基于Revit二次曲面網(wǎng)殼參數(shù)化建模的研究

丁曉宇 王子茹

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

·計算機技術(shù)及應(yīng)用·

基于Revit二次曲面網(wǎng)殼參數(shù)化建模的研究

丁曉宇 王子茹*

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

針對Revit二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)問題，使用C#編程語言和API類庫，結(jié)合JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，開發(fā)出了單層二次曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計插件，實現(xiàn)了二次曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在Revit視圖中的自動生成。

Revit，二次開發(fā)，二次曲面網(wǎng)殼，參數(shù)化設(shè)計

0 引言

網(wǎng)殼是一種空間桿系結(jié)構(gòu)，具有造型優(yōu)美、受力合理、造價低等特點，備受建筑師青睞，多用于體育場館、會展中心等公共建筑物中[1]。常見網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式有圓柱面網(wǎng)殼、球面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼、橢圓拋物面網(wǎng)殼等。該結(jié)構(gòu)節(jié)點和桿件數(shù)量巨大，但傳統(tǒng)的設(shè)計方法仍是以手工建模為主。近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機及相關(guān)軟件在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[2,3]，尤其是建筑信息模型(BIM)技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了網(wǎng)殼設(shè)計及施工的效率[4]。

作為BIM重要建模軟件之一的Revit，因具有友好的界面和便捷的使用性及參數(shù)化設(shè)計理念，成為應(yīng)用研究的熱點。文獻(xiàn)[5]通過對Revit Structure進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了單層球面網(wǎng)格的參數(shù)化生成。文獻(xiàn)[6]闡述了如何利用概念體量進(jìn)行空間網(wǎng)架的建模和工程量統(tǒng)計。從已有文獻(xiàn)看，Revit二次曲面網(wǎng)殼設(shè)計主要是依賴于菜單欄命令，對于需要處理大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)的網(wǎng)殼模型工作量大且易出錯。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)殼建模過程，應(yīng)用Revit API實現(xiàn)具有對橢圓拋物面、雙曲拋物面等網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的快速建模功能。

1 程序開發(fā)設(shè)計流程

本文基于Visual Studio2010程序設(shè)計平臺，使用C#編程語言，通過API 接口對建模功能實現(xiàn)擴展。程序開發(fā)主要分成兩部分，建模功能的實現(xiàn)及用戶界面的生成。

1.1 建模過程

Revit二次開發(fā)要遵循API的應(yīng)用流程，程序設(shè)計步驟如圖1所示。創(chuàng)建模型的過程在Execute()方法里實現(xiàn)。通過XYZ()確定節(jié)點坐標(biāo)，ReferencePointArray()創(chuàng)建并儲存節(jié)點和CurveByPoints()函數(shù)創(chuàng)建桿系軸線，完成基本模型的繪制。

1.2 界面生成

通過IExternal Command接口派生類，在OnStratup和OnShutup函數(shù)里創(chuàng)建Ribbon控件，實現(xiàn)在工具欄“附加模塊”中添加下拉按鈕功能。用戶可以通過點擊按鈕輸入控制參數(shù)完成網(wǎng)殼模型創(chuàng)建。

該插件共定義三種常用單層二次曲面網(wǎng)殼模型類，包括橢圓拋物面、雙曲拋物面及對數(shù)拋物面(見圖2)。因此在用戶界面中創(chuàng)建三組下拉菜單，根據(jù)桿件布置的不同，每組菜單中包含2種～3種網(wǎng)殼形式。

2 二次曲面參數(shù)化模型構(gòu)建

2.1 幾何描述與控制參數(shù)

以雙曲拋物面為例(如圖3所示)，雙曲拋物面是由一直母線(AD)沿兩條交叉的兩直導(dǎo)線(AB，CD)運動，運動中所有素線始終平行某一導(dǎo)平面(平面Q)而形成的曲面[7]。如果能在曲面上找到若干個等分點，取為節(jié)點，通過桿件連接就可以最大程度擬合雙曲拋物面網(wǎng)殼骨架。

如圖3所示，根據(jù)雙曲拋物面的成形可知，控制一個雙曲拋物面網(wǎng)殼的主要幾何參數(shù)有：直導(dǎo)線水平投影ab長(a)、導(dǎo)線間距離水平投影寬ad(b)、矢高Aa，Cc(f1，f2)及劃分網(wǎng)格數(shù)(Kn，Kx)。

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)行JGJ 7—2010空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程，雙曲拋物面分為桿件沿直紋布置和桿件沿主曲率布置兩種，本文以桿件沿主曲率布置為例詳細(xì)介紹該網(wǎng)殼幾何建模方法。

2.2.1 節(jié)點坐標(biāo)創(chuàng)建

根據(jù)規(guī)程單層雙曲拋物面網(wǎng)殼跨度不宜大于60 m，限制兩條導(dǎo)線長度及距離。以矢高為跨度1/2～1/4為設(shè)計基準(zhǔn)控制基線空間表達(dá)式的斜率及節(jié)點坐標(biāo)間距。

兩條基線空間表達(dá)式為：

AB：z=k1x。

其中，k1=f1/a(0≤x≤a)。

CD：z=k2x+c。

其中，k2=-f2/a，c=f2(0≤x≤a)。

按照設(shè)計要求將AB，CD兩條導(dǎo)線等分，等分?jǐn)?shù)為Kn，則每條導(dǎo)線上節(jié)點數(shù)為Kn+1。其他節(jié)點可以通過導(dǎo)線上各節(jié)點依次連線后定量等分各線段得到。

for (xctr=0;xctr

{

for (yctr=0;yctr

{

z1=f1/a*xctr;

z2=-f2/a*xctr+f2;

zctr=(yctr-y1)*(z2-z1)/(y2-y1)+z1;

