結(jié)構(gòu)專業(yè)Revit到PKPM貫通軟件的開發(fā)

嚴 旭

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

BIM概念的提出始于上世紀80年代前后，但直至2010年起，BIM技術才在房屋建筑領域逐漸得到廣泛使用[1]。作為一種新興三維設計技術，BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性[2]。Autodesk公司開發(fā)的Revit軟件，能滿足建筑、結(jié)構(gòu)、機電專業(yè)的要求，成為房屋建筑業(yè)使用最廣的BIM軟件之一[3]。

基于Revit平臺，多位專家和學者對結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM設計問題進行研究。龍輝元[4]、喬保娟[5]、楊黨輝[6]、劉照球[7]等研究并實現(xiàn)Revit三維模型和結(jié)構(gòu)分析軟件模型的轉(zhuǎn)換，可用于“翻?！保缓聡圼8]基于Revit建模并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖紙，董愛平[9]基于Revit人工操作建模并完成梁、板、柱、基礎平法圖。李坤[10]在地鐵車站結(jié)構(gòu)設計中采用Revit建模并直接導出至Robot Structrue中進行結(jié)構(gòu)分析；趙華英[11]、王勇[12]等在創(chuàng)建Revit模型和平法圖紙后，利用CSIXRevit將模型導出至Etabs中進行結(jié)構(gòu)分析，但均未解決Revit模型和計算模型如何保持動態(tài)一致的問題。

國內(nèi)軟件商長沙恩為軟件、探索者軟件、盈建科軟件相繼自2011～2014年，基于Revit開發(fā)了結(jié)構(gòu)輔助設計軟件，技術路線在Revit中讀取計算模型后生成Revit三維模型，一鍵形成各層平面布置圖，在Revit中讀取計算結(jié)果并設置配筋參數(shù)，一鍵形成配筋圖和三維鋼筋[13]。因BIM數(shù)據(jù)來源于計算模型，計算模型變更后，無法正確且高效地更新到Revit中，故此方式只適合先計算再繪圖的設計方式。

廣廈軟件在2018年開發(fā)了正向設計軟件GSRevit[14]，技術路線是在Revit三維模型中輸入全部的荷載和參數(shù)后，直接輸出至廣廈結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)計算[15]，可在Revit中一鍵形成模板圖和配筋圖。只利用Revit三維模型，與在PDMS、SmartPlant 3D等BIM軟件中進行開發(fā)沒有本質(zhì)區(qū)別。GSRevit看似提供了完整的操作菜單，但又不能完全替代Revit人機界面，直接使用Revit進行的操作可能不被識別。有簡單的使用案例[16-17]，但操作過程“一氣呵成”，沒有體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計期間反復推敲修改的情形。

以Revit和PKPM軟件之間貫通軟件的開發(fā)為例，介紹軟件開發(fā)和測試的具體過程。利用3個已完工的混凝土框架結(jié)構(gòu)進行SATWE計算結(jié)果的對比驗證，與原SATWE計算結(jié)果進行對比，結(jié)果均100%一致。在實際工程中選擇了3個中小規(guī)模的混凝土框架結(jié)構(gòu)進行BIM正向設計[18]。旨在為BIM平臺軟件指明亟需升級完善的問題，為第三方軟件商規(guī)劃產(chǎn)品路線指明方向。

