基于建筑設計教學的構件族庫開發
——以幕墻族為例

(福建工程學院 建筑與城鄉規劃學院，福建 福州 350118)

族(family)是Autodesk Revit軟件(以下簡稱Revit)中包含通用屬性參數集和相關圖形表示的圖元組合[1]。作為其中最主要的組成部分，構件族是Revit用以搭建BIM模型的基礎元素。近年來，隨著建筑學設計類課程越來越廣泛而深入地應用建筑信息模型技術(以下簡稱BIM)，構件族資源不足成為具有代表性的新教學問題之一。

建筑設計教學中應用BIM主要采用從方案設計到成果交付的全流程均在BIM三維環境下完成的正向設計模式。由于設計過程不確定性大，各個階段面對的設計需求復雜多變，修改變更次數多，因此對構件族在數量和質量上都提出了更高的要求。然而，現有族庫資源無法滿足設計需求，學生需要花費大量時間和精力制作自定義構件族，這大大影響了建模效率和設計進度；又由于學生工程知識儲備和對BIM技術理解的不足，他們只關注模型外觀的建模而忽略了其構造關系和屬性信息的完善，模型“徒有其表”，低質量、重復性建?，F象嚴重，課程訓練的目的無法達到，對BIM的理解和應用停留在較淺層次。所以，基于這些因素，開發適合建筑設計教學的構件族庫已迫在眉睫。

1 研究現狀

事實上，族庫開發一直是建筑行業BIM應用和研究的熱點之一，但由于相關國家級規范的缺位，盡管開發主體眾多，教學中可以借鑒或利用的資源卻十分有限。目前的族庫資源以Revit自帶族庫和第三方商業族庫的免費部分(以族庫大師、構件塢、鴻業族庫等為代表)為主，存在著標準混亂、種類不全、檢索不便、屬性信息不完善等問題。理論研究則主要集中在標準制定、管理工具開發、具體工程構件族建模技術等方面。任偉等[2]概要性地論述了基本功能、族分類、族命名、族類別定義等勘察設計行業族庫建設的基本思路，許志堅等[3]探討了基于正向設計需求的族庫管理工具的開發要點，陳蕾[4]研究了基于我國標準的族開發需要添加的部分參數類型和建模要求。孫小鵬[5]、D.Y.Li[6]等分別提出了基于類型學方法的中國傳統建筑構件的分類和族構件建模方法，王鵬[7]、J.Lee[8]等研究了復雜結構和形狀構件的參數化建模方法。James D. Goedert等[9]研究了族屬性參數整合施工階段信息的步驟和方法。以上研究為基于行業需求的族庫開發積累了一定的技術和經驗，但基于建筑設計教學特點和需求的族庫開發思路和建模方法的研究基本空白。因此，本文將從建筑設計教學角度，提出族庫的開發思路和開發標準，并以幕墻族為例闡述具體開發中的建模方法和技術性細節。

2 基于建筑設計教學的構件族庫開發

2.1 開發思路

基于建筑設計教學兼具正向設計和教學展示需求的特點，構件族庫開發思路如下：

1.類型完整性。族庫應能涵蓋建筑設計涉及的主要構件類型，尤其是設計教學中需求量較大的、與方案設計和造型相關的構件的種類和數量應相對齊全，在設計中經過簡單參數設置后即可調用，從而提高建模效率，降低軟件使用門檻，讓學生將更多的精力用于解決設計問題。

2.使用便捷性。首先，族的分類和命名方式應簡潔明了并有一定的規律，能簡明描述構件主要特征，便于快速檢索與查看；其次，族在族樣板選擇、類型劃分、參數設置等方面應綜合考慮設計和建模習慣，并將常用類型預設在族中，方便族載入項目后直接調用，減少操作步驟；第三，復雜構件應由若干標準化的零部件嵌套組成，通過排列組合、參數約束滿足多樣化的設計需求；第四，族的三維與二維表達應符合國家相關標準，確保圖模一致，減少二次加工。

