基于BIM的管道吊架參數(shù)化插件研究

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，石家莊 050018)

1 研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)雜、綜合的建筑工程出現(xiàn)，許多大型工程都包含復(fù)雜的管道系統(tǒng)，設(shè)備設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)管道的型號(hào)及走向，但其吊架通常都是由安裝方根據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置，一般不做事前設(shè)計(jì)，圖紙上也不作注明，因此支吊架安裝比較隨意，用量往往較規(guī)范要求偏多，常常造成較大浪費(fèi)[1]。如何避免材料浪費(fèi)，如何提高支吊架安裝效率是當(dāng)前需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題，而如何有效地運(yùn)用信息技術(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[2]。

BIM(Building Information Modeling)，作為一種全新的技術(shù)，將建筑信息應(yīng)用于建筑物的全生命周期，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、一體化性、參數(shù)化性、信息完備性的特點(diǎn)[3-4]。利用BIM可以實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的信息共享，對(duì)于項(xiàng)目的可視化管理以及項(xiàng)目各參與方的信息共享傳遞具有很大優(yōu)勢(shì)[5]。目前，BIM技術(shù)的研究主要集中在虛擬設(shè)計(jì)、虛擬施工和仿真模擬，BIM技術(shù)應(yīng)用主要在機(jī)電各系統(tǒng)及綜合管線、鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配、幕墻、室內(nèi)裝修、景觀綠化等方面[6-11]。在安裝工程中BIM技術(shù)主要應(yīng)用在碰撞檢查上，但對(duì)于管道吊架布置及受力校核應(yīng)用較少。

本文基于BIM通用軟件Revit，創(chuàng)建參數(shù)化吊架族。通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，增加了管道吊架布置功能，為管道布置吊架，并三維預(yù)覽布置情況。開(kāi)發(fā)了管道受力校核功能，對(duì)布置的管道吊架進(jìn)行力學(xué)安全性能分析?？梢詭椭惭b工程師提高施工的精確性。

2 研究思路

本文從參數(shù)化管道吊架族的創(chuàng)建、吊架布置、吊架受力校核三方面展開(kāi)研究，確定該插件功能的工作流程[12]。圖1為設(shè)計(jì)思路。

圖1 設(shè)計(jì)思路

2.1 參數(shù)化管道吊架族的創(chuàng)建

參數(shù)化管道吊架族的創(chuàng)建原型參照《室內(nèi)管道支架及吊架》[12]，管道吊架族主要包括吊桿、角鋼橫擔(dān)、管卡等幾部分。管道吊架族的精細(xì)程度直接影響到吊架的布置以及受力校核，是模型參數(shù)化思想的集中體現(xiàn)，也是BIM思想的核心應(yīng)用。

2.2 吊架布置

管道吊架布置到管道模型中需要滿足三方面的準(zhǔn)備工作，首先是管道信息的提取，然后是管道吊架族的信息提取，最后通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)布置。

2.3 吊架受力校核

吊架受力校核分析過(guò)程中僅考慮吊架荷載、管道荷載、介質(zhì)荷載。首先獲取管道數(shù)據(jù)和吊架數(shù)據(jù)，然后對(duì)吊桿抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度進(jìn)行校核，最后對(duì)橫擔(dān)的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、局部承壓、折算應(yīng)力、撓度進(jìn)行受力校核分析。若校核結(jié)果符合規(guī)范限值，則滿足布置需要；若不滿足規(guī)范限值，則生成錯(cuò)誤校核文檔，給出改進(jìn)方案，供設(shè)計(jì)師參考。

3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)及開(kāi)發(fā)工具

從目前國(guó)內(nèi)流行及應(yīng)用度最廣的角度考慮，采用Revit 2016平臺(tái)、Visual Studio、C#、Revit API、Revit Lookup、Revit Add In Manager工具，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，添加管道吊架參數(shù)化插件。

3.1 Revit 2016

Revit是Autodesk公司一套系列軟件名稱。Revit是即CAD后在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的三維設(shè)計(jì)軟件，包括Architecture、MEP、Structure三個(gè)專業(yè)。Revit具有可視化建模，二維、三維模型轉(zhuǎn)換，視圖關(guān)聯(lián)更新功能，建筑圖元的重要性隨設(shè)計(jì)逐步深化，具有非常理想的渲染、漫游效果[13]。同時(shí)Revit的參數(shù)化修改引擎可自動(dòng)協(xié)調(diào)修改，并且其兼容性、功能可拓展性，接口成熟度都比較好。綜合性及獨(dú)特性決定了Revit在建筑領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先的地位，也正是選其為BIM平臺(tái)的原因[14]。