1 技術路線

對結(jié)構(gòu)設計的工作內(nèi)容進行梳理，可劃分三個部分：“協(xié)同”“圖紙”“計算”?！皡f(xié)同”是專業(yè)內(nèi)、專業(yè)外的配合；“圖紙”是圖紙及統(tǒng)計表；“計算”是計算模型、計算過程及計算書[19]。二維CAD設計，“協(xié)同”主要依靠二維CAD的反復交互，“圖紙”與“計算”是割裂的、需要人工維護二者的一致性[19]。BIM技術的出現(xiàn)，其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性，是解決專業(yè)內(nèi)外的“協(xié)同”的獨特優(yōu)勢。通過Revit混凝土框架[20]、Revit鋼結(jié)構(gòu)框架[21-22]、Revit埋件[23]的設計出圖實例可知，在Revit中，不需要借助任何插件就能解決“圖紙”的問題，結(jié)構(gòu)工程師通過人工操作，可以方便地創(chuàng)建和推敲BIM模型，方便地創(chuàng)建Revit平、立、剖布置圖，完成結(jié)構(gòu)的布置設計，設計總說明、配筋圖、節(jié)點詳圖等與模型無關或關系較小的可以在二維CAD中繪制，也可以逐漸在Revit中積累?？梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)BIM設計，關鍵問題是如何實現(xiàn)“計算”的問題。Revit中人工創(chuàng)建的三維模型，可以很方便地指定為Revit分析模型，若在Revit中添加全部的荷載和參數(shù)，全覆蓋地輸出為計算軟件所需的源數(shù)據(jù)，甚至直接調(diào)用結(jié)構(gòu)計算軟件運行結(jié)構(gòu)分析[24]，避免了模型反復傳導時的更新問題，能最終解決結(jié)構(gòu)設計的“計算”問題。

故確定本次開發(fā)的技術路線：基于Revit分析模型，補充所有荷載和計算所需的參數(shù)后，輸出為結(jié)構(gòu)計算軟件的原始數(shù)據(jù)文件“.jws”；直接調(diào)用結(jié)構(gòu)計算軟件運行“結(jié)構(gòu)分析”；在Revit中讀取內(nèi)力和配筋并進行后處理，如圖1所示。其實質(zhì)是在Revit中嵌入結(jié)構(gòu)計算軟件的前處理和后處理，最終可實現(xiàn)在Revit中直接調(diào)用結(jié)構(gòu)計算軟件進行“結(jié)構(gòu)分析”，且只使用“結(jié)構(gòu)分析”功能。

圖1 Revit結(jié)構(gòu)設計插件技術路線

我院常用的結(jié)構(gòu)計算軟件是PKPM和STAAD.PRO，混凝土結(jié)構(gòu)通常采用PKPM軟件的PM+SATWE模塊進行計算。PM為前處理模塊，SATWE是基于墻元理論的結(jié)構(gòu)高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件[25]，PM和SATWE的原始數(shù)據(jù)都存貯在“.jws”文件中。

2017年3月立項開發(fā)Revit與PKPM軟件PM、SATWE模塊的貫通軟件，命名為ReviSTRU，只開發(fā)在Revit中補全荷載、補全PM和SATWE參數(shù)、輸出“.jws”文件的功能。Revit中導入PKPM內(nèi)力和配筋結(jié)果，在Revit中生成梁、板、柱配筋圖，因現(xiàn)有結(jié)構(gòu)輔助設計軟件已有開發(fā)，故本次不開發(fā)。編程語言采用microsoft公司發(fā)布的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#。

ReviSTRU與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)輔助設計軟件的重要區(qū)別在于：

1)結(jié)構(gòu)工程師先在Revit中人工創(chuàng)建Revit三維模型、Revit圖紙。不需要讀取結(jié)構(gòu)計算軟件中的模型，也不需要做自動成圖的功能；

2)解析Revit分析模型后，以覆蓋的方式輸出計算軟件的源數(shù)據(jù)文件，不存在模型數(shù)據(jù)的更新問題；

3)能夠?qū)崿F(xiàn)在Revit中直接調(diào)用結(jié)構(gòu)計算軟件并運行結(jié)構(gòu)計算。

2 軟件設計

ReviSTRU主界面功能菜單(圖2)有如下功能：添加荷載、設計參數(shù)(含樓層信息、PM設計參數(shù)、SATWE設計參數(shù)、角柱設置)、約束釋放(鋼構(gòu)件約束對比、砼構(gòu)件約束對比、約束識別、桿件角度表、材料等級表)、分析設置、上部分析。

