劉濟(jì)凡 熊 峰

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065)

基于BIM的管道支吊架輔助布置系統(tǒng)

劉濟(jì)凡 熊 峰

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065)

基于BIM開發(fā)研究了管道系統(tǒng)支吊架的輔助布置系統(tǒng)，系統(tǒng)以通用BIM軟件REVIT為平臺(tái)，通過二次開發(fā)，創(chuàng)建了各類支吊架模型庫，在管道設(shè)計(jì)圖模型上直接添加支吊架模型，將管道支吊架安全復(fù)核與三維實(shí)體布置結(jié)合，精準(zhǔn)確定支吊架位置并直觀顯現(xiàn)，提高了施工的精細(xì)度。同時(shí)提供了物料統(tǒng)計(jì)功能，為設(shè)計(jì)方案的比選和優(yōu)化提供了便利。

BIM;Revit；管道支吊架設(shè)計(jì)；二次開發(fā)；精細(xì)化施工

1 研究背景

許多大型工程都包含復(fù)雜的管道系統(tǒng)，由設(shè)備工程師設(shè)計(jì)管道型號并布置走向。但其支吊架通常都是由安裝方根據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場布置，一般不作事前設(shè)計(jì)，圖紙上也不作注明。因此支吊架安裝比較隨意，用量往往較規(guī)范要求偏多，常常造成較大浪費(fèi)。特別在多層交叉等復(fù)雜部位，由于不進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，為了安全設(shè)置的支吊架數(shù)量時(shí)常偏多。

BIM(Building Information Modeling)，即建筑信息模型，是建筑工程項(xiàng)目各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的總匯。利用BIM，不僅可形象地展現(xiàn)建筑工程，還可進(jìn)行各項(xiàng)過程仿真模擬及數(shù)據(jù)共享，提高各方協(xié)同工作效率，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的精細(xì)化管理。BIM的出現(xiàn)為管道工程精細(xì)化設(shè)計(jì)與安裝提供了基礎(chǔ)，然而，目前在管道工程領(lǐng)域， BIM的應(yīng)用主要用在碰撞檢查，避免施工出錯(cuò)，對其它方面如管道支吊架的輔助設(shè)計(jì)等涉及較少。

本文基于BIM通用軟件Revit，通過二次開發(fā)，增加了管道支吊架設(shè)計(jì)功能，為目標(biāo)管線選定支吊架類型后，系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行力學(xué)安全性能分析，確定支吊架的位置。系統(tǒng)內(nèi)置了建立了常規(guī)支吊架構(gòu)件模型庫，最終不僅能出二維平面施工圖，還能以三維形式展現(xiàn)布置情況，同時(shí)還能統(tǒng)計(jì)各類支吊架的數(shù)量。本系統(tǒng)可以幫助安裝工程師在施工前確定支吊架的布置方案，提高施工的精確性。

2 研究思路

分析結(jié)合傳統(tǒng)的管道支吊架布置過程，從確定支吊架的類型、確定支吊架的安裝位置以及支吊架的物料統(tǒng)計(jì)三個(gè)方面切入，結(jié)合常用BIM軟件的工作模式，確定了該系統(tǒng)的必要功能和工作流程。

2.1 支吊架的類型的確定

由于管道布置方式多樣，管線走向復(fù)雜，具體位置處支吊架的類型一般由安裝工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，因此系統(tǒng)內(nèi)置各種管道支架的三維模型構(gòu)件庫，方便設(shè)計(jì)布置時(shí)直接調(diào)用。

2.2 支吊架安裝位置的確定

對于某根(排)管線來說，確定支吊架類型后，需要明確其安裝的位置，為此一般考慮以下兩點(diǎn)[1]：

(1)支吊架數(shù)量：安裝足夠數(shù)量的支吊架才能承受對象管道的運(yùn)行重量，不至于出現(xiàn)支吊架超載、損壞的現(xiàn)象。

(2)管道強(qiáng)度/撓度限制:根據(jù)管道設(shè)計(jì)理論與規(guī)范的要求，水平布置管道的支吊架間距確定應(yīng)滿足以下2個(gè)條件(以剛管道為例)：

a)強(qiáng)度條件：應(yīng)控制管道自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，使管道的持續(xù)外載當(dāng)量應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。一般鋼管道的彎曲應(yīng)力不宜大于16 MPa。

b)剛度條件：應(yīng)控制管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，使管道能正常疏、放水。管道的相對撓度應(yīng)小于管道疏放水時(shí)實(shí)際坡度的1/4。對于可能產(chǎn)生振動(dòng)或有抗地震要求的管道，還應(yīng)根據(jù)其振因控制管道的撓度，使管道的固有頻率值在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。一般鋼管道的彎曲撓度不宜大于2.5 mm。

