空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模方法

李浩

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 概述

1.1 BIM技術(shù)與Revit平臺

目前，建筑信息模型（BIM）技術(shù)在建筑領(lǐng)域興起［1］，與傳統(tǒng)建筑設(shè)計方式相比具有明顯優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）可視化：所見即所得，模型中各構(gòu)件和組成部分與建筑實體映射，模型包含建筑實際信息。

（2）協(xié)調(diào)性：建筑設(shè)計涉及多方，業(yè)主提供需求、設(shè)計方給出方案、施工單位建成實體，在此過程中接口眾多。傳統(tǒng)設(shè)計流程和方式難以做到實時協(xié)調(diào)，項目管理難度極大。BIM技術(shù)提供了一整套協(xié)同工作方案，便于建筑設(shè)計各方溝通協(xié)作，提高建筑設(shè)計的效率和質(zhì)量。

（3）模擬性：建筑設(shè)計考慮的技術(shù)因素極多，BIM模型是三維實體模型，在該模型的基礎(chǔ)上進行一系列模擬試驗，如節(jié)能試驗、日照研究等，可進一步提高建筑設(shè)計的品質(zhì)。

（4）優(yōu)化性：BIM三維實體模型是現(xiàn)實建筑的計算機數(shù)據(jù)反映，在此基礎(chǔ)上方便各方溝通，有利于設(shè)計、施工和運營的綜合優(yōu)化。

（5）可出圖性：傳統(tǒng)建筑設(shè)計依靠設(shè)計師對建筑的理解和把控，依次完成建筑分析和設(shè)計，最終大量時間用于繪制圖紙上，效率較低；BIM技術(shù)可實現(xiàn)自動化出圖，而且圖紙專業(yè)程度極高。

BIM建筑設(shè)計流程見圖1。建筑專業(yè)根據(jù)業(yè)主需求提供初始模型，結(jié)構(gòu)、機電等輔助性專業(yè)在初始模型的基礎(chǔ)上進行深化設(shè)計，最終向業(yè)主提交深化模型，深化模型用于后期建筑施工及運維?？梢?，BIM技術(shù)的主體就是模型。但由于技術(shù)極其復雜，涉及因素極多，實際BIM建筑設(shè)計應(yīng)用程度與之還存在較大差距。BIM技術(shù)可應(yīng)用于土木工程各領(lǐng)域，其中也包括鐵路工程，如鐵路設(shè)計施工［2］、鐵路建設(shè)管理［3］與鐵路橋梁施工運維［4］等。

圖1 BIM建筑設(shè)計流程

目前在建筑設(shè)計領(lǐng)域，Revit是比較典型的BIM平臺之一，相比其他BIM平臺，它具有眾多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）可重復性建模：Revit平臺采用“族模型”的建模方法，相同類型的族可重復應(yīng)用在其他模型中，隨著族庫規(guī)模的發(fā)展，Revit建模速度和質(zhì)量必將得到質(zhì)的飛躍。

（2）多專業(yè)協(xié)同平臺：Revit提供了多種協(xié)同工作模式，將BIM協(xié)同工作理念落到實處，且非常適用于實際建筑設(shè)計。

（3）后處理功能強大：可自動導出構(gòu)件尺寸和體積等數(shù)據(jù)，便于概預算算量。

（4）視圖聯(lián)動：平、立、剖、明細表多向聯(lián)動，修改1處其余各處自動更新。

1.2 空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)［5］是常用的鋼結(jié)構(gòu)體系，主要分為網(wǎng)架和網(wǎng)殼（球面、柱面）2種類型（見圖2、圖3），非常適用于大跨結(jié)構(gòu)，常作為體育館、會堂、展廳、車站等的結(jié)構(gòu)選型。由于BIM應(yīng)用的不斷推廣，且空間網(wǎng)架網(wǎng)殼的大量使用，可以預見未來對空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)BIM建模的需求極大。

圖2 空間球形網(wǎng)殼

圖3 空間柱面網(wǎng)殼

1.3 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模［6-8］是一種計算機輔助設(shè)計方法，具體指通過關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)動生成結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，如同濟大學3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件、盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（YJK）和Midas Gen結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件等，均包含空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模模塊。3D3S參數(shù)化建模界面見圖4，Midas Gen參數(shù)化建模界面見圖5。