圖2 ReviSTRU功能菜單主界面

2.1 添加荷載

在Revit中，荷載工況的添加與修改，可以利用Revit內(nèi)置的“分析→分析模型→結(jié)構(gòu)設置→荷載工況”功能，不需要二次開發(fā)。

需要注意，從Revit2012～2022版，Revit一直只有6種荷載工況(圖3)。前3種是空間荷載，與構(gòu)件無關聯(lián)；后3種主體荷載雖與構(gòu)件有關聯(lián)，但僅能表示構(gòu)件兩端的節(jié)點荷載、沿構(gòu)件通長分布的線荷載、整個樓板上的面荷載。Revit不直接支持的荷載，目前只能用空間荷載模擬。故在本次開發(fā)中需要對荷載進行“刷新”：當構(gòu)件被移動時，荷載相應移動；當構(gòu)件被刪除時，荷載相應刪除。

圖3 Revit內(nèi)置的6種荷載工況

各荷載工況下荷載的添加、修改、刪除，需要二次開發(fā)，具體為節(jié)點荷載、桿件荷載(均布荷載、均布彎矩、集中力、集中彎矩、線性變化力、梯形分布荷載、柱側(cè)荷載)、樓板荷載、自重荷載(圖4)。在Revit中，荷載的正負值按世界坐標系的方向，荷載垂直向下時為負，在輸出“.jws”文件時轉(zhuǎn)換為PKPM默認的向下為正。

圖4 ReviSTRU中可添加的荷載

在ReviSTRU中荷載輸入界面中，在荷載工況上單擊右鍵，將出現(xiàn)“添加荷載”及荷載的修改、刪除等功能(圖5左)。在具體荷載上單擊右鍵，將出現(xiàn)“單選施加荷載”和“批量施加荷載”等功能(圖5右)，在Revit分析模型中選擇節(jié)點或構(gòu)件后，即可施加荷載。在Revit中不宜與PM一樣在平面圖上輸入樓板荷載，故結(jié)合Revit的特點進行改進：施加樓板荷載時，只需要在Revit分析模型的三維視圖中單擊樓板，自動搜索該點樓板周邊的梁所圍成的區(qū)域，用Revit的空間面荷載表示該樓板的面荷載。

圖5 ReviSTRU添加荷載與施加荷載

2.2 樓層信息

輸出“.jws”，必須明確標準層及層高。逐層設置樓層信息相當不便，故開發(fā)樓層信息對話框(圖6)，在Revit中讀取所有的標高列表，勾選是否設定為PKPM的標準層，層高則由軟件自動計算，并定義各層梁、板、柱、墻默認的混凝土強度、鋼筋強度、配筋率。

圖6 ReviSTRU的樓層信息

Revit模型是實際的模型，故不存在標準層的概念。輸出“.jws”時，Revit中每個自然層就是一個標準層，不考慮標準層合并。對于不屬于標準層的構(gòu)件，按層間構(gòu)件(梁、板、柱)考慮。

對于需要單獨設定材質(zhì)的構(gòu)件，直接在Revit的“結(jié)構(gòu)材質(zhì)”中設定(圖7)。ReviSTRU會搜索構(gòu)件的“結(jié)構(gòu)材質(zhì)”是否含“Cxx”“Q235”“Q345”等強度值，若有，則會單獨設定該構(gòu)件(梁、板、柱、墻)的指定強度值。

圖7 ReviSTRU構(gòu)件特定強度的設定

2.3 PM和SATWE設計參數(shù)

在ReviSTRU中，需輸入PM和SATWE所需的全部參數(shù)，故開發(fā)這些參數(shù)全部的輸入界面。“.jws”是二進制加密文件，目前只掌握2.x版“.jws”格式，無法輸出新版“.jws”格式，故目前采取的措施是對不能保存到2.x版的參數(shù)予以提示。因現(xiàn)版SATWE不能直接打開2.x版“.jws”文件，故每次輸出“.jws”后，必須用PM打開并更新數(shù)據(jù)格式。

