基于C#的預(yù)制構(gòu)件庫(kù)與參數(shù)化建模的二次開(kāi)發(fā)

李影 程火焰 丁浩 屈鋒

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

引言

2020 年發(fā)布的“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃中提出，需要大力推廣裝配式建筑，建立智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的政策和產(chǎn)業(yè)體系，使裝配式建筑在新建建筑中的比例達(dá)到30%以上。

BIM 技術(shù)迅速普及的同時(shí)，一些弊端也暴露出來(lái)，如由于模型精度低在工程全生命周期的實(shí)際參與度不高，高精度模型的建模效率低，國(guó)內(nèi)模型標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，BIM 模型建筑信息不能得到充分應(yīng)用等。國(guó)內(nèi)的Revit二次開(kāi)發(fā)以橄欖山軟件為基礎(chǔ)，功能包括批量創(chuàng)建樓層、軸網(wǎng)、墻和梁等構(gòu)件，提供了建筑、結(jié)構(gòu)精細(xì)化翻模功能，基于此，開(kāi)發(fā)了預(yù)制構(gòu)件模型的族庫(kù)管理[1]、工程量計(jì)算[2]。在設(shè)計(jì)方面，主要體現(xiàn)在預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)上，如預(yù)制構(gòu)件的拆分設(shè)計(jì)[3]；剪力墻、疊合板的深化設(shè)計(jì)[4,5]；配筋率的優(yōu)化等[6]。為滿(mǎn)足更多設(shè)計(jì)要求，基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)研究Revit 與PKPM、ANSYS、MIDAS、ABAQUS 結(jié)構(gòu)分析軟件轉(zhuǎn)換接口[7-10]。

為解決裝配式建筑設(shè)計(jì)工作復(fù)雜、設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)過(guò)程智能化程度低、模型信息利用不充分等問(wèn)題，本文通過(guò)分析現(xiàn)階段裝配式設(shè)計(jì)方法和BIM 技術(shù)的特點(diǎn)，將BIM 技術(shù)應(yīng)用到裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)了預(yù)制構(gòu)件族庫(kù)及參數(shù)化建模插件。

1 基于C#的二次開(kāi)發(fā)研究

C#語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)與Revit API 函數(shù)之間的數(shù)據(jù)交互，在VS 中通過(guò)抽取調(diào)用所需要的Revit API 函數(shù)編寫(xiě)程序代碼，以此在Revit 中實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。在使用Dynamo 可視化編程工具進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，需要人工輸入?yún)?shù)并使用Dynamo 進(jìn)行交互時(shí)可能導(dǎo)致Revit 建模軟件的運(yùn)行速度變慢。特別是在處理復(fù)雜工程情況下，這會(huì)影響工作效率[11]。

因此, 本文以Revit2020 為結(jié)構(gòu)建模平臺(tái)，利用Revit API 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，需要基于.NETFramework4.5 及以上編程環(huán)境進(jìn)行編譯和調(diào)試，故選擇微軟公司提供的VisualStudio2019，并以可讀性以及可編譯性更好的C#作為編程語(yǔ)言，采用外部命令（IExternal Command）的方式開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換接口。在模型轉(zhuǎn)換接口開(kāi)發(fā)之前，需要搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境，詳細(xì)的流程如圖1 所示。本文對(duì)預(yù)制構(gòu)件族模型的建模精度需達(dá)到LOD300。

圖1 Revit 二次開(kāi)發(fā)流程圖

2 預(yù)制構(gòu)件庫(kù)模塊開(kāi)發(fā)

各項(xiàng)目間裝配式建筑信息的共享通過(guò)預(yù)制構(gòu)件族庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，族庫(kù)的作用主要體現(xiàn)在為BIM 設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的設(shè)計(jì)。本文的預(yù)制構(gòu)件族庫(kù)由三個(gè)功能組成，分別是預(yù)制構(gòu)件入庫(kù)功能、預(yù)制構(gòu)件預(yù)覽功能、預(yù)制構(gòu)件加載功能。預(yù)制構(gòu)件庫(kù)模塊技術(shù)路線為：預(yù)制構(gòu)件分類(lèi)→預(yù)制構(gòu)件入庫(kù)→預(yù)制構(gòu)件預(yù)覽→預(yù)制構(gòu)件加載。

本文的預(yù)制構(gòu)件按系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和圍護(hù)系統(tǒng)，其中結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分為豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件，圍護(hù)系統(tǒng)分為外墻圍護(hù)構(gòu)件和內(nèi)墻圍護(hù)構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件族的創(chuàng)建過(guò)程可分為以下五個(gè)步驟：

