CN110826130A - Bim建模在异形曲面结构形体设计建造中的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体是一种BIM建模在异形曲面结构形体设计建造中的使用方法；步骤1、前期探索、步骤2、对于原设计图纸查缺补漏，优化图纸、步骤3、参数化运算器程序搭建、步骤4、参数化生成夹具，管道；步骤5、参数化提取大批量的三维空间坐标；步骤6、BIM建模的后续应用。本使用方法通过rhino与grasshopper参数化结合的应用，三维建模软件rhino和其附带的插件grasshopper相结合方式针对在异形曲面结构项目过程中的应用做出全面的分析研究，grasshopper参数化进一步提高建筑设计的高效性和各专业的关联性，它将模型中的定量信息变量化，大大提高了施工管理水平和整体项目质量。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体是一种BIM建模在异形曲面结构形体设计建造中的使用方法。
背景技术
雪车雪橇运动是一种高速的极限运动；其赛道的造型往往具有蜿蜒、扭转登的特点，其整体造型可总结为空间三维扭曲的半开放式管状结构体。按照赛道需要全长低温的要求，在赛道的内部含有双曲面制冷管道、管道支撑夹具和固定支撑夹具的钢筋网骨架。以2020年北京冬奥会的雪车雪橇赛道为例，主赛道的总长1935米，垂直高度落差127米。平均坡度9.8%，最大坡度16%；多变的赛道轮廓赋予建筑动感节奏、给人赏心悦目的同时，增加了赛道搭建过程中测量控制的难度。赛道结构层次设计复杂、精确度要求高,整条赛道的施工精度均要求控制在±5mm，赛道是复杂双曲面结构，平整度要求高；并且赛道所在位置的地形复杂，赛道中心线线型不规则，控制要求高。同时，赛道内的蒸发制冷管赛道排布紧密，安装量大，安装总量约11.9万米，安装定位难度大、成型复杂、焊接作业空间狭小，结构层次复杂，施工难度大，很多施工要求及施工技术均没有现成样板和技术可以参考，因此，该雪车雪橇赛道的建设施工非常缺乏相关施工经验和施工技术的研究。
当前，对于建筑行业的前期设计工作，工程人员普遍会利用BIM技术在计算机中先行模拟施工，从而为后期实际施工采集尽可能多的数据信息。但是就雪车雪橇赛道这种结构非常复杂并且所有支撑结构均需要单独设计、核算的项目来说，传统的BIM技术明显无法快速、高效地完成模拟任务。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种BIM技术的使用方法，其特点在于能够通过制定一系列的逻辑规则，来实现参数化、批量化地对大量需要单独设计、核算的构建进行单独模拟并最终将这些单独构建按需排序从而形成最终所要造型。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
一种BIM建模在异形曲面结构形体设计建造中的使用方法；包括
步骤1、针对项目特点进行前期探索：根据对待建异形曲面结构形体特点的了解，筛选合理的BIM应用软件工具Rhino及grasshopper进行参数化设计，其中，利用Rhino软件在前期进行试验，针对异形曲面结构形体的夹具进行智能编号，加工、安装定位、扫描矫正，材料量的统计，三维坐标数据的提取、管道构件碰撞检查即可视化方案演示方面的应用经验总结，再结合施工现场的实际需求，归纳总结为正式异形曲面结构形体的BIM技术实施方案，有效配合异形曲面结构形体的施工；
步骤2、对于原设计图纸查缺补漏，简化、优化图纸：根据异形曲面结构形体原设计的设计意图，通过与设计方沟通后充分理解图纸设计思路与脉络，抓住设计原理性；对整体的异形曲面结构形体图纸进行系统检查并简化，去除类似标注，无用线条，赘述文字这些BIM深化设计用不到的信息，只保留异形曲面结构形体的每个截面的支撑骨架线条，管道截面信息，定位所需的线条、特征点信息，避免后面导入到BIM软件中影响运算器对所需信息的读取的准确性；把简化后的图纸导入BIM软件中并进一步进行拍平，查重，拆分处理，使导入的图纸信息更加具有唯一性，准确性；最后把导入的图纸按照在赛道中不同结构，不同作用的原则进行归类分组，重新定义新的图层；样便于后面grasshopper运算器分类，分功能读取；
步骤3、参数化运算器程序的搭建：在充分理解原设计的设计思路和意图和不改变原设计的系统原理的原则下，以目标为导向，进行参数化运算器程序的搭建：
