基于AutoRevit 的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計方法及其應(yīng)用研究

秦龍飛， 董華林

（1.河南華北水利水電勘察設(shè)計有限公司，鄭州 450000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000）

1 引言

目前BIM 技術(shù)在設(shè)計階段主要的應(yīng)用方式是通過創(chuàng)建三維模型來排除圖紙錯誤、 形成設(shè)計成果、提供項目演示。 這種“翻?！毙问降氖褂们疤崾窃O(shè)計圖紙已完成， 這并沒有真正讓設(shè)計人員使用BIM 技術(shù)[1]，甚至額外的BIM 翻模工作會加重設(shè)計任務(wù)， 增加設(shè)計費用， 延長設(shè)計時間進而激發(fā)業(yè)主、設(shè)計、施工等各方的矛盾，不利于行業(yè)技術(shù)革新，向前發(fā)展。

基于AutoRevit 的BIM 正向設(shè)計技術(shù)綜合了系統(tǒng)工程理論和方法， 依托過程模型滿足不同階段的實際需求， 對于BIM 技術(shù)的普及有非常重要的推動作用。 BIM 正向設(shè)計會暴露傳統(tǒng)的二維逆向設(shè)計難以發(fā)現(xiàn)的問題，減少二維設(shè)計盲區(qū)，將以往在施工階段發(fā)現(xiàn)、 優(yōu)化的問題在設(shè)計階段進行預(yù)處理[2]。 通過對過程模型的參數(shù)加載使得模型服務(wù)后期施工和投產(chǎn)運維成為可能，為實現(xiàn)“數(shù)字孿生”工程打下了基礎(chǔ)，這也是BIM 正向設(shè)計的最終目的。

本文針對水工建筑物構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 提出基于AutoRevit 的BIM 正向設(shè)計方法，研究總結(jié)了適合行業(yè)應(yīng)用的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計一體化解決方案, 并通過AutoRevit 二次開發(fā)編制插件實現(xiàn)矩形渡槽槽身設(shè)計，解決AutoRevit 環(huán)境下參數(shù)化BIM 建模、BIM 模型基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)計算和計算書編制三個關(guān)鍵技術(shù)難題。

得益于BIM 正向設(shè)計技術(shù)可視性、集成性、聯(lián)動性、信息化的特點，設(shè)計人員可在短時間內(nèi)根據(jù)不同設(shè)計方案完成不同的設(shè)計成果， 這為前期場地分析與方案設(shè)計、中期方案的深化設(shè)計、后期施工圖以及詳圖設(shè)計提供堅實支撐。

2 基于AutoRevit 的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計一體化解決方案

一體化解決方案要切實服務(wù)設(shè)計階段， 滿足協(xié)同設(shè)計的需要，增加施工應(yīng)用的接口，其中許良梅等研究了正向設(shè)計的設(shè)計流程與施工結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)難題，提出了需要深度探究的技術(shù)要點。 本解決方案采用在“母版”設(shè)計階段以BIM 模型作為橋梁和紐帶將各設(shè)計成果數(shù)據(jù)互通， 通過相互引用關(guān)聯(lián)在一起，實現(xiàn)由BIM 模型輸出設(shè)計成果，再由設(shè)計成果將數(shù)據(jù)反饋給BIM 模型的正向設(shè)計一體化解決方案。

這其中包括在AutoRevit 環(huán)境下參數(shù)化BIM建模、BIM 模型基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)計算和計算書編制、基于BIM 模型的CAD 出圖這三大部分的信息互動和設(shè)計交互， 利用BIM 技術(shù)的信息化能力將設(shè)計過程中的信息系在模型這一實現(xiàn)單位上， 并依靠模型信息的可視化來進行三維設(shè)計。 由此組成的正向設(shè)計一體化解決方案。

2.1 技術(shù)要點

2.1.1 預(yù)設(shè)BIM 模型

采用“母子版”的設(shè)計思路，預(yù)設(shè)好“母版”建筑物構(gòu)件的三維模型，加載參數(shù)，形成BIM 模型。

2.1.2 “模-圖”聯(lián)動

對“母版”模型進行剖切形成細部圖紙，形成“模-圖”聯(lián)動，確保修改模型設(shè)計數(shù)據(jù)時圖紙隨之更新。

2.1.3 參數(shù)引用

采取尋址ID 值的方法，進行數(shù)據(jù)追蹤，讀取模型參數(shù)并帶入計算程序進行水工建筑物構(gòu)件的結(jié)構(gòu)計算。

2.1.4 數(shù)據(jù)交互

利用端口實現(xiàn)AutoRevit 與Office 的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通， 將數(shù)據(jù)帶入計算書模板， 編制計算書。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

