(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010)

1 前言

建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用大都選擇了Revit軟件作為平臺，故基于Revit結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)直接建模、計(jì)算和自動出圖是大勢所趨[1-6]。

目前Revit結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能較弱，尚不滿足中國制圖規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，拖了結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM應(yīng)用的后腿。在Revit上開發(fā)一套滿足中國設(shè)計(jì)規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)CAD成了當(dāng)務(wù)之急。基于Revit的結(jié)構(gòu)BIM正向系統(tǒng)正是下一代以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)，將有力推動我國BIM技術(shù)的落地應(yīng)用。

BIM技術(shù)的應(yīng)用是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出在當(dāng)前軟硬件條件下實(shí)現(xiàn)基于Revit的結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)的方法，并且在GSRevit系統(tǒng)開發(fā)中，研究總結(jié)了適合我國行業(yè)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和滿足全國各地設(shè)計(jì)單位習(xí)慣的結(jié)構(gòu)施工圖BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以解決Revit快速建模、BIM模型計(jì)算和BIM出圖等三個關(guān)鍵技術(shù)。

2 逆向設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)流程對比

本文所研究的正向設(shè)計(jì)是以三維BIM模型為出發(fā)點(diǎn)和數(shù)據(jù)源，完成從方案設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)的全過程任務(wù)，而逆向設(shè)計(jì)是以“翻?！睘樘卣?，在設(shè)計(jì)的每一個階段各自根據(jù)需要將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維BIM模型，BIM模型的使用價值較低。

當(dāng)前大多數(shù)工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)BIM應(yīng)用屬于逆向設(shè)計(jì)，建造過程中需要多次重復(fù)建模。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員初步設(shè)計(jì)時繪制一遍模板圖，結(jié)構(gòu)計(jì)算時輸入一遍計(jì)算模型，施工圖設(shè)計(jì)時根據(jù)初設(shè)模板圖進(jìn)行深化，碰撞檢查時重新建立三維精確模型。整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程重復(fù)建了4次模型，雖然個別階段模型能重復(fù)使用，但總體工作效率比較低。

而正向設(shè)計(jì)可以做到一模多用。設(shè)計(jì)時只需要建立1個模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員初步設(shè)計(jì)時建立三維模型，通過平面剖切形成的模板圖用于初步設(shè)計(jì)，在該模型上添加荷載即可用于結(jié)構(gòu)計(jì)算，再添加鋼筋信息就可繪制施工圖，該三維模型可直接用于碰撞檢查，最后該模型可用于算量、施工和運(yùn)營維護(hù)，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)三個目的：

1)在Revit上直接建模、計(jì)算和結(jié)構(gòu)施工圖繪制；

2)實(shí)現(xiàn)滾動式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：三維結(jié)構(gòu)模型隨著設(shè)計(jì)深度的變化，不斷添加需要的信息，譬如加偏心、加荷載、加鋼筋信息等；

3)只需要維護(hù)一個三維模型，模型中只有一套墻柱梁板數(shù)據(jù)，即使施工圖階段修改了模型，仍可進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

3 結(jié)構(gòu)BIM應(yīng)用一體化解決方案

Revit的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能較弱，為實(shí)現(xiàn)高效、可靠，且符合工程師習(xí)慣的應(yīng)用，在Revit的主菜單上增加了如圖2所示的8個子菜單：模型導(dǎo)入、結(jié)構(gòu)信息、軸網(wǎng)軸線、構(gòu)件布置、荷載輸入、模型導(dǎo)出、鋼筋施工圖和裝配式設(shè)計(jì)。只要采用Revit代替AutoCAD進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，后續(xù)各設(shè)計(jì)階段就能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)。

圖2 Revit結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)子菜單

圖3 結(jié)構(gòu)BIM應(yīng)用一體化解決方案的實(shí)現(xiàn)流程圖

結(jié)構(gòu)BIM應(yīng)用一體化解決方案的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。其實(shí)現(xiàn)過程主要有以下三個關(guān)鍵步驟：

1)在GSRevit中建立BIM模型，輸入構(gòu)件幾何信息、結(jié)構(gòu)總體信息、荷載信息、設(shè)計(jì)屬性等，結(jié)構(gòu)計(jì)算需要用到的所有信息都錄入到BIM模型中；

2)通過BIM模型生成計(jì)算數(shù)據(jù)，無縫對接GSSAP進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，也可導(dǎo)出模型到SATWE或YJK進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算；

3)讀取GSSAP、SATWE或YJK的計(jì)算結(jié)果，在Revit或AutoCAD中生成結(jié)構(gòu)施工圖，GSRevit生成的施工圖可導(dǎo)入廣聯(lián)達(dá)軟件進(jìn)行鋼筋量、混凝土量計(jì)算，并可對接廣聯(lián)達(dá)BIM5D實(shí)現(xiàn)BIM模型的擴(kuò)展應(yīng)用。