3.模型重用率。模型完成后應能直接用于出圖、算量、性能分析等多種BIM應用場景，避免重復建模。所以族三維模型和二維圖示的幾何信息應圖模一致且符合國家相關標準，非幾何信息的種類和內容設置應綜合考慮多個專業的應用需求。

4.過程集成性。建筑設計涉及的構件種類龐雜且處在不斷的演變中，不可能通過一次開發一次性完成，因此族庫建設必然是一個不斷集成、完善的過程：首先，集成現有族庫資源，根據制定的開發標準完善命名方式和屬性參數，并擬定待開發內容清單，重點補充缺漏的構件類型，形成涵蓋常用建筑構件及其基礎信息的基礎構件庫，再根據具體的應用需求逐步完善屬性信息或補充新的構件類型。

具體流程詳見圖1。

2.2 開發標準

2.2.1 組織架構

一般意義上的構件族是通過rfa文件格式存儲幾何和非幾何屬性的可載入族。但對建筑專業而言，某些重要且經常調用的屬性信息(如材質、各部位裝修的工程做法等)無法在rfa文件中體現，不做統一規劃將極大地影響建模效率和質量。因此，族庫開發內容在主體的構件族庫基礎上還應包含工程做法庫和材質庫兩個部分，并存儲在項目樣板中，方便設計時調用。前者通過設置墻、板、天花、屋面等系統族的結構參數表達內外裝修做法的構造層次，后者則從材質命名、圖示表達、物理參數設置三個方面進行梳理，用以支撐構件族和工程做法中材質信息的標準化。

在具體分類上，設計中常用的建筑構件主要包括建筑專業的門、窗、幕墻、欄桿、建筑柱、家具、衛浴裝置、專用設備、場地設施等9大類，結構專業的柱、梁2大類，以及兩個專業可共用的輪廓族。各大類下的子類別按照不同幾何屬性細分，如門類別下的平開門、推拉門、旋轉門、卷簾門等，個別類別(如防火門)則按照設計習慣單獨列出。工程做法庫按建筑內外裝修部位分為墻面、樓地面、頂棚、屋面、室外場地和道路6大類，再按照《工程做法》(2008年建筑結構合訂本)、《室外工程》(12J003)、《平屋面建筑構造》(12J201)等標準圖集中的做法分類細分。材質則根據材質類型(如鋼筋混凝土、鋼、木等)和功能部位(如保溫材料、防水材料等)進行分類。具體分類見表1。

圖1 族庫開發流程Fig.1 Development process of the family library

大類子類重點開發內容構件門平開門、推拉門、旋轉門、折疊門、地彈門、門聯窗、防火門、卷簾門、裝飾門、門洞、門構件門聯窗窗固定窗、平開窗、推拉窗、組合窗、百葉窗、懸窗、凸窗、天窗、防火窗、裝飾窗、窗洞、天窗、弧形窗幕墻嵌板(普通、門窗)、構件除玻璃幕墻外的其他類型嵌板欄桿嵌板、欄桿欄板、支座欄板建筑柱中式、西式家具床、桌、椅、柜、其他衛浴裝置常規衛浴、無障礙衛浴、衛浴附件專用設備設施電梯、扶梯、鋼梯、排水溝、集水坑、指示標記、電器、其他排水溝、集水坑場地設施臺階、坡道、排水溝、散水、市政、停車、體育、配景、其他臺階、坡道、散水、配景柱鋼筋混凝土、鋼、木梁鋼筋混凝土、鋼、木、輪廓墻(分隔條、裝飾條)、踢腳、屋面(檐溝、封檐板、壓頂)、欄桿扶手、樓板(邊緣、壓型鋼板)、樓梯(前緣、踏板)、幕墻(豎梃、構件)、其他欄桿扶手、幕墻輪廓工程做法內(外)墻面基墻、清水墻、抹灰、涂料、面磚、石材、裝飾板、壁紙、吸聲樓地面基板、水泥混凝土、水磨石、地磚、橡膠、石材、涂層、木、防靜電、室內運動場、地下室底板、其他頂棚抹灰刮膩子、涂料、吸聲、纖維板、金屬屋面平屋面(卷材涂膜防水、倒置式、種植、蓄水、架空)坡屋面(塊瓦、瀝青瓦、波形瓦)室外場地灰土、沙土、粘土細砂、爐渣、塑膠、人造草坪、天然草坪道路瀝青、混凝土、花崗巖、燒結磚、透水磚、花磚、橡膠規范命名方式、構造層次、材質及其厚度

