基于BIM的参数化设计策略研究

李 纯 庞思雨

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 研究背景

BIM 技术不只是简单的信息模型，而是通过建立、使用、分享建筑物全生命周期数据信息，来改良设计、施工、运维的工作流程[1]。伴随着建筑业的高速发展，设计领域正在经历从二维设计到三维设计再到 BIM 协同设计的发展过程。传统的二维设计只是在特定视图角度来表达设计构思，而基于计算机的辅助设计，是以构件为对象的参数化设计，能够提高设计效率，缩短设计周期。

许多学者对参数化设计进行了探索，肖汝诚等把几何实体的尺寸定义为相互关联的参数，在几何实体之间建立拓扑约束关系，得到由初始参数操控的几何模型[2-4]。马岩松利用参数精确控制建筑物的旋转角度[5]。王风涛等基于高级几何学的原理，对复杂建筑设计的技术基础—计算机辅助设计软件的参数化、算法等进行了深入研究[6]。

目前，参数化设计相对来说是一个全新的概念[7-10]，高校研究大多停留在理论阶段。在BIM设计过程中，设计人员往往不了解软件的运行机制，导致所建立的信息模型无法实现参数控制，并且很难用于下阶段工作。以京张高铁为例，介绍基于BIM的参数化设计策略，以期为参数化设计方法的广泛应用提供借鉴和帮助。

2 参数化设计工具

2.1 参数化设计软件

广义上的参数化设计软件包含以 AutoCAD 为代表的一系列传统制图软件，其内部运行方式已经实现了参数控制(点、线、面元素在软件内部都以参数的形式存储，并按一定的逻辑执行)。然而，这些传统制图软件仍然需要依靠设计人员的主观判断来完成设计任务，计算机只是作为设计工作的最终环节(执行绘图)，没有参与到真正意义的设计过程当中[11]。

根据不同的开发层次和面向对象，不同的参数化设计软件也有着不同的逻辑和操作界面。从逻辑层面，可将参数化设计软件分为三类(如图1所示)。

图1 从逻辑层面分类参数化设计软件

其中，流程关系是指基于信息传递的拓扑关系。树形层级结构是指建模过程中，将建模逻辑通过树形的分支结构和层层展开的关系用于几何体的构建。属性关联逻辑是通过软件定义的模型属性，如Revit软件将建筑领域的轴线、墙体、门窗、结构等构件的属性开放给设计者，其几何逻辑已经被隐藏在建筑构件的属性之中[6]。

虽然可以利用软件表达原有的二维设计参数，但是由于专业的差异化，这种方式并不具有普适性。利用自主研发等方式开展参数化设计需要设计人员具备丰富的设计经验、图形图像学及计算机IT技术，实现的门槛较高。而可视化编程技术可较好地解决这一矛盾。这种设计方式不仅具备传统制图软件的绘图能力，还可以演绎包含数学、计算机图形学和各种算法的设计逻辑拓扑关系，设计人可以据此建立和控制具有复杂几何关系、包含各类参数信息的数字几何模型。利用可视化编程工具可以直观反映信息的传递路径，准确操控模型生成。

2.2 参数化设计

首先定义设计逻辑，形成设计逻辑拓扑关系；继而通过调整设计参数，驱动模型生成或变化。每一处变化都有可能传递到其他构件，所以需要定义构件的更新顺序，即信息传递顺序。传统设计需根据设计原则进行大量的重复性工作，难免出现差错。传统的设、校、审流程是在结果上纠错，其效率较低；而参数化设计定义了信息的传递顺序，相当于在建模规则的制定过程中加入纠错环节，大大降低了出错概率。

以LOD300级隧道工程模型中系统锚杆模型为例，对参数化设计流程进行介绍(见图2)。

图2 参数化设计开展

①Set range：设置工作范围；

②Load Section.xls：参考Excel文件，导入隧道断面信息及支护参数信息；

③Cul lim L：通过支护参数和断面信息计算系统锚杆布置参数；

④Get SB asCell：生成单个断面的系统锚杆，建立对应单元文件；

⑤Load CEN：导入隧道中线信息，计算控制里程；

⑥Creat Systembolt：建立系统锚杆模型；

⑦Export：输出系统锚杆文件。

2.3 信息的定义和传递

图3 箭线图

由节点和连线及箭头组成的图形可以称之为“箭线图”(见图3)。连接箭尾部的前节点和箭头部后节点，所形成的路径或链条可展示节点触发的顺序(即信息传递流程)。

参数化建模中，节点包含了名字和属性信息。如“p.X”表示点p的X(属性)值，可利用约束表达式得到对应值(如表1所示)。

表1 约束表达式

约束表达式使得节点属性继承了其上序节点所包含的相关属性。因此，用某个属性或对应表达式都可以指向该属性值，这就是“箭线图”中“连线”的含义。系统让属性及其表达式随着属性值的变化而变化，系统随时会求解每个属性中表达式的值，来保持箭线图中各节点的一致性。在这个过程中，应按顺序先求解出所有的上序节点，再求解目标节点[12]。

锚杆模型参数化设计的简化箭线图如图4所示。

图4 系统锚杆模型箭线图

3 策略研究

3.1 逻辑复制

(1)必要性分析

如果把目前的设计成果定格在某一节点，之前的设计过程可以称为“历史上的设计”，之后设计上的变化称为“未来的设计”。复制其设计逻辑的拓扑关系可称为捕捉“历史上的设计”，即将这一过程还原成可编辑的形式，通过修改变量参数重新演绎设计过程。因此，“未来的设计”可以通过“历史上的设计”推演而来[12]。