步骤3.1、利用读取类型的运算器对导入到Rhino软件中的图纸线条信息、图层信息进行读取，标高信息的输入；
步骤3.2、通过计算类型的运算器组对读取的信息进行计算，通过线条的拟合，剪切，分组，排序，组合，数学的四则混合运算，函数运算，几何运算等计算方法并把计算好的信息传递给下一步；
步骤3.3、通过接收类型的运算器把上一步的计算结果进行整理、分组、优化；经过上一步骤的计算已经得到目标构件的外形轮廓并自动化标注尺寸信息，同时得到构件的长度，体积，重量信息，三维空间特征点的坐标数据，这个阶段同时还得到三维空间虚拟模型，包含夹具，管道，混凝土表皮等可视化模型；
步骤3.4、通过输出类型的运算器组对已经计算好的结果进行输出，坐标数据自动化导出到excel表格中，构件的外形轮廓导出生成dwg图纸中，三维空间虚拟模型成型于Rhino软件中；经过以上步骤，通过改变输入端、读取端的基础数据信息，可以对新的输入数据进行自动化计算，以达到想要的结果；
步骤4、参数化生成夹具，管道：把导入到Rhino软件中的有用信息，经过grasshopper一系列的运算器运算，自动化达到所需的结果，包括三维坐标数据、平面尺寸信息以及图纸，因为是BIM技术在电脑中演化的结果，把输出的图纸用于预制加工图纸，利用激光切割技术，一体成型所需的结构件即夹具，根据导出的平面尺寸信息对加工后的结构件进行复核，保证其制作精细化；由于管道体量巨大，类型多，如蒸发排管、主管、集管、阀站连接管且不同类型工艺要求不同，各关键节点连接复杂，管道排布非常紧密，仅90毫米，通过参数化生成三维模型，对管道依次有序编号，排列安装，模拟不同类型管道节点连接，进行可视化三维模型交底，使之安装有序，焊接不返工，保证一次成型，提高施工效率及质量；
步骤5、参数化提取大批量至少70万个的三维空间坐标：异形曲面结构形体对于施工精度要求非常高，允许误差仅±5mm，整个异形曲面结构形体的安装精度控制关键点在于夹具的正确无误安装，通过Rhino与grasshopper参数化建模方式，精准地提取出实地三维空间坐标，对整个异形曲面结构形体进行精准定位；通过提取夹具上特征点的空间坐标信息，做到安装时有据可循，保证每个夹具精准定位；每道工序施工完成后，都要通过实际测量数据比对参数化提取的数据，保证每道工序后赛道的整体精准性；
步骤6、BIM建模的后续应用：空间异形双曲面结构项目经过参数化应用，使得建筑在参数化设计的本质作用下，系统能够自动维护所有的不变参数；得出的所有结果都是带有信息数据的，随时查看电脑中的每个构件，每个定位信息，并且这些构件是带有参数的，包括得以查看某具体编号构件，点击该构件，可以看到该构件的编号信息，名称信息，尺寸信息，地理位置信息、与其他相临构件的位置关系、该构件的质量、体积、表面积等物理属性信息；服务于赛道BIM运维，使得复杂形体的建筑体更具有管理性。
本发明与现有技术相比所具有的优点或积极效果如下：
传统的BIM应用技术多应用于普通形体简单建筑项目，体现在协调性、优化性，可出图性，可视化性，看似功能齐全，实则有很大限制性，面对空间异形的双曲面结构形体，其组成构件数量繁多，各构件形态不一，常规BIM应用无法探寻其中各构件内在联系，无法深化构件形体，并且针对精度要求高，异形不规则曲面的项目，无法批量提取定位数据，无法在曲面上进行精确快速定位。曲面结构具有起伏多样、富于变化特点，一般的BIM应用无法很好地控制其表面的“形”和“态”的曲率连贯性，无法优化建筑的几何形态。不能美观的可视化表现。
针对此类异形多变空间扭曲的双曲面结构，突破性的应用Rhino（Rhino）软件+Grasshopper参数化组合的BIM应用技术方式，一次打破了传统常规BIM应用的局限性，不可操作性。 Rhino软件在空间异形曲面建模及渲染方面非常出色，基于本项目雪车雪橇赛道本身为空间异形半开放式管状结构，空间内多方向扭曲变化。Rhino配备有模型参数及限制修改插件，为方案的后期修改带来极大的便利；其对数据控制的精度非常高，因此可以通过各种数控成型加工；完成模型后能够输出多种格式，包括二维，三维，及图像，动画等多种格式，同时对硬件的要求非常（很）低，操作上也相对简单易上手。Rhino软件拥有NURBS（NURBS曲面）的优秀建模方式，也有网格建模，从而建立出的模型更加逼真、优美的可视化模型。搭配多种开放性插件，更能的体现BIM技术在项目中的应用。无疑用Rhino软件作为本项目应用的是最好的选择。
