常盛杰

（沈陽(yáng)鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司建筑及電氣化設(shè)計(jì)所，遼寧沈陽(yáng) 110012）

0 引言

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的數(shù)據(jù)化工具，通過整合數(shù)據(jù)化、信息化模型，為各參與方提供協(xié)同的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面將發(fā)揮重要作用。隨著鐵路BIM 聯(lián)盟的成立以及BIM 技術(shù)在鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目各階段的不斷應(yīng)用，BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用成為發(fā)展的必然趨勢(shì)［1-2］。建立鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目各專業(yè)實(shí)體BIM 模型，并在建模過程中進(jìn)行修改與優(yōu)化，是BIM 技術(shù)應(yīng)用于鐵路行業(yè)的第一步。由于BIM 建模平臺(tái)內(nèi)置模型的局限性，需要在實(shí)踐中建立新族對(duì)BIM 模型進(jìn)行擴(kuò)充，擴(kuò)充的模型多以無(wú)參數(shù)約束的自由造型方式建立［3］。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)形式較固定的實(shí)體，可預(yù)先設(shè)定一組對(duì)應(yīng)關(guān)系和約束關(guān)系，再通過一組不大的關(guān)鍵參數(shù)集對(duì)實(shí)體進(jìn)行描述，實(shí)體其他參數(shù)通過對(duì)應(yīng)關(guān)系與約束關(guān)系得出，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)，大幅簡(jiǎn)化實(shí)體模型的建立與修改過程，模型準(zhǔn)確率也大大提升［4］。

目前，占據(jù)BIM 軟件市場(chǎng)絕大部分份額的Autodesk、Bentley、Dassault等3家公司均根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的需求，提出針對(duì)自身軟件的解決方案，并展現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)［5］。其中，Autodesk 公司的Revit 以其強(qiáng)大功能得到廣大工程設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可［6］，并憑借其在建筑行業(yè)的優(yōu)異表現(xiàn)逐步成為市場(chǎng)占有率較高、應(yīng)用范圍較廣的BIM 建模軟件［7］。以鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)檠芯繉?duì)象，通過Revit 二次開發(fā)，對(duì)實(shí)體BIM 模型參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。

1 Revit二次開發(fā)

通過對(duì)Revit 進(jìn)行二次開發(fā)，將幾何參數(shù)與關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和幾何參數(shù)間的約束關(guān)系與Revit 對(duì)接，實(shí)現(xiàn)基于Revit 平臺(tái)對(duì)新族的參數(shù)化建模。Revit API 提供了用戶與Revit 的接口，可實(shí)現(xiàn)訪問BIM 模型參數(shù)、創(chuàng)建UI 界面等功能［8］。需要說明的是，由于Revit API是Autodesk Revit 的類庫(kù)，在使用時(shí)除了要保證Revit 處于運(yùn)行狀態(tài)，還要將建模過程中涉及的所有模型在Revit 環(huán)境下運(yùn)行。對(duì)Revit 二次開發(fā)過程中使用的初始化與程序注冊(cè)、UI 界面創(chuàng)建、幾何圖元繪制3個(gè)關(guān)鍵部分簡(jiǎn)述如下。

1.1 初始化與程序注冊(cè)

基于Visual Studio 2012 實(shí)現(xiàn)對(duì)Revit 的二次開發(fā)，在新建工程時(shí)需添加RevitAPI.dll（用戶與Revit 對(duì)接接口）、RevitAPIUI.dll（UI 界面開發(fā)）、Windowsbase.dll（UI 界面開發(fā)）等3個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。如調(diào)用外部插件，需要對(duì)插件在Revit 環(huán)境下進(jìn)行注冊(cè)，Revit 以.addin 文件實(shí)現(xiàn)對(duì)外部插件的注冊(cè)。在Revit 啟動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)指定路徑下的.addin 文件（路徑名：C：ProgramDataAutodeskRevitAddins2016）進(jìn)行逐個(gè)讀取，并根據(jù).addin文件記錄的外部插件路徑對(duì)外部插件進(jìn)行加載。.addin文檔的格式要求不予贅述。

1.2 UI界面創(chuàng)建

Revit 允許用戶通過Revit API 在附加模塊面板上定制Ribbon 控件，并通過控件觸發(fā)相應(yīng)的Revit 外部插件。在實(shí)現(xiàn)外部插件的過程中，必須實(shí)現(xiàn)IExternalCommand 接口，其接口內(nèi)的抽象函數(shù)Excute 將作為外部插件的主函數(shù)調(diào)用［9］。另外，由于Revit API 提供UI 界面的局限性，以Windows窗體補(bǔ)充外部插件所需的界面其他功能，窗體本身作為外部插件的一部分被觸發(fā)執(zhí)行。