對間距的確定，系統(tǒng)應(yīng)提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)輸入必要初始參數(shù)即可進(jìn)行支吊架用量估算和強(qiáng)度與剛度驗(yàn)算的工作流，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)支吊架的輔助布置。

2.3 物料統(tǒng)計(jì)

管道系統(tǒng)可能有多種支吊架布置方案，所以需要進(jìn)行支吊架的物料統(tǒng)計(jì)，從而對成本進(jìn)行估算，為各種方案的比選和優(yōu)化提供依據(jù)。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)支吊架數(shù)量也能方便施工備料，因此系統(tǒng)應(yīng)提供自動(dòng)分類統(tǒng)計(jì)各種支吊架數(shù)量的功能。

綜上，總結(jié)了系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯框圖(圖1)。

3 開發(fā)平臺(tái)及開發(fā)工具

目前BIM軟件較多，對管道設(shè)計(jì)與碰撞檢查，實(shí)際工程經(jīng)常選用的有Revit、Magic CAD等，本系統(tǒng)為了從普及度、兼容性等角度出發(fā)考慮，選用Revit作為平臺(tái)，Visual C#作為開發(fā)工具，進(jìn)行二次開發(fā)，添加管道支吊架輔助布置系統(tǒng)。

3.1 Revit

Revit是Autodesk公司開發(fā)的一套BIM系列軟件，其主要功能是建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)的三維信息化建模。利用Revit，可以將建筑項(xiàng)目所有的 圖紙、二維視圖和三維視圖、明細(xì)表以及它們所攜帶的各類信息都集成在一個(gè)三維模型中，同時(shí)，Revit的參數(shù)化修改引擎可自動(dòng)協(xié)調(diào)、同步在任何位置(模型視圖、圖紙、明細(xì)表、剖面和平面中)進(jìn)行的修改。相較于市面上的其他BIM軟件，Revit的兼容性、功能可拓展性更佳，應(yīng)用程序接口也更為成熟。

3.2 Visual C#

Revit提供的API接口支持Visual C#和Visual Basic語言，其中Visual C#是微軟開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，是微軟.NET開發(fā)環(huán)境的重要組成部分。它是為生成在 .NET Framework 上運(yùn)行的多種應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的。C# 簡單、功能強(qiáng)大、類型安全，而且是面向?qū)ο蟮?。相較于VB，C#憑借它的許多創(chuàng)新，在保持C樣式語言的表示形式和優(yōu)美的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的更加快速和高效的開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)邏輯框圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 新建管道支吊架族

“族”[6](family)是Revit 中的一個(gè)的概念，就如同AUTOCAD中的所有圖元都是基于點(diǎn)、線、面的一般，Revit中的所有圖元都是基于族的。一個(gè)族包含了一組同一性質(zhì)的三維圖元(如柱族、梁族、窗族等)，這些圖元能夠在族內(nèi)定義多種類型，每種類型可以具有不同的尺寸、形狀、材質(zhì)設(shè)置或其他參數(shù)，參數(shù)的種類和數(shù)值可以手動(dòng)添加和修改，與參數(shù)對應(yīng)的模型的狀貌也會(huì)隨之變化。Revit本身擁有內(nèi)容豐富的族庫，包含了建筑/結(jié)構(gòu)柱、建筑/結(jié)構(gòu)梁、樓板、管道等等上百種族，不僅如此，使用Revit的族編輯器，還能夠根據(jù)需求自主創(chuàng)建新的建筑構(gòu)件和圖形/注釋構(gòu)件的三維模型。

圖2 單層U型吊架族

圖3 雙層U型吊架族

管道支架輔助布置系統(tǒng)開發(fā)的第一步就是建立可以供設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用的支吊架的三維模型，利用Revit族編輯器，創(chuàng)建了一些常用的支吊架族[2]，包括單/雙層U型吊架族、卡箍吊架族、角鋼支架族(如圖2～5所示)。這些族內(nèi)的三維圖元具有與實(shí)物相似的外形，內(nèi)置了各種可供修改的參數(shù)，以單層U型吊架為例，它內(nèi)置了吊桿長度/半徑、吊梁長度、吊梁橫截面長/寬、吊架對應(yīng)管道半徑等等共計(jì)八個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以通過修改這些參數(shù)，使得調(diào)用的單層U型吊架模型的尺寸相符于實(shí)際的市場規(guī)格。

