基于BIM技術(shù)的梁柱節(jié)點全三維深化設(shè)計

陸海燕 張 怡 崔 琨 寧寶寬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點包括梁柱相交的節(jié)點核心區(qū)以及與核心區(qū)相連的梁端、柱端，是框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，起著傳遞、分配內(nèi)力和保持框架結(jié)構(gòu)整體性的作用。所以節(jié)點部位的鋼筋配置在整個建筑工程中占有極其重要的地位，影響著工程質(zhì)量。目前采用的平法繪圖在復(fù)雜的工程中無法清晰地表明設(shè)計師的意圖，圖紙的可讀性不高，因此，在鋼筋工程施工圖中融入 BIM 技術(shù)，把鋼筋放樣圖清晰的呈現(xiàn)出來，既簡單又直觀，大大提高布筋的準(zhǔn)確度，從而提高施工人員的工作效率?，F(xiàn)階段國內(nèi)外很多學(xué)者對基于BIM的鋼筋參數(shù)化問題進(jìn)行了研究，Yang等[1]針對裝配式住宅的建筑構(gòu)件深化設(shè)計階段，建立標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的模型庫，

提出了實現(xiàn)裝配式住宅與BIM設(shè)計組合的思路與方法。MACIELAR等[2]研究利用鋼筋詳細(xì)定位模塊實現(xiàn)具有搭接長度和錨固長度的平板三維鋼筋自動配置； Atul[3]分析利用BIM技術(shù)可以更加合理地進(jìn)行鋼筋配置，從而節(jié)約鋼筋成本； Li等[4]通過針對是否運(yùn)用BIM技術(shù)管理對兩個實際工程進(jìn)行對比，指出在建筑物工程量計算與解決建筑物鋼筋碰撞問題等方面，BIM技術(shù)具有較大優(yōu)勢； Kensek[5]等運(yùn)用Arduino，Dynamo和Revit API等技術(shù)軟件將傳感器與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，并在工程實際中得到應(yīng)用； 陸海燕等[6]通過分析剪力墻結(jié)構(gòu)體系中邊緣構(gòu)件的配筋情況，結(jié)合 BIM 軟件Revit的參數(shù)化建模功能與 Revit API 開發(fā)接口，研究了幾種常見規(guī)則構(gòu)件的參數(shù)化； 張祥等[7]通過分析古建筑的構(gòu)件尺寸規(guī)律，結(jié)合BIM軟件Revit Architecture和Object ARX 技術(shù)實現(xiàn)其參數(shù)化； 羅遠(yuǎn)峰等[8]通過分析裝配式建筑構(gòu)件的鋼筋排布規(guī)律，運(yùn)用Revit實現(xiàn)裝配式建筑中部分構(gòu)件鋼筋的參數(shù)化排布； 趙巖等[9]對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，編制數(shù)據(jù)讀取程序并自動對讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化建模； 劉飛虎等[10]研究利用 CATIA 快速創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜橋墩內(nèi)不同型號的鋼筋，較傳統(tǒng)的三維建模方法更加方便快捷； 舒欣等[11]運(yùn)用BIM技術(shù)在南通政務(wù)中心停車綜合樓項目中從標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、可視化設(shè)計、構(gòu)件模型深化、碰撞檢查和施工模擬等方面進(jìn)行了深入的研究； 林樹枝等[12]通過BIM協(xié)同平臺進(jìn)行項目各階段的銜接及各參建方的信息交互，實現(xiàn)項目的智能化管理； 魏晨康等[13]利用 BIM的虛擬技術(shù)解決了超高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼筋沖突碰撞問題。

以上針對BIM技術(shù)在鋼筋建模方面的研究很多，但大多數(shù)鋼筋建模采用Revit軟件自帶的鋼筋族，不便于單根鋼筋的修改且鋼筋與鋼筋之間容易發(fā)生碰撞，可操作性差，效率低。為更好地解決鋼筋碰撞及錨固不足等問題，本文依據(jù)節(jié)點部位的鋼筋排布規(guī)律及規(guī)范要求，提出不同于現(xiàn)有Revit鋼筋族的新型參數(shù)化自建族方法，通過建立基于Revit族的梁柱節(jié)點全三維參數(shù)化設(shè)計模型，解決了適用于梁柱節(jié)點的鋼筋建模問題； 同時，應(yīng)用Revit二次開發(fā)將自建族放置在梁柱節(jié)點處，實現(xiàn)梁柱節(jié)點處鋼筋的自動生成，并在實際項目進(jìn)行了驗證。

