基于BIM 技術(shù)的剪力墻邊緣構(gòu)件參數(shù)化設計研究

陸海燕 楊 靜 魯麗華

(沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

前言

邊緣構(gòu)件的設計決定著結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和經(jīng)濟性，是剪力墻結(jié)構(gòu)設計的核心。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的要求，剪力墻需要設置約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件，如圖1 和圖2 所示［1-2］，這兩種邊緣構(gòu)件的形狀、配筋區(qū)域、配箍率和配筋率均不同。規(guī)范給出的剪力墻邊緣構(gòu)件形狀非常簡單，而實際工程中的剪力墻邊緣構(gòu)件幾何尺寸和配筋是千變?nèi)f化的。常規(guī)的剪力墻邊緣構(gòu)件設計是首先手工進行邊緣構(gòu)件截面輪廓設計，再根據(jù)計算結(jié)果和規(guī)范要求確定縱筋面積和體積配箍率，進而結(jié)合構(gòu)造要求確定出縱筋和箍筋?？梢娂袅吘墭?gòu)件的設計是一件較繁瑣的、重復極高的體力勞動，且手工設計的結(jié)果有時是不經(jīng)濟，甚至是不安全的。目前，專業(yè)的結(jié)構(gòu)設計軟件提供的邊緣構(gòu)件自動化設計率不高，只適用于簡單的情況。

圖1 剪力墻的約束邊緣構(gòu)件

圖2 剪力墻的構(gòu)造邊緣構(gòu)件

BIM 技術(shù)是建筑技術(shù)和計算機信息化發(fā)展的產(chǎn)物，BIM 對建筑的描述不再是一種簡單的、沒有明確含義的點、線、面和體，而是具有明確建筑意義的、數(shù)字化的實體對象。BIM 采用對象模型來描述和表現(xiàn)現(xiàn)實世界中紛繁復雜的建筑構(gòu)件，BIM模型除了幾何數(shù)據(jù)外，更有大量的工程數(shù)據(jù)。因此BIM 模型中的三維模型與那些用于表現(xiàn)效果的三維模型或Autocad 二維設計模型，有著本質(zhì)的區(qū)別，具體表現(xiàn)在可視化設計、各專業(yè)協(xié)同設計和建筑信息化方面。BIM 中的信息化，可以將建筑相關(guān)的專業(yè)有效地結(jié)合在一個平臺下，如建筑設計中立項審批、建筑設計、施工、監(jiān)理、造價和管理部門的竣工驗收等均可在BIM 平臺下進行，這對于促進行業(yè)的規(guī)范發(fā)展、提高建筑業(yè)的信息化管理水平具有重要意義［3-5］。

在BIM 環(huán)境下實現(xiàn)剪力墻邊緣構(gòu)件涉及到混凝土和鋼筋兩部分內(nèi)容，目前的BIM 軟件尚無法提供基于對象的剪力墻邊緣構(gòu)件設計。本文結(jié)合工程實踐、提出剪力墻邊緣構(gòu)件參數(shù)化設計模型，通過對Autocad 和Revit 二次開發(fā)，增加了邊緣構(gòu)件生成輪廓、自動進行優(yōu)化選筋，在Revit 上進行了程序?qū)崿F(xiàn)，并將其應到實際工程中。

1 剪力墻邊緣構(gòu)件參數(shù)化設計模型

邊緣構(gòu)件設計主要是輪廓構(gòu)形和配筋的設計，邊緣構(gòu)件的設計除要滿足承載力要求所需要的鋼筋面積外，還要滿足在繁雜的工程中剪力墻布置的多樣性，因此邊緣構(gòu)件的輪廓和配筋是千變?nèi)f化的［6-7］。通過對結(jié)構(gòu)設計規(guī)范有關(guān)條文的深入理解，并充分考慮到結(jié)構(gòu)設計和施工的可行性與方便，結(jié)合以往的工程設計經(jīng)驗和參數(shù)化設計思想，我們對剪力墻邊緣構(gòu)件設計做如下規(guī)定:

(1)剪力墻軸線交匯處定義為節(jié)點，在節(jié)點處應設置邊緣構(gòu)件。對于一字型剪力墻，其兩端需設置一字型的邊緣構(gòu)件，一字型邊緣構(gòu)件又可以定義為肢。

(2)邊緣構(gòu)件可以看作是肢通過節(jié)點的連接而組成的組合體，即可以是單節(jié)點，也可以是多節(jié)點的。

(3)在邊緣構(gòu)件中，肢和肢的交匯區(qū)域定義為邊緣構(gòu)件的節(jié)點核心域，節(jié)點和節(jié)點之間的肢定義為邊緣構(gòu)件的主肢。

(4)節(jié)點核心區(qū)是根據(jù)剪力墻邊線在節(jié)點處的位置關(guān)系自動形成的，編程時節(jié)點核心區(qū)按逆時針排序，節(jié)點按順時針排序。