續表1

2.2.2 命名規則

構件的命名主要依據相關規范、國標圖集中的制圖深度要求，此方面已有較為成熟的研究成果[10]，在此不再贅述。工程做法的命名以上述標準圖集中的命名方式為基礎，按照“做法編號(或部位)-做法內容-性狀特征”的格式命名，如地6A-彩色混凝土面層-110。材質按照“類別-性狀”格式命名，如鋼筋混凝土-C30、乳膠漆-白色。族、嵌套族中的材質參數的命名方式，應與項目樣板中的材質庫保持一致，才能在載入項目后正常顯示相關性狀。

2.2.3 模型細度

當前的模型細度(LOD，level of development)規范強調適度原則，即模型只包含會被實際應用的BIM信息，并在此基礎上盡量簡化模型，提高模型運行性能。在建筑設計教學中，課程設計的深度要求以方案設計為主，畢業設計等部分達到施工圖深度的設計除建筑學專業內設計內容外，主要涉及需與其他專業協同的負荷計算、結構計算、工程算量等內容。因此本次開發的總體模型細度定為LOD300，但局部細節可根據實際需求酌情增減。具體而言，重點表達形狀、尺寸和位置等三維幾何信息，在精細顯示模式下還應表達必要的內部組成及其構造關系，部分構造細節(如安裝螺栓、滴水等)可酌情忽略或用二維圖示表達。構件的二維視圖不能只是三維構件的簡單投影，應根據《建筑工程設計文件編制深度規定》和《房屋建筑制圖統一標準》的規定，對不同顯示精度的圖示重新繪制。非幾何信息主要包括表達構件建筑功能的基本參數(如材料和材質參數、設備參數、型號、防火等級等)和滿足各種應用需求的擴展參數(如結構計算所需的密度、抗壓、抗拉、抗剪、抗彎強度等力學參數，節能計算所需的導熱系數、遮陽系數等物理參數)。有標準型號或構造做法的還應錄入相關標準或圖集編號及頁碼，方便查詢驗證。

2.3 建模方法——以幕墻族為例

幕墻是工程中常用的外裝修做法，對建筑造型和外觀起著重要的影響作用，也是建筑設計教學中最常使用的族構件之一。同時，幕墻是由金屬骨架與多種板材組合而成的復合構件，種類繁多且構造復雜。幕墻族的建模涉及屬性信息處理、族嵌套、復雜參數設定、二維視圖表達等多種典型性問題，其建模方法對其他構件族開發具有較強的借鑒意義。

在Revit中，幕墻族被定義為一種特殊類別的墻，由幕墻網格表達立面分割尺寸，再在此基礎上由豎梃和嵌板族分別表達幕墻實體中的橫、豎龍骨和面板。為了表達更精細的構造關系，嵌板還會嵌套一些幕墻構件族(如門窗拉手、抓點接駁件等)組成復合部件。幕墻整體、幕墻網格和豎梃都屬于系統族，無法直接在族環境中編輯，幕墻形式的改變主要是通過創建和編輯嵌板族、輪廓族(用以改變豎梃形式)和構件族這三類族達到的。

2.3.1 開發內容

現有族庫資源中的幕墻族，以玻璃幕墻系列為主，能基本滿足該類型幕墻的設計建模需求。但其它種類幕墻構件族基本空白，且幕墻構件種類較少，無法達到LOD300表達細度的深度。因此，本次開發將重點擴充除玻璃幕墻外的其他幕墻類型族及其構件族的種類和數量。