4 基于Revit的結(jié)構(gòu)快速建模

基于Revit研究結(jié)構(gòu)計(jì)算模型BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，用于管理結(jié)構(gòu)的幾何和非幾何信息。非幾何信息包括：總信息、各層信息、墻柱梁板設(shè)計(jì)屬性、墻柱梁板荷載等。設(shè)計(jì)信息的編輯與修改與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的習(xí)慣相同，方便應(yīng)用。

4.1 族及共享參數(shù)

為使GSRevit建立的BIM模型有更好的兼容性，GSRevit盡量采用Revit本身的建模邏輯進(jìn)行BIM模型建模。結(jié)構(gòu)墻、結(jié)構(gòu)板采用Revit的墻系統(tǒng)族、板系統(tǒng)族，結(jié)構(gòu)梁采用結(jié)構(gòu)框架族，結(jié)構(gòu)柱采用結(jié)構(gòu)柱族。

為了能夠在構(gòu)件中添加結(jié)構(gòu)信息，通過項(xiàng)目參數(shù)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中添加共享參數(shù)。

4.2 結(jié)構(gòu)總信息

Revit中缺少關(guān)于結(jié)構(gòu)非幾何信息的表達(dá)方式，結(jié)構(gòu)的非幾何信息需要自行開發(fā)程序進(jìn)行輸入。

為滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算的需求，GSRevit中通過對話框輸入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總信息(見圖4)、墻柱梁板設(shè)計(jì)屬性(見圖5)，為減少工程師操作新軟件時的陌生感，其界面設(shè)計(jì)為與GSSAP一致。

圖4 結(jié)構(gòu)總信息對話框

圖5 墻柱梁板設(shè)計(jì)屬性對話框

4.3 軸網(wǎng)輸入

GSRevit開發(fā)了軸網(wǎng)輸入模塊，菜單見圖6，工程師可通過該模塊實(shí)現(xiàn)軸網(wǎng)快速輸入。

圖6 軸網(wǎng)輸入模塊

4.4 墻、柱、梁、板輸入

為方便工程師快速建模，降低工程師使用BIM軟件的門檻，GSRevit根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的輸入習(xí)慣，開發(fā)了墻、柱、梁、板的輸入模塊。通過該模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件建模，僅需要輸入構(gòu)件截面尺寸，不需要考慮Revit中關(guān)于族的定義及相關(guān)操作。圖7為梁構(gòu)件截面定義對話框。

4.5 荷載輸入

雖然Revit中有輸入結(jié)構(gòu)荷載的功能，但其操作方法、顯示方式等均與傳統(tǒng)習(xí)慣差異較大，且在方便性上也不如傳統(tǒng)方法。

GSRevit軟件在Revit中獨(dú)立開發(fā)荷載輸入模塊，工程師可通過圖8所示對話框輸入各種類型的結(jié)構(gòu)荷載，荷載輸入后程序?qū)⒁怨蚕韰?shù)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)形式存于Revit文件中。

圖7 梁構(gòu)件截面定義對話框

圖8 荷載對話框

5 基于Revit模型的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 構(gòu)件模型與有限元模型

工程師在GSRevit中建立構(gòu)件模型，構(gòu)件模型建模完成后，生成計(jì)算模型，首先通過構(gòu)件剖分形成有限元模型，并生成相應(yīng)格式標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算數(shù)據(jù)。計(jì)算完成后，將有限元模型轉(zhuǎn)換為構(gòu)件模型，工程師所見的計(jì)算結(jié)果是構(gòu)件模型的結(jié)果，方便設(shè)計(jì)使用。

5.2 計(jì)算模型和施工圖模型的統(tǒng)一

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程就是不斷深化和反復(fù)修改的過程，因此要實(shí)現(xiàn)Revit模型直接用于結(jié)構(gòu)計(jì)算，需要解決計(jì)算模型與施工圖模型的統(tǒng)一問題。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，主要有以下問題要解決，如圖9所示：

1)計(jì)算模型中主次梁交接處，主梁需要斷開，并在交界處新增一個節(jié)點(diǎn)，而在施工圖模型中，主次梁交接處主梁不需要斷開。

2)計(jì)算模型中梁墻交接處，墻肢需要斷開，并在交界處新增一個節(jié)點(diǎn)，而在施工圖模型中，梁墻交接處墻肢不需要斷開。

因此，在形成有限元模型時GSRevit通過智能判斷如何分段來實(shí)現(xiàn)施工圖模型的直接計(jì)算，保證計(jì)算模型和施工圖模型的統(tǒng)一。

圖9 計(jì)算模型和施工圖模型

5.3 Revit模型和計(jì)算模型雙向互導(dǎo)

GSRevit結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)BIM模型與GSSAP有限元計(jì)算雙向互導(dǎo)，包括墻柱梁板的幾何和非幾何信息。

總體信息包括：計(jì)算總信息、地震信息、風(fēng)計(jì)算信息、調(diào)整信息、材料信息、地下室信息、時程分析信息、磚混信息等。

各層信息包括：結(jié)構(gòu)層高、構(gòu)件混凝土等級、砂漿強(qiáng)度等級、砌塊強(qiáng)度等級、豎向塔塊號、標(biāo)準(zhǔn)層號、對應(yīng)Revit中原有標(biāo)高等。