Grasshopper（简称GH）是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，是目前设计类专业参数化设计方向的入门软件。与传统建模工具相比，GH的最大的特点是可以向计算机下达更加高级复杂的逻辑建模指令，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果。通过编写建模逻辑算法，机械性的重复操作可被计算机的循环运算取代；同时可以向设计模型植入更加丰富的生成逻辑。无论在建模速度还是在水平上较传统的工作模式，都有较大幅度的提升。本工程全面应用GH，充分体现了参数化的高效性、精确性、全面性等优势。调用自带功能组合，结合众多功能插件，逐个实现项目需求。全场的赛道建模工作，1300套支撑夹具的深化设计，70多万个夹具安装定位坐标，近12万米管道深化优化，智能分段工作均由Rhino+Grasshopper参数化配合完成。
本发明所揭示的全新的BIM应用技术模式很好地解决了空间双曲面异形结构，精度要求高的种种难题。是非常适合此类建筑项目的BIM应用模式。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
本发明设计一种利用BIM技术更高效的、更先进的管理异形多曲面的建筑项目设计和实施的方法，具体是一种BIM建模在异形曲面结构形体设计建造中的使用方法；
其步骤如下：
（1）针对项目特点进行前期探索：根据对赛道特点的了解，筛选合理的BIM应用软件工具Rhino+grasshopper参数化，利用Rhino软件在前期进行试验，针对夹具智能编号，加工、安装定位、扫描矫正，材料量的统计，三维坐标数据的提取、管道构件碰撞检查，可视化方案演示等方面的应用经验总结，再结合施工现场的实际需求，归纳总结为正式赛道BIM技术实施方案，有效配合赛道的施工。
（2）对于原设计图纸查缺补漏，简化优化图纸：根据赛道原设计设计意图，通过与外方设计师跨国远程视频沟通，聘请外方专家现场指导，我们充分理解图纸设计思路与脉络，抓住设计原理性。对整体的赛道图纸进行系统检查，并进行简化，去除类似标注，无用线条，赘述文字等BIM深化设计用不到的信息，只保留赛道每个截面的支撑骨架线条，管道截面信息，定位所需的线条、特征点信息，避免后面导入到犀牛软件中影响运算器对所需信息的读取的准确性。把简化后的图纸导入犀牛软件中，并进一步进行拍平，查重，拆分等简单处理，使之导入的图纸信息更加具有唯一性，准确性。最后我们把导进来的图纸按照在赛道中不同结构，不同作用的原则进行归类分组，重新定义新的图层。这样便于后面grasshopper运算器分类，分功能读取。
（3）参数化运算器程序的搭建（设计的核心内容）：在充分理解原设计的设计思路和意图和不改变原设计的系统原理的原则下，以目标为导向，进行参数化运算器程序的搭建，搭建分为几个大步骤，1.利用读取类型的运算器对导入到犀牛软件中的图纸线条信息，图层信息进行读取，标高信息的输入；2.通过计算类型的运算器组对读取的信息进行计算，通过线条的拟合，剪切，分组，排序，组合，数学的四则混合运算，函数运算，几何运算等计算方法并把计算好的信息传递给下一步；3.通过接收类型的运算器把上一步的计算结果进行整理，分组，优化。经过上一步骤的计算已经得到目标构件的外形轮廓并自动化标注尺寸信息，同时得到构件的长度，体积，重量等信息，三维空间特征点的坐标数据，这个阶段同时还得到三维空间虚拟模型，包含夹具，管道，混凝土表皮等可视化模型。4.通过输出类型的运算器组对已经计算好的结果进行输出，坐标数据自动化导出到excel表格中，构件的外形轮廓导出生成dwg图纸中，三维空间虚拟模型成型于（bake）犀牛软件（3dm格式）中。经过以上步骤，通过改变输入端、读取端的基础数据信息，可以对新的输入数据进行自动化计算，以达到我们想要的结果。
（4）参数化生成夹具，管道：把导入到犀牛软件中的有用信息，经过grasshopper一系列的运算器运算，自动化达到我们所需的结果（三维坐标数据，平面尺寸信息以及图纸）。因为是BIM技术在电脑中演化的结果，我们把输出的图纸用于预制加工图纸，利用激光切割技术，一体成型我们所需的结构件（夹具），根据导出的平面尺寸信息对加工后的结构件进行复核，保证其制作精细化。