1.3 幾何圖元繪制

Revit 對(duì)幾何圖元的繪制可通過對(duì)二維圖形進(jìn)行拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)、放樣及放樣融合等5種操作完成，在Revit API 中，對(duì)應(yīng)提供 Extrusion、Blend、Revolution、Sweep、SweptBlend 等5種方法實(shí)現(xiàn)上述操作，具體實(shí)現(xiàn)流程將在下文詳述。

2 參數(shù)化建模

2.1 鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)Y(jié)構(gòu)

選取鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)閷?shí)現(xiàn)BIM 模型參數(shù)化建模的研究對(duì)象。依照國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《防雷與接地》［10］（D501-1～D501-4，簡(jiǎn)稱圖集），將鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)譃榻卿摫芾揍標(biāo)℅FL 塔）、鋼管桿避雷針?biāo)℅H 塔）和避雷線塔（GFW 塔）。擬選取GFL1 系列鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)ê?jiǎn)稱GFL1 塔）為BIM 模型參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)樣式，高度范圍20～40 m。

GFL1 塔的結(jié)構(gòu)可劃分為塔尖、塔身和基礎(chǔ)，各部分通過螺栓連接。塔尖為圖集定義的標(biāo)準(zhǔn)樣式A01 塔尖，長(zhǎng)度范圍1.5～3.5 m，為鋼管結(jié)構(gòu)，管間通過螺栓連接，針尖采用焊接，底部法蘭盤與塔身通過螺栓連接，與底部鋼管通過加強(qiáng)肋焊接。塔身為塔架式鋼結(jié)構(gòu)，以塔段為單位，塔段間以橫撐分隔，每塔段設(shè)4根角鋼柱和若干斜撐，角鋼柱與斜撐通過螺栓連接，塔段間橫撐及角鋼柱間通過螺栓、背板及包鐵連接。圖集將塔身各塔段由上至下定義為A—G 段，A 段為3 m，其他各段均為5 m。角鋼柱與基礎(chǔ)通過塔腳板和預(yù)埋于基礎(chǔ)的地腳螺栓連接。

依照?qǐng)D集定義，避雷針?biāo)幕A(chǔ)可分為獨(dú)立基礎(chǔ)（JA）和聯(lián)合基礎(chǔ)（JB）。JA全塔4根角鋼柱共用1套基礎(chǔ)，JB 全塔每根角鋼柱配置1 套基礎(chǔ)。圖集提供JA-1～JA-8 型（25 m 及以下避雷針?biāo)褂茫┮约癑B-1～JB-8型（25～40 m避雷針?biāo)褂茫┗A(chǔ)供設(shè)計(jì)選用。需要說明，圖集定義了20、25、30、35、40 m 共5種塔型的塔尖、塔身和基礎(chǔ)的選取及詳細(xì)做法，而對(duì)于其他高度的非標(biāo)準(zhǔn)避雷針?biāo)?，則需對(duì)圖集中所定義的塔尖或部分塔段進(jìn)行修改。

2.2 模型粒度

多層次細(xì)節(jié)（Level of Detail/Development，LOD）原用于定義同一實(shí)體在視點(diǎn)距離不同時(shí)，對(duì)模型粒度的不同要求，亦用于通過模型的非幾何信息累積程度定義模型所屬項(xiàng)目的發(fā)展階段。美國(guó)國(guó)家BIM 標(biāo)準(zhǔn)第3版（NBIMS V3）依照LOD將BIM模型劃分為5個(gè)粒度等級(jí)，即LOD100～LOD500［11］。具體劃分原則見表1。

引入LOD 對(duì)幾何信息粒度的等級(jí)劃分以對(duì)模型幾何信息的粒度進(jìn)行定性描述，并作為建立鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)﨎IM模型的基本粒度原則。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)研究的深度要求和LOD對(duì)模型粒度的等級(jí)劃分，選擇LOD300即施工圖等級(jí)作為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)?shù)化建模的粒度等級(jí)。