3.2 Visual Studio及C#

Visual Studio是一套完整的開(kāi)發(fā)工具，用于生成ASP.NET Web應(yīng)用程序、XML Web services、桌面應(yīng)用程序和移動(dòng)應(yīng)用程序。Visual Basic、Visual C#和Visual C++都使用相同的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，這樣就能夠進(jìn)行工具共享，并能夠輕松地創(chuàng)建混合語(yǔ)言解決方案[15]。C#語(yǔ)言作為一門(mén)簡(jiǎn)單、現(xiàn)代、優(yōu)雅、面向?qū)ο蟆㈩愋桶踩?、平臺(tái)無(wú)關(guān)的一門(mén)新型組件編程語(yǔ)言,憑借著其源自C/C++的語(yǔ)法風(fēng)格,融合了Visual Basic的高效和C/C++的強(qiáng)大，再加上其創(chuàng)新的語(yǔ)言特性,剛一出世,就深受世界各地程序員的好評(píng)和喜愛(ài),成為一顆耀眼的明星[16]。

3.3 Revit API、Revit Lookup及Revit Add In Manager

Revit免費(fèi)提供開(kāi)放的API，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)這些接口訪問(wèn)Revit[17]。Revit API幾乎能對(duì)Revit各功能進(jìn)行訪問(wèn)，從最初的只能訪問(wèn)文檔中的對(duì)象，到現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)新的功能，實(shí)現(xiàn)了分析和信息模型的集成，用戶可以直接根據(jù)自己需求來(lái)擴(kuò)展相應(yīng)Revit功能，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)訪問(wèn)信息模型中所有的文件[18-20]。

Revit Lookup是Autodesk開(kāi)發(fā)的插件，它可以幫助開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)Lookup查找所需要的信息，大大地提高了開(kāi)發(fā)人員的編碼效率。

Revit Add In Manager也是Autodesk開(kāi)發(fā)的插件，用于加載開(kāi)發(fā)人員外部編寫(xiě)的動(dòng)態(tài)庫(kù)，在Revit二次開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中，極大地提高了代碼調(diào)試的效率，其優(yōu)點(diǎn)就是不用重新啟動(dòng)Revit就可以修改代碼并再次進(jìn)行加載和運(yùn)行。

4 插件功能實(shí)現(xiàn)

4.1 吊架族的創(chuàng)建

族在Revit是一個(gè)非常重要的概念，一個(gè)族代表了一個(gè)三維圖元，類似CAD中的點(diǎn)、線、面的圖元一般，而Revit中的族可以定義多種類型，每種類型又可以定義多種參數(shù)，如尺寸、材質(zhì)等[21]。Revit的族分為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族、內(nèi)建族、系統(tǒng)族[22]。吊架族是在公制機(jī)械設(shè)備族樣板中創(chuàng)建的，還原了圖集中管道吊架，內(nèi)置了材質(zhì)、橫擔(dān)長(zhǎng)度、角鋼腿長(zhǎng)、角鋼厚、管道外徑、吊桿直徑、吊高長(zhǎng)度、管卡直徑等參數(shù)。圖2為圖集中吊架，圖3為參數(shù)化管道吊架族，圖4為族參數(shù)。

圖2 圖集中吊架

圖3 參數(shù)化管道吊架族

圖4 族參數(shù)

4.2 吊架布置

利用Visual Studio 2015創(chuàng)建一個(gè)類庫(kù)，在此類庫(kù)中編寫(xiě)LoadForm類、command類，然后再Revit中調(diào)用。其中command類提供交互接口；LoadForm類編寫(xiě)了一個(gè)Windows界面，運(yùn)用Button、ComboBox、Label、ListView、ElementHost等窗體工具，并且實(shí)現(xiàn)選擇支吊架類型、載入族、管道及吊架參數(shù)獲取、管道直徑驅(qū)動(dòng)吊架管卡直徑、三維預(yù)覽布置等功能。利用RevitAPI接口中“點(diǎn)選”，選中一根管道，通過(guò)族參數(shù)的讀取，獲得定位信息與管道截面信息，布置管道吊架。圖5為布置吊架界面。