（1）選擇相應(yīng)類(lèi)型的族樣板；

（2）用拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣、融合、放樣、融合、空心形狀指令按照設(shè)計(jì)進(jìn)行建模；

（3）對(duì)“族”尺寸參數(shù)及參數(shù)之間的空間邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)置；

（4）對(duì)“族”的其他屬性進(jìn)行設(shè)置；

（5）將“族”載入項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試。

本文所建立的預(yù)制構(gòu)件族模型分類(lèi)如表1 所示。

表1 預(yù)制構(gòu)件分類(lèi)

預(yù)制構(gòu)件入庫(kù)即將族模型保存在程序中設(shè)置好的路徑文件夾中，為不占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行內(nèi)存，路徑設(shè)置為計(jì)算機(jī)D 盤(pán)下的族庫(kù)文件夾，再根據(jù)預(yù)制構(gòu)件分類(lèi)建立子文件夾，如圖2 所示，將各預(yù)制構(gòu)件族模型按類(lèi)別存放于對(duì)應(yīng)子文件夾中，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件族文件的入庫(kù)。

圖2 預(yù)制構(gòu)件族入庫(kù)

預(yù)制構(gòu)件預(yù)覽主要為設(shè)計(jì)師提供無(wú)需加載族模型就可看到模型的三維圖功能，方便設(shè)計(jì)師選擇族，避免錯(cuò)誤選擇預(yù)制構(gòu)件，減少項(xiàng)目占用內(nèi)存。預(yù)制構(gòu)件族的三維預(yù)覽圖在窗臺(tái)加載時(shí)通過(guò)鏈接地址加載至族庫(kù)界面，構(gòu)件預(yù)覽功能實(shí)現(xiàn)流程如下：程序查詢(xún)對(duì)應(yīng)類(lèi)別文件夾下“.rfa”格式文件，程序按族名稱(chēng)和預(yù)覽圖羅列于族庫(kù)界面，程序關(guān)鍵代碼如圖3 所示，程序功能實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

圖4 構(gòu)件預(yù)覽界面

族庫(kù)平臺(tái)最重要的功能在于將預(yù)制構(gòu)件族模型載入到項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)師在族庫(kù)平臺(tái)中找到需要的預(yù)制構(gòu)件族模型后，點(diǎn)擊載入項(xiàng)目，即可在項(xiàng)目中使用該族。平臺(tái)識(shí)別并載入到項(xiàng)目指令后，平臺(tái)查詢(xún)?cè)撟灞镜刭Y源庫(kù)的路徑地址，然后再將其傳遞給事務(wù)，最后執(zhí)行載入命令，程序關(guān)鍵代碼如圖5 所示，程序功能實(shí)現(xiàn)如圖6 所示。

圖5 構(gòu)件加載功能程序語(yǔ)言

圖6 預(yù)制構(gòu)件族載入

3 參數(shù)化建模模塊開(kāi)發(fā)

本文所涉及到的參數(shù)化建模程序包含建筑模型生成軸網(wǎng)、柱、梁功能、建筑墻附著結(jié)構(gòu)梁功能、建筑墻荷載信息統(tǒng)計(jì)功能這五項(xiàng)功能，分開(kāi)用Add-In Manager 插件進(jìn)行使用比較繁瑣，因此在Revit 中新建“結(jié)構(gòu)建?！边x項(xiàng)卡，并將上述五個(gè)功能通過(guò)按鈕鏈接程序集，如圖7 所示。

圖7 參數(shù)化建模界面

（1）設(shè)計(jì)師單擊“生成軸網(wǎng)”按鈕，提示所用軸網(wǎng)的族類(lèi)型及軸網(wǎng)所放置的標(biāo)高，將按鈕值傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)讀取所選標(biāo)高的墻體的線信息，并存儲(chǔ)于集合中，將命令傳遞給事務(wù)，程序遍歷模型中所有墻模型，然后執(zhí)行生成軸網(wǎng)的命令；

（2）設(shè)計(jì)師單擊“生成柱”按鈕，提示所用柱的族類(lèi)型及柱所放置的標(biāo)高，柱頂標(biāo)高默認(rèn)為上層結(jié)構(gòu)標(biāo)高，將按鈕值傳至系統(tǒng)，程序讀取該標(biāo)高處軸網(wǎng)的所有交點(diǎn)并收集，將命令傳遞給事務(wù)，程序執(zhí)行柱生成命令；