圖1 水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計一體化解決方案流程圖

在水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計一體化解決方案中BIM 模型與設(shè)計方案為相互促進的關(guān)系， 這具體表現(xiàn)在隨著設(shè)計的深入，模型信息化逐漸加深，而模型的數(shù)字信息又會反過來輔助設(shè)計。 相比于傳統(tǒng)的逆向設(shè)計， 能有效的解決由于設(shè)計深度不足而導(dǎo)致的返工問題。 將極大程度的減少開展重復(fù)性的工作， 進而縮短設(shè)計所耗時間， 為方案比選，論證優(yōu)化提供充足的時間。

3 AutoRevit 環(huán)境下矩形渡槽槽身參數(shù)化BIM 建模

三維模型只有加載上信息數(shù)據(jù)才能發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢， 正向設(shè)計技術(shù)的本質(zhì)就是對BIM 三維信息模型的深度挖掘和拓展。 目前的從業(yè)人員中BIM 技術(shù)人才較少，且呈現(xiàn)會設(shè)計不懂BIM，懂BIM 不會設(shè)計， 會設(shè)計懂BIM 但不會管理的分散態(tài)勢， 所以采取必要的方式標(biāo)準(zhǔn)化三維信息模型是首先要解決的問題。 鑒于此采用“參數(shù)化建模+AutoRevit 二次開發(fā)” 的方式， 讓建模過程變得簡單、快速，只需要控制關(guān)鍵參數(shù)，即可在改變母版模型后快速派生出個人化的子版模型， 省去了建模過程， 避免了因BIM 模型參數(shù)設(shè)置不足而導(dǎo)致數(shù)據(jù)、信息無法加載的問題。

3.1 技術(shù)要點

為了避免設(shè)計人員對BIM 模型中冗雜參數(shù)的錯誤修改，降低使用難度，故采取在AutoRevit 軟件的功能面板中創(chuàng)建矩形渡槽選項卡，由AutoRevit 二次開發(fā)代替手動對模型參數(shù)的修改， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的目標(biāo)。 如圖2 所示。

3.1.1 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模更加側(cè)重參數(shù)。 要保證參數(shù)的設(shè)置既能滿足設(shè)計需求， 更要滿足后期二次開發(fā)對數(shù)據(jù)的讀取、引用，這就要求參數(shù)設(shè)置的更加全面保證參數(shù)對模型的整體控制。

在AutoRevit 中參數(shù)的屬性分為類型參數(shù)和實例參數(shù)。 正向設(shè)計的思路是由“母版”推出“子版”所以，所有參數(shù)均設(shè)置為實例參數(shù)，確保將模型載入項目中后，依靠尋址模型ID 值的方式能收集、讀取參數(shù)。

模型加載到項目中后， 原有的實例參數(shù)需要關(guān)聯(lián)相應(yīng)的全局參數(shù)才能將數(shù)據(jù)顯示在項目模型中， 而在后期的數(shù)據(jù)讀取時也包括對針對全局參數(shù)的檢索。 圖2 填寫基本數(shù)據(jù)界面中輸入基本數(shù)據(jù)的TextBox 的名稱與全局參數(shù)的名稱一致，使得用戶在能將數(shù)據(jù)和模型一一對應(yīng)。全局參數(shù)如圖3所示。

圖3 參數(shù)化建模

3.1.2 外部命令

AutoRevit 軟件提供的外部命令接口為IExternalCommand，可以通過此接口與模型對接，讀取模型參數(shù)、修改參數(shù)數(shù)據(jù)。 在AutoRevit 軟件的定義中，每一個活動的頁面即為一個Document（doc）文檔，所執(zhí)行命令的目標(biāo)也必須在此活動文檔中。 參數(shù)是加載到三維模型上的從屬于三維模型， 所以只有先鎖定到三維模型才能在三維模型的doc 中檢索參數(shù)。 如圖4 所示。