圖5 布置吊架界面

4.3 吊架受力校核

針對(duì)吊架受力校核功能，利用Visual Studio 2015創(chuàng)建了類庫(kù)，在此類庫(kù)中編寫(xiě)了MainForm類、FunctionForm類、command類。其中MainForm類實(shí)現(xiàn)了單機(jī)賬號(hào)密碼設(shè)置，在此不再詳述；command類實(shí)現(xiàn)了選擇以布置的支吊架以及Revit的交互；在FunctionForm類中，首先提取管道長(zhǎng)度、管道材質(zhì)密度、介質(zhì)密度、管道壁厚以及吊架的材質(zhì)、吊架的各部分尺寸信息，然后根據(jù)GB50017-2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[23]中對(duì)于鋼構(gòu)件的受力公式計(jì)算吊桿的抗拉強(qiáng)度、吊桿的抗彎剛度、橫擔(dān)的抗彎強(qiáng)度、橫擔(dān)的抗剪強(qiáng)度、局部承壓、折算應(yīng)力、撓度。其中各部分限值以熱軋鋼Q235～B型鋼材作為依據(jù)取得的抗拉限值、抗彎限值、抗剪限值、局部承壓限值、折算應(yīng)力限值、撓度限值。最后將限值與程序計(jì)算值對(duì)比分析，如果計(jì)算值小于限值則滿足規(guī)范，如果計(jì)算值不小于限值則不滿足規(guī)范，插件將給出錯(cuò)誤校核文檔，同時(shí)給出改進(jìn)方案，供設(shè)計(jì)師參考。圖6為校核界面。

圖6 校核界面

由于管道吊架校核系統(tǒng)錯(cuò)誤文檔內(nèi)容較多，在此僅展示部分文檔，如下：

吊桿(1)

吊桿長(zhǎng)度：600mm

吊桿直徑：10mm

計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)：1

圓形構(gòu)件慣性矩：I=3.14*d*d*d*d/64(mm4)

允許長(zhǎng)細(xì)比：400

抗拉強(qiáng)度公式：

式中：N-所計(jì)算截面的拉力設(shè)計(jì)值(N)；

f-鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；

A-構(gòu)件的毛截面面積(mm2)；

An-構(gòu)件的凈截面面積，當(dāng)構(gòu)件多個(gè)截面有孔時(shí)，即最不利的截面(mm2)；

fu-鋼材極限抗拉強(qiáng)度最小值(N/mm2)；

吊桿(1)的抗拉強(qiáng)度計(jì)算值：56.9898997755546N/mm2；

吊桿(1)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：215N/mm2；

吊桿(1)抗拉強(qiáng)度是否滿足條件：滿足。

5 結(jié)論

從目前國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)對(duì)于BIM技術(shù)的普及情況來(lái)看，如何將更多的設(shè)備信息應(yīng)用到BIM模型中，如何提高建筑信息的利用率，如何打破專業(yè)之間的壁壘，是目前國(guó)內(nèi)BIM發(fā)展的一個(gè)主要方向。從而得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) Revit軟件功能在我國(guó)建筑行業(yè)中適用性有限，運(yùn)用Revit二次開(kāi)發(fā)手段不僅可以拓展Revit功能，并且可以探索出符合國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)規(guī)范、符合國(guó)內(nèi)應(yīng)用習(xí)慣的插件。

(2)在以Revit為核心建模軟件應(yīng)用中，族的應(yīng)用是整個(gè)BIM流程的重中之重。在各專業(yè)的應(yīng)用中，對(duì)于族庫(kù)的建設(shè)不可或缺，族的參數(shù)化、精細(xì)化、專業(yè)化、規(guī)范化是整個(gè)建筑信息傳遞、打破建筑行業(yè)各專業(yè)壁壘的關(guān)鍵。

(3)對(duì)于Revit缺少管道吊架布置及校核功能，運(yùn)用二次開(kāi)發(fā)的手段，結(jié)合Revit二次開(kāi)發(fā)工具、支吊架模型族、國(guó)家規(guī)范、模型簡(jiǎn)化受力計(jì)算等添加了Revit中管道吊架布置功能，并且對(duì)吊架進(jìn)行校核，滿足了管道吊架布置及校核的需求，在一定程度上解決了工程中類似問(wèn)題。