(5)邊緣構(gòu)件的縱筋分布在節(jié)點核心域和各肢上。縱筋種類不宜過多，以不超過兩種為宜，較大直徑的鋼筋可考慮布置在節(jié)點核心區(qū)內(nèi)、主肢端部。

(6)主肢和肢箍筋按如下原則確定:肢厚度為200 -250mm 時為兩肢箍、肢厚度為300 -500mm 時為三肢箍。

圖3 肢參數(shù)化設計模型

根據(jù)上述原則，可構(gòu)造出如圖3 -5 所示邊緣構(gòu)件肢參數(shù)化設計模型、單節(jié)點參數(shù)化設計模型和多節(jié)點參數(shù)化設計模型。參數(shù)化模型中肢的功能是完成單肢的優(yōu)化配筋，進而完成邊緣構(gòu)件的配筋。肢的參數(shù)為核心區(qū)參數(shù)和非核心區(qū)參數(shù)，核心區(qū)的參數(shù)包括:尺寸、縱筋需求、配箍率需求;非核心區(qū)參數(shù)包括:保護層厚度、尺寸、縱筋需求、配箍率需求。

2 Revit 軟件二次開發(fā)

Revit 軟件是Autodesk 公司基于BIM 理論開發(fā)出來的，現(xiàn)已成為業(yè)內(nèi)廣泛使用的BIM 軟件。用戶可以通過Revit API 來編程完成錯誤檢測、獲取工程數(shù)據(jù)、導入外部數(shù)據(jù)來創(chuàng)建新的族、自動創(chuàng)建Autodesk Revit 產(chǎn)品文檔等工作［8-11］。通過對Revit 對象和類的了解，下面用編程實現(xiàn)創(chuàng)建基于Revit 的邊緣構(gòu)件族模型，使用Revit API 的流程如圖6所示。

了解了Revit API 的使用方法和流程后，我們就可以使用Revit API 和C#中的編碼實現(xiàn)創(chuàng)建邊緣構(gòu)件族插件的開發(fā)。目前的Revit 軟件還沒有提供創(chuàng)建邊緣構(gòu)件的族樣本，為解決含有鋼筋的邊緣構(gòu)件參數(shù)化建模問題，我們提出兩階段解決方案。第一階段通過Revit 提供的結(jié)構(gòu)柱樣板本創(chuàng)建異形柱，再用異形柱代替剪力墻邊緣構(gòu)件的方法來解決不含鋼筋的邊緣構(gòu)件建模問題;第二階段解決邊緣構(gòu)件族與鋼筋族的融合問題，其基本思路是先參數(shù)化創(chuàng)建邊緣構(gòu)件族，然后將創(chuàng)建的族加載到項目并創(chuàng)建實例，最后在實例中參數(shù)化創(chuàng)建鋼筋，具體過程見圖7。邊緣構(gòu)件中每一個模型對象，對于代碼來講就是一個模塊，建模的思維即是將代碼模塊結(jié)構(gòu)化的邏輯思維，典型邊緣構(gòu)件建模代碼如下。

Transaction transaction=new Transaction(_rvt-Doc，"External Tool");

transaction.Start();

//獲取Excel 數(shù)據(jù)

string str=@"C:UsersAdministratorDesktop剪力墻模數(shù)據(jù).xls";

MSExcel.Application app=null;

MSExcel.Workbook wb=null;

MSExcel.Worksheet ws=null;

app=new Microsoft.Office.Interop.Excel.Application();

wb=app.Workbooks.Open(str，false，Type.Missing);

//創(chuàng)建族

Extrusion pSolid=createSolid();

modifyFamilyParaValue();

transaction.Commit();

//族加載及創(chuàng)建實例

Transaction tran=new Transaction(m_Document，"myTransaction");

tran.Start();

m_Document.LoadFamily(@"C:UsersAdministratorDesktop邊緣構(gòu)件.rfa");

getColumnType();

Autodesk.Revit.DB.Structure.StructuralType structuralType=Autodesk.

Revit.DB.Structure.StructuralType.Column;

FamilyInstance column=m_Document.Create.

NewFamilyInstance(point，columntype，topLevel，structuralType);

tran.Commit();

//創(chuàng)建族的鋼筋

Transaction trans=new Transaction(m_Document，"事務");

trans.Start();

IFrameReinMaker maker=null;

maker=new ColumnFramReinMaker(command-Data，column);

maker.Run();

trans.Commit();

代碼編寫完畢之后，在C#中編譯“生成”創(chuàng)建邊緣構(gòu)件的插件。打開Revit 并新建一個項目，單擊菜單“附加模塊”一一“外部工具”，此對話框如圖8 所示。

