格要求可能细致到包括螺栓、焊缝等连接的规格。在工程的竣工阶段,属性还包含建筑运营与维护所需的信息和资料。

BIM提供了在工程生命期中管理和集成这些属性的环境。然而,用以创建和管理它们的工具近些年才开始被发展和集成到BIM环境中。属性很少被单一使用,一个照明应用程序需要材料颜色、反射系数、镜面反射指数,以及可能的纹理和凸凹的贴图。对于准确的能量分析,墙需要一组不同的属性集,因此属性被适当地组织成群组,并与某些功能相关联。不同对象与材料的属性集是构成BIM集成环境的一部分。由于产品供应商不提供属性集,需要用户或用户所在公司结合以往经验自行设定,或从一些事先定的库中获取。支持一般性的模拟和分析工具的属性集,尚未形成使用标准,仍完全由用户自行设定。

当前BIM平台默认为对大多数对象提供极少的预设属性,但提供扩充属性设定的能力。用户或应用工具必须为每个相关对象添加属性,以便用于模拟、成本估计和分析,并且必须对它们用于各项任务的适合性进行管理。因不同应用程序对相同功能所需要的属性和单位可能稍有不同,就会使管理属性集变得有问题,如能源和照明。一套应用程序至少有三种的方式去管理属性:

①在对象库中预先定义它们,因此当对象个体被创建时,它们也随随之被添加到设计模型中。

②用户在需要时,从储存的属性库中添加到应用程序中。

③当属性从一个程式库被导出到一个分析或模拟的应用程序时,根据索引或编码自动分配属性。

支持不同类型应用程序的对象属性集和适当的对象分类库的发展,在北美施工规范协会(Construction Specification Institute of North America)和其他国家规范组织的努力下,已经成为一个广泛的议题。代表特定商业建筑产品的对象和属性的建筑构件模型资料库,是隐藏在BIM环境中管理对象属性背后的一个重要部分。

(3)工程图的生成

建筑信息模型中,对象(构件)个体,如形状、属性和在模型中的位置等信息只能被表示一次。根据建筑对象(构件)个体的排列,所有图纸、报表和资料集都可以被提取。由于这种非重复的建筑表现方法,如果是从同一版本的建筑模型中取得,则所有的图纸报告和分析资料集都会保持一致,此种功能可以解决重大的错误来源。在正常的2D建筑图中,任何更改或编辑都必须由设计师手动转换到多个绘图视图中,由于没有更新所有工程图,可能导致潜在的认为错误。在预制混凝土施工中,基于二维工程图的做法已经被证实由于错误会导致耗费约1%的建设成本。

建筑绘图使用的并不是正交投影图,而是建筑平面、剖面、立面,以及用在不同系统中的纸张上,这些系统一般用复杂的图例集以图形方式记录设计信息。这包括对某些实体对象的符号描绘,平面图上除了线条粗细和批注说明之外,一般用虚线来表示隐藏在剖面线背后的几何构件。在设计的不同阶段,机械、电气和管道系统(MEP)通常在不同的设计阶段以不同的方式呈现,这些不同的转换需要BIM设计工具具备图纸信息提取能力,通过嵌入强大的格式和规则来实现。此外,有些设计公司往往会采用自定义的绘图规则,这些规则需要添加到程序的内建工具中,这些问题会影响模型如何在工具中被定义以及工具如何进行配置来提取图纸。

内建图纸的定义规则部分取自于对象的定义,对象具有相关联的名称和注释,在某些情况下,如线条的粗细等则是由对象库中所携带的视图属性来定义的。对象的位置也有含义,如果将对象放置于网格的交点或墙端,就代表是尺寸的位置,这是其标注在图纸中的原因。相对于被参数化控制的其他对象,以梁为例,其长度跨于可变的支撑端上,那么图纸生成的程序将不会自动标注梁的跨度尺寸,除非系统指定要在图纸生成时标注该梁的长度。某些系统储存与对象剖面相关的注释,以达到较佳的配置,这些注释通常需要调整。其他的注释视细节为一个整体,如名称、比例和一般附注,它们都必须与整体细部相关联。图纸集中还包含建设地的位置图,用以显示这栋建筑物在地面上相对于地理空间坐标的放置点。一些BM设计软件具有强大的地理坐标规划能力,但有些则没有这个功能。当前BIM设计工具的功能几乎已达到自动化图纸提取功能,但还不能100%实现自动化。

大多数建筑物包含成千上万个构件,从主要的构件梁、柱、墙、楼板、地基等到天花板、踢脚板甚至是建筑用钉子等。人们通常会认为某些类型的对象不值得建模,不过它们仍然必须在图面上被描述,才能够被正确地施工。BIM设计工具提供了由3D模型中定义的细节程度(有选择性地关闭某些对象)来提取剖面视图的方法,如果需要的话还可以移动其位置。然后在此剖面图上以人工详细地绘制所需的木块、挤压件、防水条、沥青等,并为绘制该详细剖面图提供相关文字说明。在大多数系统中,细节描述与切断的剖面有关联,当剖面中的3D元素更改时,它会自动更新剖面图,但必须以手动的方式更新手写字信息。(www.xing528.com)

当前最主要的目标是尽可能实现图纸的自动生成,因为多数初始设计的成本取决于自动化程度,未来要实现建筑生产过程中各参与方全部应用BIM技术,到那时将不再需要图纸,就可以直接以模型作业,并逐渐转移到无纸化的工作方式。