設(shè)計(jì)屬性包括：構(gòu)件抗震等級、計(jì)算長度、約束釋放情況、施工順序號、剛域長度等。

荷載類型包括：線荷載、集中荷載、局部線荷載、分布扭矩、集中扭矩、溫度變化、曲線變化荷載、風(fēng)荷載等。

荷載工況包括：重力恒載、重力活載、土壓力、水壓力、預(yù)應(yīng)力、雪荷載、升溫、降溫、人防荷載、施工荷載、消防荷載、風(fēng)荷載等。

6 基于Revit的自動成圖技術(shù)

眾所周知，國內(nèi)各地設(shè)計(jì)單位的施工圖繪制習(xí)慣都不同，GSRevit開發(fā)了一套墻柱梁板鋼筋標(biāo)記族和大樣族，族參數(shù)中增加了相應(yīng)的繪圖習(xí)慣選擇，滿足各地設(shè)計(jì)單位的需要，形成了適合全國各地設(shè)計(jì)單位習(xí)慣的結(jié)構(gòu)施工圖BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

6.1 技術(shù)要點(diǎn)

GSRevit自動成圖技術(shù)主要有以下技術(shù)要點(diǎn)：

1)自動讀取GSSAP、PKPM、YJK等結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果。

2)將構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力、配筋等先作為文字信息存儲到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，再通過標(biāo)簽進(jìn)行相應(yīng)信息的顯示。

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)梁、墻構(gòu)件的自動分段，對屬于同一跨梁或同一墻肢的單元自動合并。

4)板鋼筋族包括3個板標(biāo)記族、3個底筋族和3個面筋族，見圖10。

5)梁鋼筋族包括12個梁標(biāo)記族和一個密箍吊筋大樣族，見圖11。

6)柱鋼筋族包括4個柱標(biāo)記族，見圖12。

7)墻鋼筋族包括3個墻身標(biāo)記族和6個暗柱標(biāo)記族，見圖13。

圖10 板鋼筋族

圖11 梁標(biāo)記族位置

圖12 柱標(biāo)記族

圖13 墻身和暗柱標(biāo)記族

6.2 定制施工圖習(xí)慣

鋼筋施工圖一般采用平面表示法，但各地設(shè)計(jì)單位的繪制方法不完全相同。我們收集了全國各地設(shè)計(jì)單位的繪圖方法，將其貫入自動成圖軟件功能中。GSRevit軟件開發(fā)中，根據(jù)以往積累的施工圖習(xí)慣，在Revit中針對墻、柱、梁和板鋼筋施工圖開發(fā)了一套施工圖族，可滿足施工圖習(xí)慣的要求。施工圖繪制習(xí)慣設(shè)置對話框見圖14。

6.3 模板圖和鋼筋施工圖

GSRevit可讀取GSSAP、PKPM、YJK等結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果，在Revit中自動生成與AutoCAD中一樣的墻柱梁板模板圖和鋼筋施工圖。而且，GSRevit生成施工圖時，會將配筋信息輸入到結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，方便用戶對結(jié)構(gòu)信息的聯(lián)動修改和二次利用。GSRevit生成的施工圖如圖15～圖17所示。

圖14 施工圖習(xí)慣設(shè)置對話框

圖15 墻鋼筋平面圖

圖16 梁鋼筋平面圖

圖17 板鋼筋平面圖

7 工程應(yīng)用

本項(xiàng)目為白云機(jī)場擴(kuò)建工程噪音安置區(qū)的配套公建，包含托兒所、社區(qū)少年宮和文化站等功能，旨在為少年兒童提供一個學(xué)習(xí)和活動的場所。本項(xiàng)目建筑面積5 300m2，共3層。

結(jié)構(gòu)采用GSRevit軟件進(jìn)行建模，完成梁、板、柱的初步方案并提供給建筑專業(yè)，與建筑專業(yè)、設(shè)備專業(yè)反復(fù)協(xié)調(diào)并修改模型，直至初步模型確定，之后通過GSRevit將模型深化至施工圖階段。各專業(yè)協(xié)作流程如圖18、圖19所示，完成的施工圖結(jié)構(gòu)模型如圖20所示。

圖18 初步設(shè)計(jì)階段各專業(yè)協(xié)作流程圖

圖19 施工圖階段各專業(yè)協(xié)作流程圖

圖20 鏈接建筑模型的GSRevit結(jié)構(gòu)模型

8 小結(jié)

GSRevit是基于Revit的正向設(shè)計(jì)最新研發(fā)成果，實(shí)現(xiàn)了直接建模、計(jì)算和繪制施工圖，大大降低BIM應(yīng)用門檻，幫助工程師從AutoCAD走向Revit完成BIM結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)，將有力地推動BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

概括來說，使用GSRevit進(jìn)行結(jié)構(gòu)BIM正向設(shè)計(jì)有4點(diǎn)優(yōu)勢：1)不改變原有設(shè)計(jì)流程； 2)不改變原有施工圖表達(dá)； 3)不改變軟件操作習(xí)慣； 4)改進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。