但是，Revit平臺未包含類似空間網(wǎng)架網(wǎng)殼參數(shù)化建模功能，因此，對空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模方法進行研究并提供解決思路。

圖4 3D3S參數(shù)化建模界面

圖5 Midas Gen參數(shù)化建模界面

2 網(wǎng)架網(wǎng)殼建模方法

在Revit中建立空間網(wǎng)架網(wǎng)殼模型通常有3種方法：直接建模、體量建模和模型互導。

2.1 直接建模

空間網(wǎng)架網(wǎng)殼由節(jié)點和桿件組成，坐標定位可以建立節(jié)點，根據(jù)節(jié)點連接關(guān)系可以建立桿件。直接建模法是指人工建立節(jié)點和桿件，利用Revit的修改編輯技巧建模。直接建模步驟見圖6。

直接建模法可準確定位節(jié)點坐標，空間結(jié)構(gòu)建模精準。但僅適用于規(guī)模較小的空間結(jié)構(gòu)，對于較大規(guī)模的結(jié)構(gòu)，直接建模法的工作量極大。

圖6 直接建模步驟

2.2 體量建模

體量建模是Revit自帶的建模功能，其理念是“整體→局部”建模。采用該方式建立空間網(wǎng)架網(wǎng)殼模型時，首先建立網(wǎng)殼或網(wǎng)架的表面，根據(jù)網(wǎng)格劃分技術(shù)得到網(wǎng)格，在網(wǎng)格上布置桿件完成建模。體量建模步驟見圖7。其優(yōu)勢在于，從整體到局部建模，速度有所提升；其不足在于，Revit自帶的網(wǎng)格劃分功能單一，僅適用于規(guī)則單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，對于復雜結(jié)構(gòu)建模較為困難。

2.3 模型互導

目前，一些軟件可將模型導入Revit，如YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，其導出模型的流程見圖8。要使用該導出功能，需要另外安裝較為龐大的轉(zhuǎn)換程序，且導出過程會生成用戶不需要的冗余信息；軟件版本管理較為復雜，不同版本YJK軟件需要安裝對應(yīng)版本的轉(zhuǎn)換程序；且軟件費用高昂，比較適用于需求較大的大型設(shè)計單位。

目前可用的空間網(wǎng)架網(wǎng)殼建模方法都有局限性，其參數(shù)化建模的解決方案亟待提出，相應(yīng)方法亟待具體實現(xiàn)。

3 參數(shù)化建模方案

為實現(xiàn)空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模，有2種可行的方案，一種是建立參數(shù)族（見圖9），另一種是調(diào)用Revit平臺的編程接口制作建模插件。參數(shù)族是Revit擴展自身功能的重要手段，但對于空間網(wǎng)架網(wǎng)殼這種復雜結(jié)構(gòu)，無法通過常規(guī)族來建立其模型。

圖7 體量建模步驟

圖8 YJK導出Revit模型流程

圖9 Revit參數(shù)族示例

通過編程調(diào)用Revit應(yīng)用程序接口（API）進行二次開發(fā)［9-10］可實現(xiàn)更為復雜的功能，這種方式與AutoCAD軟件二次開發(fā)類似。傳統(tǒng)建模方式是通過鼠標和鍵盤進行建模，Revit API接口中的每條命令均對應(yīng)1個操作。通過編程調(diào)用接口可以實現(xiàn)間接操作Revit建模，這種方式建模精準，且效率極高?？臻g網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模思路見圖10。

圖10 Revit參數(shù)化建模思路

4 參數(shù)化建模實現(xiàn)

二次開發(fā)建模插件的實現(xiàn)主要包括2個要點：代碼組織和建模算法，前者是指代碼的結(jié)構(gòu)布局，后者是指建模思路和策略。

4.1 代碼組織

代碼組織對于本插件極其重要，原因在于空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)非常靈活，類型極多而且新的結(jié)構(gòu)形式容易被發(fā)明，因此本建模插件應(yīng)該具備良好的擴展功能，便于后期添加新的建模功能。同時，用戶界面的目的是引導用戶輸入?yún)?shù)，良好的輸入?yún)^(qū)劃分也很重要。