PM參數(shù)對話框，用綠色表示無法輸出的參數(shù)，并在下方以文字注明(圖8)。例如，“矩形房間導荷載，邊被打斷時，將大梁上的梯形、三角形荷載拆分到小梁上”“鋼框架抗震等級”“抗震構(gòu)造措施的抗震等級”，若實際取值恰巧是當前PM的默認值，則不用在PM中修改。否則，每次結(jié)構(gòu)計算前都必須使用PM修改。對于既可在PM參數(shù)中設定又可在SATWE中設定的參數(shù)，用藍色表示。

圖8 ReviSTRU的PM設計參數(shù)——地震信息

SATWE參數(shù)對話框，用紅色表示無法輸出的參數(shù)，并在下方以文字注明(圖9)。若實際取值恰巧是當前SATWE的默認值，則不用在SATWE中修改，否則，每次結(jié)構(gòu)計算前都必須使用SATWE修改。

圖9 ReviSTRU的SATWE設計參數(shù)——地震信息

2.4 角柱設置

在SATWE前處理的特殊構(gòu)件中，需要設定角柱。Revit沒有角柱信息的存放位置，故在構(gòu)件族中創(chuàng)建一個“結(jié)構(gòu)性質(zhì)”的實例參數(shù)，用于存放角柱信息。在ReviSTRU中，有必要增加“角柱設置”功能(圖10)，讀取并羅列所有桿件的是否為角柱，且與構(gòu)件聯(lián)動：在模型里選中構(gòu)件，則表中自動跳轉(zhuǎn)至該構(gòu)件的角柱與否情況；在表中雙擊某行，則模型中予以高亮顯示該行所對應的構(gòu)件。

圖10 ReviSTRU的角柱設置

2.5 構(gòu)件約束對比

在Revit分析模型中，可以人工干預構(gòu)件起點、終點的約束釋放，但不能直接觀察各構(gòu)件的約束釋放情況。故有必要在ReviSTRU中增加“鋼構(gòu)件約束對比”和“砼構(gòu)件約束對比”功能(圖11)，讀取并羅列所有桿件的兩端約束情況，且與構(gòu)件聯(lián)動：在模型里選中構(gòu)件，則表中自動跳轉(zhuǎn)至該構(gòu)件的約束釋放情況；在表中雙擊某行，則模型中予以高亮顯示該行所對應的構(gòu)件。

圖11 ReviSTRU的混凝土構(gòu)件約束對比

2.6 桿件角度表

在Revit中，不能直接觀察構(gòu)件的自轉(zhuǎn)角度。故有必要在ReviSTRU中增加“桿件角度表”功能(圖12)，讀取所有桿件的自轉(zhuǎn)角度，且與構(gòu)件聯(lián)動：在模型里選中構(gòu)件，則表中自動跳轉(zhuǎn)至該構(gòu)件的轉(zhuǎn)角；在表中雙擊某行，則模型中予以高亮顯示該行所對應的構(gòu)件。

圖12 ReviSTRU的桿件角度表

2.7 材料等級表

在Revit中，不便于直觀查看各構(gòu)件的強度。故有必要在ReviSTRU中增加“材料等級表”功能，如圖13所示，讀取所有桿件的材料強度，且與構(gòu)件聯(lián)動：在模型里選中構(gòu)件，則表中自動跳轉(zhuǎn)至該構(gòu)件的強度；在表中雙擊某行，則模型中予以高亮顯示該行所對應的構(gòu)件。

圖13 ReviSTRU的材料強度等級表

3 分析設置與上部分析

輸出“.jws”文件，默認只讀取分析模型，分析軟件選擇“ePKPM”，如圖14所示。

圖14 ReviSTRU的分析模型設置

在Revit中布置樓板時，按整塊樓板建模即可，沒有必要基于梁的位置分塊建板。ReviSTRU會在輸出到“.jws”文件時，根據(jù)梁的分析線劃分樓板。樓板上的矩形和圓形孔洞，輸出到“.jws”文件時，是100%的真實輸出，如圖15所示。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，SATWE在進行結(jié)構(gòu)計算時，會扣除孔洞區(qū)域的樓面荷載。