圖4 卡箍吊架族

圖5 角鋼支架族

4.2 添加共享參數(shù)[6]

Revit中每一個(gè)構(gòu)件模型都攜帶著自身的基本信息，以管道為例，Revit自帶的管道構(gòu)件包含長度、內(nèi)徑、外徑、材質(zhì)、粗糙度等等一系列可修改的屬性參數(shù)，本系統(tǒng)的計(jì)算模塊需要涉及到管道的運(yùn)行重量、管道材料的彈性模量以及管道的截面慣性矩這些Revit構(gòu)件本身不自帶的參數(shù)，所以需要通過Revit內(nèi)置的設(shè)置共享參數(shù)的方式將這些參數(shù)添加到對象構(gòu)件信息中去(如圖6～7所示)。

4.3 編寫源程序 interface

為了實(shí)現(xiàn)Revit平臺(tái)中的二次開發(fā)，需要利用Visual C 創(chuàng)建一個(gè)類庫(Class Library)，在類庫中編寫Estimate(估算)類、Checking calculation(驗(yàn)算)類和Statistics(物料統(tǒng)計(jì))類三個(gè)模塊[3](圖8)，最后在Revit中調(diào)用它們(圖9)。模塊的編寫思路如下：

圖6 共享參數(shù)添加界面

圖7 屬性界面中的共享參數(shù)

(1)Estimate類：編寫一個(gè)可供用戶輸入數(shù)據(jù)的windows窗口，用戶輸入所選支吊架的拉力設(shè)計(jì)值(設(shè)為f)。利用Revit的API接口的“點(diǎn)選”和“讀取參數(shù)”功能，用戶可以選中需要布置的一根(或一排)管道，并從管道的共享參數(shù)中獲取運(yùn)行重量(設(shè)為g)，隨后假設(shè)所有吊架平均受力，估算吊架的用量(設(shè)為n)，n=g/f(取整)+1.

圖8 源程序編寫界面

圖9 Revit中外部程序調(diào)用界面

(2)Checkingcalculation類:以連續(xù)梁模型作為帶支吊架管道的計(jì)算模型(管道對應(yīng)梁，支吊架對應(yīng)所在位置的鉸支座),利用矩陣位移法[7]編寫程序,計(jì)算出每一跨管道(相鄰兩鉸支座之間部分記為一跨)的兩端的彎矩, 以式(1)和式(2)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)算法[4],[5]，分別求出此跨管道的最大撓度和最大彎曲應(yīng)力,并判定計(jì)算結(jié)果是否符合規(guī)范，如果符合規(guī)范結(jié)束布置，如果不符合規(guī)范，利用API接口功能，系統(tǒng)自動(dòng)高亮選中問題跨并彈出窗口顯示該跨不符合規(guī)范項(xiàng)的數(shù)值。

ω″= -M(x)/EI

(1)

σmax= Mymax/I

(2)

(其中,ω″是撓曲線函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù),M(x)是管道的彎矩曲線函數(shù),EI是管道彎曲剛度,M是本跨最大彎矩, ymax是管道橫截面上的最大縱坐標(biāo)，I是管道截面慣性矩。)

(3)Statistics類：調(diào)用Revit的API接口提供的構(gòu)件過濾器，以寫入了各類型支吊架名稱的“注釋”屬性作為過濾條件，遍歷所有的已布置的支吊架，從而統(tǒng)計(jì)出各類型支吊架的數(shù)量。

4.4 系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)的支吊架布置方式，依托本系統(tǒng)的管道支吊架布置有以下幾方面的優(yōu)勢：

1)設(shè)計(jì)階段本系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)人員對支吊架進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，選擇和優(yōu)化各項(xiàng)方案，并在建筑三維模型中定位布置。

2)施工階段，利用本系統(tǒng)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)階段完成的建筑三維模型，依次準(zhǔn)確完成安裝。

3)運(yùn)維階段，本系統(tǒng)中所有構(gòu)件的基本信息在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)保存在三維模型，因此無論是查詢或是修改都非常方便，當(dāng)管道系統(tǒng)需要更換或者維修時(shí)，能很方便地獲取相關(guān)信息。