1 梁柱節(jié)點的多維參數(shù)化模型

節(jié)點參數(shù)化設(shè)計首先面臨的問題是如何進(jìn)行數(shù)字化的描述，對于常見的框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合規(guī)范及設(shè)計圖集的要求按照如圖1所示的全三維參數(shù)化設(shè)計流程進(jìn)行設(shè)計。首先，根據(jù)節(jié)點連接的構(gòu)件關(guān)系，將節(jié)點描述為單個三維鋼筋參數(shù)化模型、內(nèi)嵌鋼筋的基本構(gòu)件參數(shù)化模型、節(jié)點參數(shù)化模型及典型節(jié)點四個維度。其中三維鋼筋參數(shù)化模型為基本模型，并以構(gòu)件模型為載體，各維度模型通過維度參數(shù)相互制約構(gòu)成節(jié)點族的層層嵌套模型。

圖1 全三維參數(shù)化設(shè)計流程

1.1 全三維參數(shù)化模型設(shè)計

框架結(jié)構(gòu)中鋼筋分為縱筋和箍筋，縱筋根據(jù)節(jié)點的情況可采用彎錨、直錨或機(jī)械錨固等形式，同時為了滿足避讓需求可能會有水平和豎向彎折。為此對于做水平避讓和豎向避讓的鋼筋提出如圖2所示的參數(shù)化模型，并對應(yīng)表1中模型的六個參數(shù)，六個參數(shù)的含義分別為：a為起端彎錨長度，b為起端深入支座長度，c為起端水平偏移距離，d為末端水平偏移距離，e為末端深入支座長度，f為末端彎錨長度。通過參數(shù)的變化可構(gòu)成不同形狀的縱筋。

圖2 縱筋參數(shù)化模型

表1 參數(shù)與鋼筋形狀

箍筋可以根據(jù)對規(guī)范的理解提出如圖3所示的鋼筋參數(shù)化模型。首先創(chuàng)建輪廓線，得到縱筋位置上的圓心坐標(biāo)點P1(x0，y0)點P2(x1，y1)點P3(x2，y2)點P4(x3，y3)，分布鋼筋半徑r，箍筋直徑d，彎鉤長度L0，彎鉤角度α，保護(hù)層厚c，柱長a，寬b，根據(jù)參數(shù)設(shè)定，可得到10個點的參數(shù)化坐標(biāo)，通過坐標(biāo)可確定箍筋。

圖3 箍筋參數(shù)化模型

1.2 基本構(gòu)件維度參數(shù)化模型

梁和柱是框架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，梁構(gòu)件模型如圖4所示，梁構(gòu)件分為箍筋加密區(qū)和非加密區(qū)，參數(shù)分為鋼筋形狀參數(shù)及構(gòu)件維度參數(shù)(鋼筋在構(gòu)件中的定位參數(shù))。

柱構(gòu)件模型如圖5所示，柱鋼筋分為角部鋼筋、邊部鋼筋，箍筋分為加密區(qū)箍筋和非加密區(qū)箍筋，參數(shù)分為鋼筋形狀參數(shù)及構(gòu)件維度參數(shù)。

圖4 梁構(gòu)件參數(shù)表及模型圖

圖5 柱構(gòu)件參數(shù)表及模型圖

1.3 節(jié)點維度參數(shù)化模型

幾何參數(shù)化建模以主控參數(shù)的驅(qū)動力為基礎(chǔ)，首先建立主控參數(shù)的模型，主控參數(shù)模型由梁和柱組成，梁柱相對位置通過中心線確定，如圖6所示為一維參數(shù)化模型，其中涉及參數(shù)為梁的長度、寬度、厚度，柱的長度、寬度、高度以及每根梁相對于柱的位置，根據(jù)參數(shù)表確定構(gòu)件的幾何參數(shù)，通過修改幾何參數(shù)確定構(gòu)件幾何尺寸。