CAD采用了复制、剪切和粘贴等一般概念，可以通过设计元素的复制和复位，将构件的擦除与添加两种操作相结合，以快速应对设计的变动。“复制、剪切和粘贴”之所以能在传统设计中左右逢源，是因为传统设计中各个构件是独立的。然而，传统设计中的模型不易修改，而且越复杂的模型，改动的工作越繁重(即使改变一处尺寸，也需要调整很多其他的构件)，极大地限制了设计工作的开展。

参数化设计方式可以通过设定构件的关联关系，形成一个系统并输出设计内容；通过对输出结果的观察和选择，编辑系统内的关联关系，修改设计内容，将设计人员从单调乏味的重复性工作中解放出来，专注于设计思维的探索。

(2)可行性分析

以京张铁路崇礼支线正盘台隧道为例。正盘台隧道是典型的山岭隧道，主洞全长约13 km，根据地层岩性及隧道埋深，将隧道划分为支护参数不同的100余段。使用“逻辑复制”策略，按里程遍历隧道主洞所有围岩级别，分别生成模型并组装(如图5所示)。

图5 隧道所有围岩级别系统锚杆模型箭线图

复制隧道系统锚杆模型的布设逻辑，应用于如隧道超前小导管模型等其他隧道模型当中，形成符合交付要求的完整隧道模型(如图6、图7所示)。

图6 隧道所有围岩级别组装模型箭线图

图7 隧道系统锚杆模型和超前小导管模型

3.2 延迟深化

(1)必要性分析

在前期设计过程中，设计人员更关心的是个别几个控制点的数据。因此，可以通过参数化设计手段先计算控制点的精确数据，后期再构建精细模型。

如著名的伦敦滑铁卢国际终点站，站房顶棚采用玻璃幕墙结构(长400 m，宽30～50 m)，玻璃幕墙屋顶结构包含尺寸不同但结构相似的36个三铰拱，由于屋顶两侧为不对称布置，使得各拱的宽度随屋顶宽度的变化而变化。设计者没有一一设计各个拱的模型，而是建立了同一类参数化模型，通过定义参数变化规律、确定约束关系，建立参数化模型。设计过程中，可以随时修改参数；方案稳定之后，再通过对结构的准确定位，创建尺寸各异的36个三铰拱的精细模型(见图8)。

图8 伦敦滑铁卢国际终点站参数化设计模型

(2) 可行性分析

以清华园隧道为例。清华园隧道为盾构隧道，根据交付要求，建立LOD200级、LOD300级和LOD400级模型(如图9所示)。

图9 清华园隧道LOD200级模型

根据线路走向及盾构井分割，利用参数化设计软件细化管片排布(如图10所示)。

图10 利用参数化设计软件完成管片排布

图11 管片排布模型

最后，通过更新单元的方式建立精细化模型。利用参数化设计支持延迟深化，按照设计流程逐步深化模型(见图11、图12)。

图12 清华园隧道精细化模型

3.3 条件预判

(1)必要性分析

理论上，参数化设计中的条件预判属于生成设计的范畴，它的设计构思来源于约束条件和规则，而结果则是通过系统自动生成，具有不可预测性[13]。生成工具包括三部分：模型、算法、软件。根据模型判断设计输入条件，编程语言表达不同的算法，算法和模型运行的结果又通过软件以模型的方式呈现，从而在一定程度上实现自动设计。

(2)可行性分析

以京张铁路隧道衬砌设计为例，根据参数化的逻辑拓扑关系，结合线路模型、地质模型(如图13所示)进行条件预判，形成设计输入条件。

图13 沿线路模型建立的地质模型

在地质专业建模过程中，依据二维地质资料建立三维地质模型(加入了地层属性及参数信息)，再根据线路模型，在地质模型中提取所需位置的地质参数信息并进行设计。操作过程是将线路中线投影至原地面，利用投影线和线路中线建立纵断面曲面模型，提取地层信息，自动计算埋深，在参数化设计软件中自动计算隧道衬砌厚度，并根据线路模型和限界条件生成隧道衬砌模型。

3.4 控制简化

(1)必要性分析

模型的参数控制就是通过一个简单、独立的模型来控制整个模型或是模型的一部分，以方便设计人员更改模型。

模型参数控制简化的关键在于对主要模型的分离。将分离模型的输出项连接到主要模型的输入项，这样的分离模型就是所谓的控制器。控制器可直接调节想要改变的模型参数(可以是模型中的提取出的参数，也可以是变量形式的参数)。提炼参数控制器是主要模型的简化版，可以控制一些次要的细节；变形参数控制器可改变设计者与模型交互的方式。当模型的某一个属性改变时，设计者可以用控制器将这个变化与模型关联起来。另外，控制器与模型仅存在最低限度的关联，并且可以根据需要随时切断连接或是恢复连接。控制器简洁的分离性是其最显著的特点(见图14)。

图14 控制器箭线图示意

(2)可行性分析

以京张铁路桥梁工程为例，桥面上将布置挡砟墙、竖墙、遮板、人行道盖板，以及接触网支柱、声屏障基础等附属设施。京张铁路桥梁工点众多，可以按照同一个设计逻辑的拓扑关系，分别建立不同种类的附属设施模型，但工作量巨大。

在参数化软件中添加一个控制器，挂接不同附属设施模型的单元及布设参数，可以利用一套设计逻辑拓扑关系将多种附属设施单元文件分别放在不同的里程处，完成桥梁附属设施模型构建(见图15)。

图15 利用参数化设计软件建立控制器

同时，可以设置相应的参数变化，实现设计过程的调整参数(如图16所示)。

4 结束语

利用参数化设计策略，不但可以准确地展示设计意图，而且可以有效地提高设计效率。参数化设计正逐渐成为推动三维协同设计发展的重要技术手段。

图16 设计过程中的参数调整