圖15 ReviSTRU的分析模型設置

單擊“上部分析”按鈕，ReviSTRU即按“分析設置”的設定輸出“.jws”文件，先在Revit模型文件所在目錄下創(chuàng)建 “Revi2SATWE計算模型” 子目錄(圖16)，然后解析Revit分析模型中的梁、板、柱等構(gòu)件，將構(gòu)件在交點處打斷，將Revit中的各個恒載工況均合并到PM的恒載中，將Revit中的各個活載工況都合并到PM的活載中，并將PM和SATWE參數(shù)直接寫入“.jws”(圖17)。因不能實現(xiàn)直接調(diào)用PM或SATWE，故每次輸出“.jws”文件時，ReviSTRU均會打開“Revi2SATWE計算模型”目錄，以提示結(jié)構(gòu)工程師程序輸出已完成。

圖16 ReviSTRU的創(chuàng)建的子目錄“Revi2SATWE計算模型”

圖17 子目錄“Revi2SATWE計算模型”中的文件

4 軟件測試

軟件測試分為三個階段：模塊測試、整體測試、對比驗證。

軟件開發(fā)期間，跟隨軟件模塊的開發(fā)進行模塊測試，對每個具體的模塊進行反復測試與優(yōu)化，直到輸出正確的結(jié)果。

2019年軟件開發(fā)完成后，進行軟件的整體測試。ReviSTRU輸出“.jws”后，在PM和SATWE中打開并檢查構(gòu)件、荷載、參數(shù)，反復測試與優(yōu)化，直到與ReviSTRU中的輸入完全一致。

完成整體測試后，就實現(xiàn)了本次開發(fā)的目標。但是不能肯定SATWE運行結(jié)果是否正確，有沒有其它問題，故有必要與已完成的實際工程進行對比驗證?？紤]到建模的工作量，選擇3個中等體量且已完工的混凝土框架結(jié)構(gòu)進行對比驗證，具體操作為：對照結(jié)構(gòu)施工圖和計算模型，在Revit中人工創(chuàng)建Revit模型，使用ReviSTRU在Revit中完成荷載輸入、PM和SATWE參數(shù)輸入，輸出2.x版的“.jws”后，先用PM打開并更新數(shù)據(jù)格式，再采用SATWE進行計算，最終要能得到與已有計算模型完全一致的計算結(jié)果。

對比驗證發(fā)現(xiàn)，在模型一致、參數(shù)一致的情況下，SATWE中各荷載工況的構(gòu)件彎矩、剪力、軸力、配筋、位移、地震效應，及指標匯總信息、柱腳內(nèi)力等等，都與對照模型100%一致。在PKPM的“砼施工圖”模塊中，梁、板、柱在同樣的配筋參數(shù)下，實際配筋結(jié)果與對照模型也是100%一致。通過對比驗證，以事實證明軟件輸出結(jié)果可信，可以用于工程設計。

5 應用案例

2020年，選擇3個中小規(guī)模的混凝土框架結(jié)構(gòu)進行工程應用。操作步驟與對比驗證相同，不同之處在于沒有對比模型，不使用AutoCAD，直接在Revit中建模進行正向結(jié)構(gòu)設計，在Revit中完成全部圖紙。

第一個是某項目危廢儲存間結(jié)構(gòu)(圖18)，單層，荷載較為簡單，只有樓面荷載、女兒墻線荷載，施工圖共3張，均放在一個Revit圖紙視圖中。

第二個是某項目凝結(jié)水回收泵房結(jié)構(gòu)(圖19)，2層，荷載也較為簡單，只有樓面荷載、女兒墻線荷載，施工圖共3張，在Revit圖紙視圖分開放置。