在本建模插件的建模界面中，插件輸入?yún)^(qū)劃分及含義見圖11，用戶依次選擇結(jié)構(gòu)類型、設(shè)置主要的建模參數(shù)、輸入插入點坐標、選擇不同部位桿件的類型，就可以把建模參數(shù)輸入至程序。值得注意的是，主要建模參數(shù)的含義會隨著結(jié)構(gòu)類型的選擇而變化，每種類型結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)含義在界面左上角圖片中有所說明。節(jié)點是預先定義的自適應(yīng)節(jié)點族，桿件是預先定義的自適應(yīng)桿件族，前者通過坐標定義，后者通過2個結(jié)點定義，且長度會隨著節(jié)點坐標而自適應(yīng)。

圖11 插件輸入?yún)^(qū)劃分及含義

用戶在建模界面上輸入建模數(shù)據(jù)后，程序會根據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不同將建模參數(shù)傳遞到不同的建模函數(shù)（CreateWangjia系列函數(shù)或CreateWangqiao系列函數(shù)）中，在每個函數(shù)中實現(xiàn)1種網(wǎng)架或網(wǎng)殼的建模（見圖12）。因此，當需要增加新的結(jié)構(gòu)類型時，只需要稍加修改建模界面中的結(jié)構(gòu)類型，并添加新的建模函數(shù)，具有非常好的擴展性能。

圖12 建模數(shù)據(jù)傳遞

4.2 建模算法

不同建模函數(shù)建立不同的空間結(jié)構(gòu)，而在單一建模函數(shù)中，模型的建立依靠建模算法。建模的主要任務(wù)是定位節(jié)點，進而連接節(jié)點形成桿件。定位節(jié)點坐標時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點選擇相應(yīng)的坐標系統(tǒng)，對于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用直角坐標系進行定位；對于柱面網(wǎng)殼，采用柱坐標系；對于球面網(wǎng)殼，采用球坐標系。建模順序同樣會影響建模難度，在本插件中采用“先主干，后枝葉”“先規(guī)律，后特殊”的建模思路。例如，對于單層凱威特型球面網(wǎng)殼（見圖13），圖中m為球面網(wǎng)殼環(huán)向分割數(shù)；n為球面網(wǎng)殼豎向分割數(shù)；L為球面網(wǎng)殼跨度；f為球面網(wǎng)殼矢高。整個球面網(wǎng)殼呈現(xiàn)出“總體規(guī)律，區(qū)域內(nèi)部漸變”的特點，在建立單層凱威特型球面網(wǎng)殼的模型時，先完成環(huán)向和豎向骨干桿件的繪制，然后以此為基準點繪制各個區(qū)域中的桿件。

圖13 單層凱威特型球面網(wǎng)殼建模思路

5 案例分析

為檢驗提出的空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模方法的有效性，針對單層凱威特型球面網(wǎng)殼，采用直接建模、體量建模、模型互導和參數(shù)化建模4種方法分別建模，并統(tǒng)計每種方法中節(jié)點定位、桿件連接和其他處理的用時，對比結(jié)果見圖14?？梢钥闯?，參數(shù)化建模效率最高，其建模成果見圖15；直接建模用時最長，效率最低；體量建模和模型互導效率居中，但各自局限性較大。

圖14 建模效率對比

圖15 參數(shù)化建模成果

6 結(jié)束語

目前空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在Revit BIM平臺中缺乏行之有效的建模方法，因此提出空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模方法，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過調(diào)用Revit二次開發(fā)接口實現(xiàn)空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自動化建模，可極大提升建模質(zhì)量和效率；

（2）本參數(shù)化建模插件具有良好的代碼組織，擴展性良好，便于后期添加新的建模模塊；

（3）Revit二次開發(fā)可以訂制個性化功能，是BIM正向設(shè)計的必由之路，所提方法也是對該方向的一個探索。