圖6 節(jié)點參數(shù)化模型

圖7 典型節(jié)點參數(shù)化模型

2 基于Revit的梁柱節(jié)點的多維參數(shù)化族

2.1 多維參數(shù)化族的創(chuàng)建

對前面提出的多維參數(shù)化模型，目前Revit 軟件無法直接實現(xiàn)，為此通過Revit 中自建族的方案，如圖7為通過自建族創(chuàng)建的四種參數(shù)化模型，分別為一字型節(jié)點、L型節(jié)點、T型節(jié)點和十字型節(jié)點。采用公制常規(guī)模型，結(jié)構(gòu)板塊設(shè)置為結(jié)構(gòu)連接，族參數(shù)選擇鋼屬性，這樣使族在各個項目中的視圖顯示鋼特性，通過Revit軟件中拉伸功能繪制鋼筋在XY軸上的二維平面圖，接著在立面圖中拉伸Z軸方向的三維圖形，形成縱向鋼筋，梁部鋼筋采用放樣的方式創(chuàng)建彎錨鋼筋，彎錨鋼筋分為向上彎錨、向下彎錨。錨固長度根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置為15d。利用放樣功能，繪制箍筋路徑，選取工作平面繪制箍筋輪廓，形成箍筋。將鋼筋族載入梁柱構(gòu)件中，形成嵌套族，將鋼筋在梁柱中設(shè)置位置參數(shù)，通過陣列設(shè)置鋼筋數(shù)量參數(shù)。設(shè)置箍筋數(shù)量時通過鎖定將鋼筋與柱邊和梁邊鎖定，使鋼筋長度隨著梁柱長度參數(shù)的變化而變化，箍筋數(shù)量通過鋼筋長度/箍筋間距設(shè)定，當(dāng)箍筋間距一定時，可通過梁柱長度的變化同時改變縱向鋼筋和箍筋。梁部鋼筋通過設(shè)置每根縱向鋼筋與梁邊距離控制鋼筋位置，確保梁柱相對位置發(fā)生改變時，鋼筋隨之改變。

2.2 節(jié)點深化設(shè)計

節(jié)點深化設(shè)計主要是通過可視化操作解決鋼筋碰撞問題，如圖8所示。

圖8 鋼筋碰撞圖

節(jié)點部位鋼筋復(fù)雜，碰撞問題很難避免，在此基礎(chǔ)上，提出可視化方法解決此問題，鋼筋避讓分為水平避讓和垂直避讓，水平避讓可避免梁部鋼筋與柱鋼筋碰撞，垂直避讓可避免梁部鋼筋碰撞。

鋼筋避讓是在Revit可見性的基礎(chǔ)上操作，首先在直鋼筋的基礎(chǔ)上繪制出向上、向下偏移鋼筋，并設(shè)置偏移距離參數(shù)。

選中偏移鋼筋對其可見性進(jìn)行設(shè)置，并關(guān)聯(lián)參數(shù)，關(guān)聯(lián)后的參數(shù)在族類型表中可見，設(shè)置三種族類型，分別對應(yīng)每一種可見性鋼筋，載入項目中后可在三維視圖下通過對族類型的選擇實現(xiàn)鋼筋形狀的選擇，實現(xiàn)鋼筋彎折，從而避免碰撞，如圖9所示，為避讓后的配筋圖。

圖9 鋼筋避讓效果圖

3 鋼筋的快速生成

自動生成三維鋼筋首先將BIM建筑模型建立好，通過使用Revit API和C#中的編碼識別模型信息，判斷模型類型，將現(xiàn)有鋼筋族載入模型中，實現(xiàn)三維鋼筋的自動創(chuàng)建，具體思路如圖10所示。

圖10 創(chuàng)建鋼筋流程圖

首先過濾圖形中的所有結(jié)構(gòu)梁，將所有梁看作一條直線，提取粱線坐標(biāo)，創(chuàng)建集合，提取所有梁線交點，將每根梁與其對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行編號，通過交點坐標(biāo)判斷節(jié)點類型。