（3）識(shí)別視圖中的軸網(wǎng)，結(jié)合Revit 中梁建模的方法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則判斷梁尺寸，選擇建模標(biāo)高及族類(lèi)型，完成梁自動(dòng)生成過(guò)程。梁生成的具體流程與柱相似；

（4）設(shè)計(jì)師單擊“墻齊梁底”按鈕，框選所需齊梁底的墻，將按鈕值傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)讀取該標(biāo)高處梁的高度信息并收集，將墻的頂標(biāo)高減去梁高，程序傳遞給事務(wù)，執(zhí)行修改標(biāo)高命令;

（5）Revit 墻模型在進(jìn)行門(mén)窗創(chuàng)建后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算開(kāi)洞后墻的體積，如圖8 所示，提出以拾取建筑墻體積參數(shù)的方式與結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)相結(jié)合導(dǎo)出線荷載的方法，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

圖8 墻體積

程序收集墻的體積和長(zhǎng)度信息，并通過(guò)墻的材質(zhì)，根據(jù)計(jì)算輸入荷載系數(shù)，自動(dòng)計(jì)算所有建筑墻的線荷載。具體實(shí)現(xiàn)的流程是：設(shè)計(jì)師單擊“線荷載統(tǒng)計(jì)”按鈕，提示輸入線荷載系數(shù)，系統(tǒng)收集所有墻的ID、體積、長(zhǎng)度參數(shù)，然后傳遞給事務(wù)，最后執(zhí)行計(jì)算命令并設(shè)置excel 導(dǎo)出的路徑。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

某教學(xué)樓總建筑面積為15 268.67m2，為地下一層、地上四層的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，裝配式預(yù)制構(gòu)件主要采用預(yù)制圍護(hù)墻、鋼筋桁架疊合樓板。本工程使用Revit2020 軟件結(jié)合預(yù)制構(gòu)件庫(kù)，建立建筑部分的模型，如圖9 所示。

圖9 Revit 建筑模型

4.2 裝配式構(gòu)件模型的創(chuàng)建

建筑模型建立完成后，采用本文開(kāi)發(fā)的參數(shù)化建模程序結(jié)合預(yù)制族庫(kù)建立結(jié)構(gòu)部分的模型，主要包括生成軸網(wǎng)、生成柱、生成梁及墻齊梁底四部分參數(shù)化建模如圖10（a）～（d）所示。

圖10 參數(shù)化建模圖

在建筑模型中的建筑墻附著于結(jié)構(gòu)梁底后，選擇線荷載統(tǒng)計(jì)功能，設(shè)置墻的容重和導(dǎo)出路徑，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算每片墻的線荷載，并導(dǎo)出excel 文件，墻的容重設(shè)置為18KN/m3，通過(guò)在Revit 中查詢(xún)構(gòu)件ID 所需墻的線荷載，如圖11 ～圖12 所示。

圖11 模型線荷載導(dǎo)出

圖12 墻線荷載查找

通過(guò)參數(shù)化建?？傻贸鲰?xiàng)目的結(jié)構(gòu)模型，如圖13所示，由結(jié)構(gòu)參數(shù)化建?？傻贸觯鄬?duì)于傳統(tǒng)建模，參數(shù)化建模效率高，節(jié)省了大量的建模時(shí)間，設(shè)計(jì)初期即可實(shí)現(xiàn)預(yù)制柱、預(yù)制梁的選擇。

圖13 Revit 結(jié)構(gòu)模型

5 結(jié)論

本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范及圖集建立標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制構(gòu)件族模型，在Revit 中進(jìn)行裝配式建筑模型的建立時(shí)，可以直接調(diào)用族庫(kù)中的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行建模，以此提高裝配式建筑建模的標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)果表明：

（1）針對(duì)結(jié)構(gòu)模型建模，通過(guò)開(kāi)發(fā)參數(shù)化建模的三個(gè)程序，實(shí)現(xiàn)由建筑模型到軸網(wǎng)，再由軸網(wǎng)生成結(jié)構(gòu)模型的柱、梁，達(dá)到了參數(shù)化建結(jié)構(gòu)模型的目的；

（2）通過(guò)參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑結(jié)構(gòu)模型的快速建模和 “一模多用”的理念；

（3）基于參數(shù)化建模開(kāi)發(fā)的建筑墻齊梁底及建筑墻線荷載信息統(tǒng)計(jì)程序能實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化，為結(jié)構(gòu)計(jì)算提供便捷。