單擊圖8 中的" Add -In Manager (Manual Mode)"，然后加載在C#中生成的.dll 文件，加載文件對話框如圖9 所示。

單擊圖9 中的“打開”，出現(xiàn)如圖10 所示的對話框，選中創(chuàng)建邊緣構(gòu)件插件名稱。

單擊圖10 中的“Run"，就可以創(chuàng)建邊緣構(gòu)件。

圖8 添加外部工具對話框

3 實施方案

為了實現(xiàn)邊緣構(gòu)件參數(shù)化設計，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法，分別對Autocad 及Revit 進行二次開發(fā)，以Excel 表格作為數(shù)據(jù)儲存及補充輸入工具，并結(jié)合參數(shù)化模型，在PKPM、Autocad、Excel 和Revit 多平臺軟件上完成邊緣構(gòu)件設計。實施方案見流程圖11，具體步驟如下:

(1)首先通過CAD 二次開發(fā)識別得到二維剪力墻平面布置圖中的剪力墻信息，結(jié)合前述邊緣構(gòu)件參數(shù)化模型形成邊緣構(gòu)件的外輪廓，并將參數(shù)值(邊緣構(gòu)件尺寸)寫入到Excel 中。

(2)再將SATWE 軟件的剪力墻邊緣構(gòu)件計算結(jié)果轉(zhuǎn)成CAD 文件，通過CAD 二次開發(fā)得到邊緣構(gòu)件計算的配筋需求，將獲得的配筋需求通過自編程序轉(zhuǎn)化為鋼筋直徑和數(shù)量，結(jié)果存入到Excel 中與前述邊緣構(gòu)件尺寸對應的位置。

(3)在CAD 平臺上，通過邊緣構(gòu)件參數(shù)化模型得到各邊緣構(gòu)件的配筋方案，并將結(jié)果存入到Excel中。通過Revit 二次開發(fā)，編程讀取Excel 的邊緣構(gòu)件信息(尺寸及配筋參數(shù))，在Revit 軟件上完成邊緣構(gòu)件建模。如果模型存在問題，則將問題返回到Excel，修改Excel 里相應地方的數(shù)據(jù)在重新建模。

(4)采用人工交互式方式在Revit 中對邊緣構(gòu)件配筋進行調(diào)整和碰撞檢驗。

(5)提取BIM 模型中剪力墻邊緣構(gòu)件信息，生成二維CAD 剪力墻邊緣構(gòu)件平面布置圖及配筋表，并給出詳細的計算書。

(6)通過Revit 二次開發(fā)，編程提取BIM 模型中剪力墻邊緣構(gòu)件信息，生成邊緣構(gòu)件材料用量表。

圖11 實施方案流程圖

4 某高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件設計

某高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓，地上23 層，抗震等級為三級，設計中采用HRB400 鋼筋，混凝土的強度等級為C30 -C40，結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖12 所示。本工程設計時，剪力墻軸壓比小于0.3 的部位設置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，底部加強區(qū)軸壓比大于0.3 的部位設置約束邊緣構(gòu)件，邊緣構(gòu)件縱筋可以采用兩種，且級別差不大于2 級，邊緣構(gòu)件最大肢距不大于200mm，單節(jié)點邊緣構(gòu)件之間間距小于300mm 時，合并成多節(jié)點邊緣構(gòu)件，邊緣構(gòu)件箍筋間距可取值為100mm、120mm、150mm 和200mm，約束邊緣構(gòu)件采用箍筋組合，構(gòu)造邊緣構(gòu)件采用箍筋和拉筋組合，結(jié)構(gòu)計算采用SATWE 軟件，BIM 建模軟件采用Revit 2014 版本。采用本文提出的參數(shù)化設計方法進行設計，結(jié)果見圖13，由于引入優(yōu)化選筋算法和BIM 可視化設計，使得邊緣構(gòu)件配筋量明顯較小，配筋結(jié)果合理、且方便施工。據(jù)業(yè)主方統(tǒng)計邊緣構(gòu)件鋼筋損耗小于1.5%，而成本核算中的鋼筋損耗值為2%，可見采用本方法是可行的。

圖12 某高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓平面布置圖

5 結(jié)語

本文通過對Autocad 及Revit 進行二次開發(fā)，并結(jié)合參數(shù)化模型，在Satwe、Autocad、Excel 和Revit多平臺軟件上完成了邊緣構(gòu)件參數(shù)化設計。實踐工程應用表明，本文提出的基于BIM 的邊緣構(gòu)件參數(shù)化設計方法有廣泛的適應性，可大大提高設計質(zhì)量，節(jié)省工程成本。通過本文的研究可知:

(1)參數(shù)化設計是解決BIM 與實際工程相結(jié)合的重要手段，通過參數(shù)化建模方式既可以解決建筑結(jié)構(gòu)設計中復雜力學要求和規(guī)范構(gòu)造要求，也可以解決Revit 族庫的建立，極大地提高BIM 的建模效率。

(2)利用Revit 提供的API 函數(shù)對Revit 進行二次開發(fā)可以更好地完善和拓展Revit 的功能，以適應實際工程復雜多樣的特點。

(3)BIM 技術(shù)工能強大，BIM 模型涵蓋了建筑生命周期中的所有信息，因此一個軟件平臺是無法完成BIM 模型的建立的，它需要有多平臺軟件共同協(xié)作來完成。

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