XYZ hyp_xyz=new XYZ(xctr,yctr,zctr);

yctr=yctr+b/M;

ReferencePoint ep=doc.FamilyCreate.NewReferencePoint(hyp_xyz);

a[i, j]=ep;

}

xctr=xctr+a/N;

}

2.2.2 桿件創(chuàng)建

自適應(yīng)構(gòu)件是一種可以靈活變形而又保持構(gòu)件之間相互關(guān)系的族模型。通過自適應(yīng)族手動創(chuàng)建自適應(yīng)桿件。桿件參數(shù)包括：鋼管厚度t，內(nèi)徑d，外徑D，鋼管型號及材料特性等信息。桿件模型如圖4所示。

桿件沿主曲率布置的桿件類型分為：左斜桿件、右斜桿件及沿曲率方向桿件，如圖5所示。在生成節(jié)點程序中，已經(jīng)通過a[i,j]記錄節(jié)點坐標(biāo)并將各節(jié)點編號。

1)左斜桿件，首先判斷該節(jié)點是否為第i行最后一個節(jié)點，判斷為否，則a[i,j]節(jié)點與a[i,j+1]節(jié)點相連。判斷為是，循環(huán)跳到i+1行重復(fù)命令。

2)右斜桿件，判斷該節(jié)點是否為第j列最后一個節(jié)點，判斷為否，則a[i,j]節(jié)點與a[i+1,j]節(jié)點相連。判斷為是，循環(huán)跳到j(luò)+1列重復(fù)命令。

3)沿曲率方向桿件，從第i行第二個節(jié)點開始，a[i,j]節(jié)點與a[i+1,j-1]節(jié)點相連。若不是最后一行，循環(huán)跳到i+1行重復(fù)命令。

3 應(yīng)用實例

3.1 基本設(shè)計資料

某體育館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了雙曲拋物面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程以及以往的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)模型初選選用材料如下：網(wǎng)殼中桿件為P48×3規(guī)格無縫鋼管，材料Q345B；網(wǎng)殼節(jié)點取D120×10空心鋼球，材料Q345B；邊梁AB,CD的水平投影為8 m，BC,AD梁為7 m。A點標(biāo)高為5 m，C點為3.5 m，B和D都為1.5 m(矢高f1=3.5 m，f2=2 m)。

3.2 參數(shù)化生成

啟動Revit 2014，新建概念體量。在“附加模塊”選項板上選擇已經(jīng)加載完成的二次曲面網(wǎng)殼插件，點擊“雙曲拋物面網(wǎng)殼”(如圖6所示)。將設(shè)計參數(shù)輸入到彈出的對話框中(如圖7所示)。

待程序運行加載后生成雙曲拋物面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型，如圖8所示。該結(jié)構(gòu)模型可以通過“族編輯器”載入到項目中，進(jìn)而可生成施工圖，完成設(shè)計。

4 結(jié)語

本文介紹了Revit插件程序開發(fā)的設(shè)計流程，以及通過使用API接口實現(xiàn)了雙曲拋物面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型在Revit視圖中參數(shù)化生成。實例表明，該插件具有界面操作便捷、設(shè)計符合各項規(guī)范要求的特點；彌補了軟件本身對曲面建模的欠缺；與以往傳統(tǒng)建模方式相比，該插件提高生產(chǎn)效率，使設(shè)計人員從繁瑣的建模過程中解放出來，有更多的精力用于網(wǎng)殼優(yōu)化。該插件在設(shè)計大型公用設(shè)施上具有一定應(yīng)用價值。

[1] 董石麟，趙 陽.論空間結(jié)構(gòu)的形式和分類[J].土木工程學(xué)報,2004,37(1):7-12.

[2] 吳 靜，鹿曉陽.基于ANSYS的四種典型施威德勒型球面網(wǎng)殼參數(shù)化建模[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報,2012(6):584-587.

[3] 潘建軍，趙永福，黃希民，等.基于AutoCAD2002的網(wǎng)殼三維建模[J].新疆石油科技,2004(4):52-55.

[4] 張 泳.建筑信息模型(BIM)的概念框架[J].價值工程,2012(8):33-34.

[5] 薛忠華，謝步瀛.Revit在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模中的應(yīng)用[J].計算機輔助工程,2013(2):58-63.

[6] 李忠富，付 超.BIM技術(shù)在空間網(wǎng)架建模與快速估價中的應(yīng)用[J].工程管理學(xué)報,2014(8):94-97.

[7] 王子茹，賈艾晨.畫法幾何及工程制圖[M].北京:人民交通出版社,2001：82-84.

Abstract: This paper developes a plug-in for parametric design of single quadratic reticulated shell structure, especially solving the lack of curve modeling in Revit. Based on C# programming language, Revit API class library and JGJ 7—2010SpatialGridStructureTechnicalSpecification.

Key words: Revit， secondary development， quadratic reticulated shell， parametric design

Second development realize parametric modeling of reticulated shell based on Revit

Ding Xiaoyu Wang Ziru*

(FacultyofInfrastructureEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)

1009-6825(2016)15-0256-03

2016-03-03

丁曉宇(1991- )，女，在讀碩士

王子茹(1955- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授

TP317.4

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