圖4 修改參數(shù)代碼關(guān)系圖

依托于Document 中每一部分均對應(yīng)唯一的ID 號，故可利用三維模型的ID 值鎖定目標(biāo)，讀取文檔，完成對參數(shù)的提取。 三維模型中加載的參數(shù)有兩個要素：參數(shù)名稱、參數(shù)值，修改參數(shù)的過程也圍繞著這兩個要素展開， 首先通過參數(shù)名稱鎖定參數(shù)，然后賦予相應(yīng)的數(shù)值修改參數(shù)。

4 基于矩形渡槽槽身BIM 模型的CAD 出圖

得益于正向設(shè)計中工程圖紙都出自于同一個BIM 模型所以不論是初步設(shè)計階段、 深化設(shè)計階段還是施工圖階段BIM 設(shè)計出圖的成果完全保證了各協(xié)同設(shè)計部分之間設(shè)計圖紙的平、立、剖節(jié)點的一致性， 徹底消除了逆向設(shè)計時代圖紙中存在的“錯、漏、碰、缺”問題，設(shè)計質(zhì)量大步提升。 且依托于BIM 技術(shù)“圖-?！甭?lián)動的技術(shù)特點，為后期的設(shè)計修改、更新帶來更多的便利，質(zhì)量得到更充足的保證。

4.1 技術(shù)要點

BIM 技術(shù)出圖有其先天優(yōu)勢， 不同于傳統(tǒng)CAD 出圖需要設(shè)計人員針對性的繪圖并調(diào)整各節(jié)點使之達成一致性， 在正向設(shè)計中平面圖、 立視圖、 剖面圖等均是三維模型以不同角度進行投影的成果并且擁有準(zhǔn)確無誤、數(shù)量齊全、符合標(biāo)準(zhǔn)、能聯(lián)動修改的特點。 作為母版項目中預(yù)先創(chuàng)建好的圖紙分類， 在實際使用中設(shè)計人員只需要對槽底高程進行設(shè)置，即可得到完成的圖紙。 圖紙如圖5 所示。

圖5 落地槽槽身圖紙

4.1.1 設(shè)定項目基點

AutoRevit 項目文件中是以坐標(biāo)定位模型的，且采用的是項目基點和測量點的雙重坐標(biāo)原點定位模式。 本解決方案采用控制項目基點和測量點之間的距離并將其讀取為槽底高程進而其他高程點隨之變化的方式實現(xiàn)圖紙高程自動化輸入。

4.1.2 數(shù)據(jù)引用

使用上文提到的AutoRevit 軟件的數(shù)據(jù)對接方式，寫入設(shè)計人員輸入的高程數(shù)據(jù)，并且需要同時將信息寫入到注釋族中。 圖5 所示對鋼筋混凝土的注釋， 需要根據(jù)用戶在圖2 所示對話框中選定的鋼筋混凝土強度而定， 由于注釋族不同于參數(shù)族屬于模型的基本信息， 所以需要首先獲得注釋族的值，而后再修改成目標(biāo)數(shù)據(jù)。

5 矩形渡槽槽身BIM 模型基礎(chǔ)上的模型計算和計算書編制

結(jié)構(gòu)計算是判斷設(shè)計方案是否滿足需求的重要方式之一， 水工建筑物的結(jié)構(gòu)計算包括內(nèi)力計算和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算， 計算過程十分繁雜且各計算式之間的聯(lián)系緊密， 一個關(guān)鍵數(shù)值的改動即可影響到整部分計算結(jié)果。 在逆向設(shè)計中，如若改動關(guān)鍵數(shù)值設(shè)計人員除了要對圖紙進行修改更要花費大量的時間精力在修改計算書上， 一旦發(fā)生計算疏漏的情況便會導(dǎo)致計算結(jié)果前后銜接不上，增加在重復(fù)性工作上耗費的時間，不利于設(shè)計流程的優(yōu)化升級。

基于AutoRevit 的水工建筑物正向設(shè)計技術(shù)采用“計算書模板+AutoRevit 二次開發(fā)”的模式將計算說明、計算公式、計算結(jié)果表格等編寫進Word計算書模板中省去了設(shè)計人員手動編寫的時間。通過AutoRevit 二次開發(fā)利用計算機強大的計算能力代替了人工計算，有效的縮短計算所需時間，減少計算出錯率。