管道体量巨大，类型多（蒸发排管、主管、集管、阀站连接管）且不同类型工艺要求不同，各关键节点连接复杂，管道排布非常紧密，仅90毫米，通过参数化生成三维模型，对管道依次有序编号，排列安装，模拟不同类型管道节点连接，进行可视化三维模型交底，使之安装有序，焊接不返工，保证一次成型，提高施工效率及质量。
（5）参数化提取大批量（约70万个）的三维空间坐标：雪车雪橇赛道对于施工精度要求非常高，允许误差仅±5mm，整个赛道的安装精度控制关键点在于夹具的正确无误安装，通过犀牛+grasshopper参数化建模方式，可以精准的提取出实地三维空间坐标，对整个赛道进行精准定位。通过提取夹具上特征点的空间坐标信息，做到安装时有据可循，保证每个夹具精准定位。每道工序施工完成后，都要通过实际测量数据比对参数化提取的数据，保证每道工序后赛道的整体精准性。
（6）BIM成果应用：空间异形双曲面结构项目经过参数化应用，使得建筑在参数化设计的本质作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。得出的所有结果都是带有信息数据的，随时查看电脑中的每个构件，每个定位信息，并且这些构件是带有参数的，例如，可以查看***号构件，点击该构件，可以看到该构件的编号信息，名称信息，尺寸信息，地理位置信息、与其他相临构件的位置关系、该构件的质量、体积、表面积等物理属性信息。服务于赛道BIM运维,使得复杂形体的建筑体更具有管理性。
本发明与现有技术相比所具有的优点或积极效果
传统的BIM应用技术多应用于普通形体简单建筑项目，体现在协调性、优化性，可出图性，可视化性，看似功能齐全，实则有很大限制性，面对空间异形的双曲面结构形体，其组成构件数量繁多，各构件形态不一，常规BIM应用无法探寻其中各构件内在联系，无法深化构件形体，并且针对精度要求高，异形不规则曲面的项目，无法批量提取定位数据，无法在曲面上进行精确快速定位。曲面结构具有起伏多样、富于变化特点，一般的BIM应用无法很好地控制其表面的“形”和“态”的曲率连贯性，无法优化建筑的几何形态。不能美观的可视化表现。
针对此类异形多变空间扭曲的双曲面结构，突破性的应用Rhino（犀牛）软件+Grasshopper参数化组合的BIM应用技术方式，一次打破了传统常规BIM应用的局限性，不可操作性。 Rhino软件在空间异形曲面建模及渲染方面非常出色，基于本项目雪车雪橇赛道本身为空间异形半开放式管状结构，空间内多方向扭曲变化。Rhino配备有模型参数及限制修改插件，为方案的后期修改带来极大的便利；其对数据控制的精度非常高，因此可以通过各种数控成型加工；完成模型后能够输出多种格式，包括二维，三维，及图像，动画等多种格式，同时对硬件的要求非常低，操作上也相对简单易上手。Rhino软件拥有NURBS的优秀建模方式，也有网格建模，从而建立出的模型更加逼真、优美的可视化模型。搭配多种开放性插件，更能的体现BIM技术在项目中的应用。无疑用Rhino软件作为本项目应用的是最好的选择。
Grasshopper（简称GH）是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，是目前设计类专业参数化设计方向的入门软件。与传统建模工具相比，GH的最大的特点是可以向计算机下达更加高级复杂的逻辑建模指令，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果。通过编写建模逻辑算法，机械性的重复操作可被计算机的循环运算取代；同时可以向设计模型植入更加丰富的生成逻辑。无论在建模速度还是在水平上较传统的工作模式，都有较大幅度的提升。本工程全面应用GH，充分体现了参数化的高效性、精确性、全面性等优势。调用自带功能组合，结合众多功能插件，逐个实现项目需求。全场的赛道建模工作，1300套支撑夹具的深化设计，70多万个夹具安装定位坐标，近12万米管道深化优化，智能分段工作均由Rhino+Grasshopper参数化配合完成。
全新的BIM应用技术模式很好地解决了空间双曲面异形结构，精度要求高的种种难题。是非常适合此类建筑项目的BIM应用模式。
Claims (1)
1.一种BIM建模在异形曲面结构形体设计建造中的使用方法；其特征是：包括