(1)若交點坐標(biāo)等于兩條粱線的兩個端點坐標(biāo)，則節(jié)點為L型節(jié)點；

(2)若交點坐標(biāo)等于其中一條粱線的端點坐標(biāo)，則節(jié)點為T型節(jié)點；

(3)若交點坐標(biāo)不等于任何一條粱線的端點坐標(biāo)，則節(jié)點為十字型節(jié)點。

通過交點坐標(biāo)確定放置節(jié)點位置，從節(jié)點族中調(diào)取相應(yīng)節(jié)點，根據(jù)對應(yīng)節(jié)點放置形式，對節(jié)點族進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，梁位于柱左側(cè)定義為-1，右側(cè)+1，梁位于柱上側(cè)定義為+1，下側(cè)-1，通過坐標(biāo)軸方向?qū)⒐?jié)點鋼筋族旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，可以完成節(jié)點放置。

如圖11所示為框架結(jié)構(gòu)單元，采用上述方法運(yùn)用Revit API自動放置節(jié)點鋼筋族，一鍵生成如圖12所示的節(jié)點配筋圖，實現(xiàn)了節(jié)點的快速配筋。

圖11 框架結(jié)構(gòu)模型

圖12 節(jié)點配筋圖

4 某辦公樓基于Revit的深化設(shè)計

本工程為某六層框架結(jié)構(gòu)辦公樓，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類場地?；撅L(fēng)壓0.30kN/m，基本雪壓0.30kN/m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本工程設(shè)計時，采用本文提出的參數(shù)化設(shè)計方法進(jìn)行梁、柱及節(jié)點深化設(shè)計。

4.1 實施方案

為了實現(xiàn)節(jié)點全三維參數(shù)化設(shè)計，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，完成梁柱參數(shù)化節(jié)點的自動生成，在通過可視化的交互設(shè)計完成節(jié)點深化設(shè)計，在通過Revit二次開發(fā)將節(jié)點深化設(shè)計結(jié)果與梁柱全參數(shù)化模型實現(xiàn)參數(shù)自動連接，進(jìn)而完成構(gòu)件深化設(shè)計。實施方案見流程圖13，具體步驟如下：

圖13 實施方案流程圖

(1)針對本項目的特點，建立梁、柱及節(jié)點構(gòu)件全三維參數(shù)化族。

(2)對項目中的梁柱構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化類型定義，完成本項目的如圖15所示的Revit建模。

(3)對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，確定出各節(jié)點所連接的梁柱構(gòu)件，并根據(jù)構(gòu)件的位置關(guān)系，結(jié)合節(jié)點參數(shù)化模型，自動生成節(jié)點參數(shù)化模型。

(4)通過可視化的交互設(shè)計對節(jié)點鋼筋進(jìn)行鋼筋避讓及鋼筋錨固設(shè)計、完成節(jié)點深化設(shè)計。

(5)對Revit二次開發(fā)，提取BIM模型中節(jié)點深化設(shè)計結(jié)果與梁柱全參數(shù)化模型實現(xiàn)參數(shù)自動連接，進(jìn)而完成構(gòu)件深化設(shè)計。

(6)通過Revit二次開發(fā)，編程提取BIM模型中構(gòu)件信息，完成施工圖設(shè)計。

4.2 實施結(jié)果

通過對節(jié)點的運(yùn)用以及深化設(shè)計的研究，針對上述辦公樓進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，得到如圖14所示的三維布置圖。

圖14 節(jié)點布置三維圖

5 結(jié)論

(1)基于Revit參數(shù)化族的方法建立了梁柱節(jié)點的全三維參數(shù)化設(shè)計模型，將復(fù)雜的梁柱節(jié)點配筋設(shè)計轉(zhuǎn)化為多維鋼筋模型、節(jié)點模型及典型構(gòu)件模型，解決了復(fù)雜節(jié)點部位鋼筋的建模難題，拓展了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中的應(yīng)用，為梁柱節(jié)點鋼筋深化設(shè)計提供了模型基礎(chǔ)；

(2)基于族參數(shù)的變化提出了一種解決梁柱節(jié)點鋼筋錨固及避讓的方式，實現(xiàn)了節(jié)點的三維可視化交互設(shè)計，為梁柱節(jié)點鋼筋錨固及避讓問題帶來了新的解決辦法；

(3)通過C#編程的方法，調(diào)取設(shè)計模型并載入到項目中，實現(xiàn)了梁柱節(jié)點處鋼筋的自動化生成，某工程的驗證證明了該方法是可行的，通過BIM技術(shù)的二次開發(fā)為節(jié)點參數(shù)化族的應(yīng)用提供技術(shù)支持。