5.1 使用方法

（1） 設(shè)計人員在圖2 所示對話框中輸入完基本數(shù)據(jù)后點擊“內(nèi)力計算”按鈕，然后切換到內(nèi)力計算頁面查看內(nèi)力計算結(jié)果， 如若計算結(jié)果不能滿足設(shè)計需求則返回基本數(shù)據(jù)頁面修改基本數(shù)據(jù)從新進行內(nèi)力計算。

（2）內(nèi)力計算結(jié)果滿足設(shè)計需求后，點擊鋼筋截面積計算按鈕， 分別計算在滿槽水深和設(shè)計水深時鋼筋截面積的參考值。 而后據(jù)此參考值輸入選配使用的鋼筋根數(shù)、單根截面積、選配鋼筋截面積。

（3） 選配鋼筋數(shù)據(jù)輸入完成后點擊結(jié)構(gòu)計算按鈕， 進行正截面承載力計算和抗裂及裂縫寬度計算。 若選配的鋼筋滿足承載力和抗裂及裂縫寬度要求則導(dǎo)出計算書， 若不滿足則返回上一步驟重新選配鋼筋，輸入鋼筋數(shù)據(jù)，進行結(jié)構(gòu)計算。 本文是以矩形斷面渡槽側(cè)墻底部界面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算為例的， 底板端部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算以及底板跨中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算操作方法同上。

（4）計算完成后導(dǎo)出計算書，具體操作為返回圖2 所示基本資料頁面， 點擊導(dǎo)出計算書按鈕即可把計算結(jié)果輸出到計算書模板中， 導(dǎo)出計算成果。

5.2 技術(shù)要點

結(jié)構(gòu)計算及計算書編制是數(shù)據(jù)交互最頻繁的一部分，它涉及到模型和計算程序的數(shù)據(jù)互通，涉及到計算程序和Office 的數(shù)據(jù)引用。在編寫計算程序時需要時刻注意數(shù)據(jù)的來源、 引用方式以及輸出位置，實現(xiàn)計算結(jié)果的交叉使用，見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)計算及計算書編制流程圖

5.2.1 Word 計算書模板編制

Word 計算書是最終的交付成果之一， 在編制計算書模板時計算過程、 計算公式均需依照SL191-2008《水工結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》保證計算的完整性。

計算過程是由計算機程序完成的，Word 只作為計算結(jié)果的載體由程序?qū)⒂嬎憬Y(jié)果帶入計算式的過程中， 所以首先要解決怎樣鎖定寫入位置這一關(guān)鍵技術(shù)。 Office 軟件中設(shè)置“書簽”是一種讓字符可被查詢、定位的的方式，所以采用在計算書模板編寫時計算式輸出的結(jié)果先用書簽代替， 在通過后期的二次開發(fā)讓程序計算出的數(shù)值代替標(biāo)簽，實現(xiàn)計算結(jié)果的帶入。

5.2.2 數(shù)據(jù)交互

BIM 正向設(shè)計技術(shù)信息化的優(yōu)勢是建立在數(shù)據(jù)無障礙交互的基礎(chǔ)上的， 但AutoRevit 和Office軟件是兩個獨立的個體，信息只能在其內(nèi)部傳遞，所以只有通過二次開發(fā)搭建一個信息交互的橋梁，才能實現(xiàn)設(shè)計一體化的目標(biāo)，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)集成性的優(yōu)勢。 數(shù)據(jù)交互的代碼關(guān)系圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)交互代碼關(guān)系圖

6 結(jié)語

基于AutoRevit 的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計一體化解決方案是充分發(fā)揮BIM 技術(shù)優(yōu)勢的最新研發(fā)成果，實現(xiàn)了高效參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)計算及計算書自動化編制和自動出圖， 極大程度上降低了BIM 技術(shù)的使用門檻，將有力的推動設(shè)計階段的技術(shù)革新。 對于處理批量性的設(shè)計任務(wù)優(yōu)勢明顯，相應(yīng)的能減少設(shè)計人員投入，增加設(shè)計收入，提升設(shè)計院效益。 □