除玻璃外，幕墻按照面板材料的不同，可分為金屬幕墻、石材幕墻、人造板材幕墻等類型[11]，工程中常用的幕墻類型可進一步細分為干掛石材幕墻、鋁(蜂窩)板幕墻、纖維增強水泥平板幕墻、陶土板幕墻等[12]。另外，U型玻璃、玻璃磚、木掛板等外裝修做法雖然不屬于嚴格意義上的幕墻，但也可以通過幕墻族加以模擬。各幕墻外裝修做法類型及其主要參數指標詳見表2。

表2 常用幕墻外裝修做法幾何形狀信息匯總表

2.3.2 幕墻族的創建

幕墻構件的幾何形狀、規格、材料種類繁多，借助參數化思維和方法，可將其簡化為幾何和非幾何兩類屬性信息分別處理。首先將幾何形狀信息歸納為若干具有代表性的幾何原型，選擇適當的族樣板創建基礎三維構件及其二維圖形表達，并與相關尺寸建立約束驅動關系；然后，根據嵌板參數的規律和種類劃分若干類型，將對應的幾何信息和非幾何信息以設置或關聯的形式分類錄入，即可形成各類構件族。以下以較復雜的嵌板族為例具體說明。

2.3.2.1 幾何模型的創建

由于立面規格已由幕墻網格表達，因此嵌板最重要的幾何信息是截面形狀和相關尺寸。由表1可知，嵌板的截面形狀可歸納為矩型、中空矩型、波浪型、披疊板、U型五大類。前四類使用拉伸建模工具，創建截面形狀并關聯寬度、厚度等參數后即可生成幾何構件。U型玻璃則較為復雜，按照構件組合方式共有六種外墻類型，見圖2。綜合權衡使用便捷性和建?？刹僮餍缘纫蛩?，分單排和雙排兩種幾何原型建模。其中，單排以相鄰兩塊U型玻璃做為一個嵌板單元，通過添加可見性參數控制正反兩個方向U型玻璃的可見性，并以上下和左右偏移參數控制玻璃單元的相對位置。雙排則以上下兩塊相對的U型玻璃為一個嵌板單元，通過在上下和左右偏移參數的公式中使用條件語句if，配合代表類型的參數模擬三種構件組合方式(見圖3)。端頭處嵌板創建方式與對應的常規嵌板方法類似，僅需將構件斷面由U型改為L型，此處不做贅述。

二維表達上，粗略和中等顯示模式下的平、立、剖面按照制圖習慣表達， U型玻璃和玻璃磚按玻璃表達，石材、金屬等實體面板幕墻僅表達完成面的外邊界，不顯示龍骨和構件；精細模式面板、龍骨和構件均按三維實體輪廓顯示，用于墻身和節點大樣。

圖2 U型玻璃外墻構造類型Fig.2 Structure types of U-shaped glass exterior walls

圖3 U型玻璃嵌板族參變示意Fig.3 Parametric indication of U-shaped glass panels

2.3.2.2 幾何模型的參數化

設計中幕墻類型的選擇常以面板材料和截面尺寸作為依據，因此族類型也以這兩種參數進行劃分和命名。幕墻選型在前期需進行消防、結構、節能等計算流程，后期會涉及施工算量、材料統計、造價分析等應用，因此具體參數詳見表3?？墒褂妙愋湍夸洿鎯ΤＳ米孱愋?，便于在使用時只載入需要的類型，減少模型冗余。

表3 嵌板常用參數表

續表3

3 結語

開發基于建筑設計教學的構件族庫的意義，不僅局限在為特定的設計教學提供技術性支撐，其三維可視化、動態參數化的特點，能很好地彌補傳統圖紙和實體模型類教學案例不直觀或信息量少的不足，作為一種新型的教學案例資源為整個建筑學教學所共享。隨著族庫應用的深入，可以將族庫的開發與課程教學更緊密地結合，通過機制設計使以教師為主的開發模式轉變為師生共同開發的模式，讓學生從被動的選擇型應用轉變為主動的開發型應用，在設計與族開發的深度融合中體會BIM技術的內涵，將課程成果轉化為教學資源，實現族庫良性的可持續更新。