圖10 管道系統(tǒng)Revit模型

圖11 局部展示和物料統(tǒng)計(jì)

5 工程實(shí)例

以北京某項(xiàng)目某層的管道系統(tǒng)Revit三維模型(圖10)作為工程實(shí)例對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，完成后局部展示見圖11,物料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本層共使用單層U型吊架35個(gè)、卡箍吊架41個(gè)。

以下以某排消防噴淋管道為例展示系統(tǒng)的運(yùn)行過程。這排管道材質(zhì)為鋼材,運(yùn)行重量設(shè)計(jì)值為0.000 26KN/mm，，彈性模量為200KN/mm2，管道截面慣性矩為114 877 64.5mm4(a),截面尺寸沿長度方向不變。

參考03S402室內(nèi)管道支架及吊架圖集，選用吊桿直徑為12mm的單層U型吊架，允許拉力值為9.5KN[2](c)。使用Estimate類中的函數(shù)，計(jì)算出n=2(d)，在不和其他構(gòu)件碰撞的前提下在這排管道上布置了兩個(gè)吊架(e)，經(jīng)系統(tǒng)驗(yàn)算，管道強(qiáng)度符合規(guī)范要求，而第二跨的撓度為8.11mm(f)，超過了規(guī)范規(guī)定的2.5mm，于是調(diào)整吊架位置(g)，再次驗(yàn)算，符合要求，在平面施工圖上進(jìn)行標(biāo)注(h)，完成布置。

全部布置完成后，即可導(dǎo)出二維施工圖，指導(dǎo)現(xiàn)場安裝。

6 結(jié)論

目前國內(nèi)BIM技術(shù)的應(yīng)用逐漸普及，然而在工程施工中，對于如何利用BIM模型所包含的各類信息彌補(bǔ)設(shè)計(jì)與施工之間的斷層、提高施工效率和施工精細(xì)化程度的研究仍處在發(fā)展階段。本文針對管道支吊架設(shè)計(jì)、施工中存在的問題，建立了基于BIM通用軟件Revit的管道支吊架輔助布置系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，工程師可以根據(jù)管道設(shè)計(jì)人員給出管道設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行支吊架的布設(shè),最終產(chǎn)出詳細(xì)的平面施工圖指導(dǎo)現(xiàn)場的安裝施工。

該系統(tǒng)的建立在一定程度上優(yōu)化了管道支吊架布置問題的解決方案,同時(shí)也顯示出了利用Revit平臺(tái)二次開發(fā)去解決類似工程問題的可行性。今后，可以結(jié)合更多的實(shí)際問題對Revit的二次開發(fā)技術(shù)作進(jìn)一步的研究，以期推動(dòng)工程施工向著信息化和精細(xì)化的方向不斷發(fā)展。

[1]GBT 17116.1-1997,管道支吊架第1部分:技術(shù)規(guī)范,管道支吊架[S].北京:國家技術(shù)監(jiān)督局,1997:35.

[2]GJBT-630,室內(nèi)管道支架及吊架[S].北京:中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所,2003.

[3]林邦杰.深入淺出C程序設(shè)計(jì)[M].北京:中國鐵道出版社，2005.

[4]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[5]孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)泰來.材料力學(xué)(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社,2009.

[6]Autodesk Asia Pte Ltd.Autocad Revit Structure 2012應(yīng)用寶典[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2012.

[7]單建，呂令毅.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2011:209-223.

Design and Arrangement System of Pipeline Hangers based on BIM

Liu Jifan，Xiong Feng

(CollegeofArchitecture&Environment，SichuanUniversity，Chengdu610065，China)

Based on BIM technology, a design and arrangement system of pipeline hangers is developed in this article. Through secondary development of BIM software Revit, this system can calculate the stresses of hangers and determine the separation distance between hangers. After deciding the type of hangers and location, the system can take hangers from hanger database and show on three dimensional pipeline drawing. Construction engineers are able to operate this procedure directly on the pipeline design drawing. It makes up the gap from the design drawing to installation and provides a preparation for refined installation. In addition，the function of material statistics helps designers decide a better scheme and helps engineers prepare materials.

BIM; Revit; Pipeline Hangers (Supports) Design; Secondary Development; Refined Construction

劉濟(jì)凡(1991-)，男，在讀碩士研究生。主要從事BIM在施工中的應(yīng)用方面的研究。

TU758.7:TU81

A

1674-7461(2015)01-0030-07