圖18 某項目危廢儲存車間結(jié)構(gòu)

圖19 某項目凝結(jié)水回收泵房結(jié)構(gòu)

第三個是某項目消防值班樓結(jié)構(gòu)[20]，4層，有節(jié)點荷載、梁集中力、梁線荷載、多種樓面荷載，每個Revit圖紙視圖放置一張施工圖(圖20)。

圖20 某項目消防值班樓結(jié)構(gòu)

因當前使用的SATWE不能直接打開ReviSTRU輸出的2.x版的“.jws”文件，故每次進行結(jié)構(gòu)計算之前，必須先用PM打開并更新“.jws”文件，順便設置ReviSTRU中不能設定的PM參數(shù)，再用SATWE前處理設置ReviSTRU中不能設定的SATWE參數(shù)，最后運行SATWE進行結(jié)構(gòu)計算。

完成SATWE結(jié)構(gòu)計算之后，在PKPM中設定梁、板、柱的配筋參數(shù)，完成梁、板、柱的配筋。當Revit中的結(jié)構(gòu)模型有修改時，重新用ReviSTRU輸出“.jws”文件即可，梁、板、柱的配筋參數(shù)依舊存在，重新生成梁、板、柱的鋼筋即可。

6 結(jié)語

通過ReviSTRU的開發(fā)、測試、驗證及應用案例，證實在Revit中完成結(jié)構(gòu)計算軟件前處理功能、輸出結(jié)構(gòu)計算軟件所需的全部數(shù)據(jù)是可行的，避免了BIM模型和計算模型相互之間的“更新”問題。

當前版本Revit自帶的荷載類型太少，很多荷載都只能用Revit空間荷載模擬。構(gòu)件變動后，需要重新將荷載與構(gòu)件匹配。若每一步修改都自動刷新荷載，可能導致臨時不能與構(gòu)件匹配的荷載丟失，當模型較大時，還會產(chǎn)生等待時間，故目前選擇人工“刷新”荷載的方式。用空間荷載模擬顯示的樓板荷載，在梁移動后還是發(fā)現(xiàn)有未更新到位的情況，需要進一步優(yōu)化算法解決。最終的解決辦法是AutoDESK公司完善Revit的荷載類型，包括樓板荷載的輸入與剖分，使用空間荷載而產(chǎn)生的問題將不復存在。

目前沒有開發(fā)其他SATWE特殊構(gòu)件的對應設置，只完善了梁、板、柱相關的功能，用于框架結(jié)構(gòu)、框架支撐結(jié)構(gòu)的Revit正向設計。進一步，可以開發(fā)與“墻”相關的功能，實現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的正確輸出。

目前每次輸出的“.jws”文件，必須用PM打開才能更新，才能被SATWE識別。若PKPM開放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和SATWE調(diào)用接口，可以實現(xiàn)在Revit中直接調(diào)用SATWE運行其“計算功能”，則可以不必使用PM。

將結(jié)構(gòu)計算軟件的前處理、后處理都嵌入Revit中，結(jié)構(gòu)設計時甚至只需要調(diào)用結(jié)構(gòu)計算軟件運行其“計算”功能。在Revit中進行結(jié)構(gòu)正向設計和計算，不需要在AutoCAD中繪制圖紙、也不需要在結(jié)構(gòu)計算軟件中建模，利于結(jié)構(gòu)工程師專注于“設計”。對于沒有“出圖”功能的結(jié)構(gòu)計算軟件如STAAD、MIDAS，可以彌補其不足，在Revit中完成后處理。

將來實現(xiàn)直接調(diào)用結(jié)構(gòu)計算軟件運行分析計算時，可以考慮歸集到少量的幾臺服務端進行計算，計算結(jié)果則通過內(nèi)網(wǎng)返回用戶端，能大大節(jié)省購買結(jié)構(gòu)計算軟件的費用。