步骤1、针对项目特点进行前期准备：根据对待建异形曲面结构形体特点的了解，筛选合理的BIM应用软件工具Rhino及grasshopper进行参数化设计，其中，利用Rhino软件在前期进行试验，针对异形曲面结构形体的夹具进行智能编号，加工、安装定位、扫描矫正，材料量的统计，三维坐标数据的提取、管道构件碰撞检查即可视化方案演示方面的应用经验总结，再结合施工现场的实际需求，归纳总结为正式异形曲面结构形体的BIM技术实施方案，有效配合异形曲面结构形体的施工；
步骤2、对于原设计图纸查缺补漏，简化、优化图纸：根据异形曲面结构形体原设计的设计意图，通过与设计方沟通后充分理解图纸设计思路与脉络，抓住设计原理性；对整体的异形曲面结构形体图纸进行系统检查并简化，去除类似标注，无用线条，赘述文字这些BIM深化设计用不到的信息，只保留异形曲面结构形体的每个截面的支撑骨架线条，管道截面信息，定位所需的线条、特征点信息，避免后面导入到Rhino中影响运算器对所需信息的读取的准确性；把简化后的图纸导入Rhino中并进一步进行拍平，查重，拆分处理，使导入的图纸信息更加具有唯一性，准确性；最后把导入的图纸按照在赛道中不同结构作用，不同作用类型的原则进行归类分组，重新定义新的图层；这样便于后面grasshopper运算器分类，分功能读取；
步骤3、grasshopper运算器中参数化程序的搭建：在充分理解原设计的设计思路和意图，同时不改变原设计的系统原理的原则下，以设计目标为导向，进行参数化运算器程序的搭建：
步骤3.1、利用读取类型的运算器对导入到Rhino软件中的图纸线条信息、图层信息进行读取，标高信息的输入；
步骤3.2、通过计算类型的运算器组对读取的信息进行计算，通过线条的拟合，剪切，分组，排序，组合，数学的四则混合运算，函数运算，几何运算等计算方法并把计算好的信息传递给下一步；
步骤3.3、通过接收类型的运算器把上一步的计算结果进行整理、分组、优化；经过上一步骤的计算已经得到目标构件的外形轮廓并已经自动化标注好尺寸信息，同时得到构件的长度，体积，重量信息，三维空间特征点的坐标数据，这个阶段同时还得到三维空间虚拟模型，包含夹具，管道，混凝土表皮等可视化模型；
步骤3.4、通过输出类型的运算器组对已经计算好的结果进行输出，坐标数据自动化导出到excel表格中，构件的外形轮廓导出生成dwg图纸中，三维空间虚拟模型成型于Rhino软件中；
步骤3.5、经过以上四个步骤，再次通过改变输入端、读取端的基础数据信息，可以对新的输入数据进行自动化计算，这样就自动化完成新的一轮内部计算及成果输出，以达到另外一组全新的坐标数据、图纸、虚拟模型；
步骤4、参数化生成夹具，管道：把导入到Rhino软件中的有用信息，经过grasshopper一系列的运算器运算，自动化达到所需目标结果，包括三维坐标数据、平面尺寸信息以及图纸，因为是BIM技术在电脑中演化的结果，把输出的电子版图纸用于预制加工，利用激光切割技术，一体成型所需的结构件即夹具，根据导出的平面尺寸信息对加工后的结构件进行复核，保证其制作精细化；由于管道体量巨大，类型多，如蒸发排管、主管、集管、阀站连接管且不同类型工艺要求不同，各关键节点连接复杂，管道排布非常紧密，仅90毫米，通过参数化生成三维模型，对管道依次有序编号，排列安装，模拟不同类型管道节点连接，进行可视化三维模型交底，使之安装有序，焊接不返工，保证一次成型，提高施工效率及质量；
步骤5、参数化提取大批量至少70万个的三维空间坐标：异形曲面结构形体对于施工精度要求非常高，允许误差仅±5mm，整个异形曲面结构形体的安装精度控制关键点在于夹具的正确无误安装，通过Rhino与grasshopper参数化建模方式，精准地提取出实地三维空间坐标，对整个异形曲面结构形体进行精准定位；通过提取夹具上特征点的空间坐标信息，做到安装时有据可循，保证每个夹具精准定位；每道工序施工完成后，都要通过实际测量数据比对参数化提取的数据，保证每道工序后赛道的整体精准性；
步骤6、BIM建模的后续应用：空间异形双曲面结构项目经过参数化应用，使得建筑在参数化设计的本质作用下，系统能够自动维护所有的不变参数；得出的所有结果都是带有信息数据的，随时查看电脑中的每个构件，每个定位信息，并且这些构件是带有信息的，包括可以查看某具体编号构件，点击该构件，可以看到该构件的编号信息，名称信息，尺寸信息，地理位置信息、与其他相临构件的位置关系、该构件的质量、体积、表面积等物理属性信息；服务于赛道BIM运维，使得复杂形体的建筑体更具有管理性。
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