(4)可扩展性

许多用户会遇到的一个问题是可扩展性。项目模型太大,实际使用时遇到规模尺度的问题,使得操作变得迟缓,以至于即使是简单的操作都会费劲。建筑模型占据大量的计算机内存空间。大型建筑物可以包含数以百万计的对象,每个对象形状不同。可扩展性受该建筑物大小(比如地板面积)和模型详细程度的影响。如果对于每个钉子和螺钉都建模,那么甚至一座简单的建筑都可能会遇到可扩展性问题。

参数化建模整合了将一个对象的几何参数或其他参数与其他对象的参数相关联的设计规则。这些规则形成一个关系层次:包含对象参数的关系、对等对象的关系,调整一个对象的形状来回应另一个对象的变化,控制网格和曲面之间的层次关系,这种层次关系能够确定组相关联的对象的位置和形状参数。虽然内置对象和类似对象关系可以局部更新,层次结构规则的传播可能会导致整个建筑的更新。局部的参数化规则传播只对模型做出合理的要求,然而一些系统架构限制了层次结构规则集的传播管理能力。此外,很难将项目分割成部分单独开发并且仍然管理一系列层次规则的一个项目。

内存的大小是一个问题,对象形状上的所有操作必须在内存中进行。管理参数更新的简单解决方案是在内存中执行该命令,这挑战了可扩展性并且限制了可有效编辑的项目模块的大小。但是如果规则可以跨文件传播(在一个文件中更新的对象可以导致传播到其他文件的自动更新),项目的大小限制便会消失,只有少数专门针对建筑的BIM设计应用程序拥有方法来管理跨多个文件的参数化变更传播。我们把必须在内存中进行所有对象更新的系统称为基于内存的系统,当模型变得太大而无法在内存中进行时,虚拟内存交换由此产生,这可能会导致大量的等待时间。其他系统有传播关系和跨文件更新的方法,并且可以在编辑操作的过程中打开、更新和关闭多个文件,这些称为基于文件的系统。基于文件的系统一般对于小项目来说较为缓慢,但随着项目规模的增长其下降速度也非常缓慢。

针对工作分享和限制自动更新规模,用户将项目分割成模块是一种行之有效的方法,使用参考文件来限制编辑的功能。如果一个项目的层次关系不会导致全局项目的变化,这些工作可以完成得很好,一些BIM工具会加上这些限制。随着计算机运行速度的提高,内存和处理的问题自然会缓解。64位处理器和操作系统也将提供很大的帮助。然而更详细的建筑模型和更大的参数规则集会有平行处理的要求,可扩展性问题还需要一段时间来解决。

(5)对象管理和链接

①对象管理

完整的BIM模型会变得相当庞大和复杂,大容量模型越来越常见,这种情况下,资料协调与管理(或称为“同步”)将成为一个大型资料管理的任务和议题。传统的使用文件管理工程案例的方法会导致以下两种问题。

a.文件会变得很大,并且工程案例必须以某种方式被切割,以允许继续设计下去且每个文件都很大、速度慢且烦琐。

b.文件更改仍然依靠人工管理,被取代的部分以红色的标记标识在图面上,并用三维PDF或其他类似的文档来做注释。传统上,由于再次对施工阶段的资料进行重大变更会产生庞大的费用,因此是不允许这样做的。BIM和模型管理应该消除或大量减少此类问题,虽然参数化更新可以解决局部更改的问题,不同模型的协调管理以及它们所衍生的用于调度、分析、报告的资料仍然是一个重要且日益上升的问题。

另一个应了解的功能是,当文档中只交换新的、修改的或删除的对象实例的功能,以及消除未修改对象的无价值部分时,在生成图纸的环境中才被提出此问题,例如Archicad的Delta BIM服务器只传送更改过的对象并导入它们称为增量更新,这大大减小了交换文件的大小,并允许立即识别和定位变更问题。这种功能需要在对象级别上,进行于对象标识和版本控制,通常由时间戳来提供。在未来系统的所有版本中,它将成为一种“必须”存在的功能,用来协调多个BIM应用。

②外部参数管理

在大量的创新项目中逐渐探索出来控制设计的几何布局的功能,这是基于在电子表格中生成和定义的控制参数(通常是一个三维网格)。对于某些类型的项目,能够读取和写入电子表格的功能保证不同的设计工具之间有一定的互操作性。假设可以在两个不同的模型环境(如Rhino和Bentley)中使用相同的参数控制几何来建立等效参数化模型。Rhino是一个友好的但是信息有限的设计工具,可以使用它来进行设计探索;然后,在Bentley建筑软件中更新参数,并且允许在BIM工具中整合这些变更,而这些BIM工具可能有成本或能耗分析的功能。电子表格能够保证几何交互性达到较高的水平。

参数列表的外部电子表格的另一个用途是通过引用的方式而不是直接的方式来交换参数化对象。最有名的案例是钢结构。如今以数字形式呈现的钢结构手册,对于不同的钢结构执行不同的标准规范文件。在钢结构手册中,可以使用这些文件名称来检索文件,重量和质量特性。类似的配置文件可用于预制混凝土制品、钢筋和一些窗口制造商目录。如果每一个发送者和接收者都访问相同的目录,那么他们可以通过引用(名称)来导出和检索相关信息,并且通过检索适当的目录信息然后把它加载到这一部分适当的参数化模型之中来交换信息。在许多生产领域中,这是非常重要的功能。

③链接到外部目录文件

参数化建模的另一个重要的功能是提供外部文件的链接。如今这种功能的主要用途是连接产品及其相关的维护和操作手册,为了之后设施的运行和维护相关联(运营与维护阶段)。有些BIM工具可以提供这种功能,它们通过在运营与维护阶段提供支持来增强作为一种工具的价值。