表1 模型等級(jí)定義

2.3 關(guān)鍵參數(shù)及非標(biāo)準(zhǔn)塔建模原則

設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)哪康氖潜Ｗo(hù)處于塔下的設(shè)備免受雷擊過電壓的侵入。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的幾何特點(diǎn)和功能特性，確定鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)诒槐Ｗo(hù)設(shè)備各高度下所應(yīng)提供的保護(hù)半徑，是鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)罨镜脑O(shè)計(jì)要求，也是設(shè)計(jì)的第一步。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)避雷針?biāo)Ｗo(hù)半徑的計(jì)算方法，設(shè)避雷針?biāo)邽閔，避雷針?biāo)Ｗo(hù)半徑隨h增加而減小，并以h/2 為界分別滿足不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系［12］?？傊芾揍?biāo)Ｗo(hù)半徑與設(shè)備高度成反相關(guān)，與塔高成正相關(guān)。綜上所述，塔高h(yuǎn)是鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)奈ㄒ魂P(guān)鍵參數(shù)。如前文所述，圖集已對(duì)幾種標(biāo)準(zhǔn)塔高的型制作了詳細(xì)規(guī)定，而非標(biāo)準(zhǔn)塔高的鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)谛椭粕闲鑼?duì)圖集所提供的標(biāo)準(zhǔn)塔型進(jìn)行微調(diào)。A01塔尖的可調(diào)高度范圍為1.5～3.5 m，如使用標(biāo)準(zhǔn)塔段組合，僅調(diào)整塔尖高度即可滿足塔高要求時(shí)，無(wú)需對(duì)塔段鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何調(diào)整；如不能滿足，需將A塔段由3 m向上延伸至5 m，再根據(jù)塔高和塔段高度調(diào)整A01 塔尖高度，此時(shí)改用直徑189 mm 塔尖法蘭盤、底邊80 mm 寬加強(qiáng)肋。如仍不滿足要求，需將底段（即X1 段，X 取D—G）由5 m 延伸至6 m，并相應(yīng)調(diào)整塔尖。鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)缀芜壿嬯P(guān)系見圖1，依照塔高選取塔段、基礎(chǔ)及針尖的原則見表2。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)缀渭s束的邏輯關(guān)系

表2 塔段、基礎(chǔ)及針尖選取原則

2.4 參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)?shù)化建模的過程中，仍使用圖集所定義的各塔段和塔段連接關(guān)系，僅在必要時(shí)對(duì)A 段和X1 段在保持原有結(jié)構(gòu)形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行長(zhǎng)度延伸。因此，在實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模時(shí)，分別預(yù)先繪制出表2 中的塔段及基礎(chǔ)，根據(jù)表2 序號(hào)命名并建立族文檔。在進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，要保證各族文檔在Revit 環(huán)境下始終處于運(yùn)行狀態(tài)。由此可見，對(duì)族文檔的選取是實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)?shù)化建模的第一步，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)?shù)化建模的塔段選取原則，列舉關(guān)鍵代碼如下：

完成塔段與基礎(chǔ)的選取后即可繪制塔尖。塔尖高度范圍為1.5～3.5 m，基于Revit 二次開發(fā)完成對(duì)塔尖的繪制。塔尖由法蘭、加強(qiáng)肋、鋼管、針尖、螺栓和鋼管封口組成，鋼管根數(shù)和長(zhǎng)度的設(shè)置由塔尖高度和鋼管間幾何約束關(guān)系確定；法蘭的直徑和加強(qiáng)肋的底邊長(zhǎng)度由A 塔段的頂部尺寸確定，法蘭厚度采用圖集標(biāo)準(zhǔn)尺寸10 mm，加強(qiáng)肋尺寸則基于圖集尺寸并依法蘭尺寸與圖集標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸的比例進(jìn)行縮放；針尖高度設(shè)置為200 mm，底部直徑與塔尖最頂部鋼管直徑相同。具體的塔尖裝配關(guān)系及尺寸間約束關(guān)系見圖2，塔尖鋼管選取原則見表3。

圖2 塔尖裝配關(guān)系與尺寸約束關(guān)系

表3 塔尖鋼管選取原則

基于Revit 二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)塔尖繪制時(shí)，首先應(yīng)建立幾何平面（geometryPlane）與工作平面（SketchPlane）。然后，在工作平面的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同零部件的幾何特點(diǎn)，結(jié)合Revit API 提供的幾何圖形操作方式繪制零部件，最終將繪有塔尖的鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)逦臋n進(jìn)行保存并載入項(xiàng)目。法蘭的繪制以法蘭盤立面輪廓為繪制輪廓，經(jīng)旋轉(zhuǎn)操作生成，法蘭孔的繪制方法與法蘭基本一致，僅將繪制屬性由實(shí)心改為空心；鋼管的繪制方法也與法蘭基本一致，但鋼管間應(yīng)保留400 mm 重疊部分用于螺栓連接，鋼管空心部分和鋼管孔的繪制方法與法蘭孔一致，應(yīng)注意鋼管壁厚大于3 mm；針尖的繪制以最頂部鋼管半徑為橫直角邊，以200 mm 為豎直角邊，繪制直角三角形輪廓并旋轉(zhuǎn)生成；加強(qiáng)肋的繪制采用拉伸生成；螺栓的繪制以法蘭孔、鋼管孔圓心為基準(zhǔn)點(diǎn)，螺栓桿繪制方法與法蘭相同，六角螺母則采用拉伸六角形輪廓的方法繪制；鋼管間封口部采用融合方法繪制，不予贅述。需要說明，由于塔尖各零部件的繪制代碼存在較大共性，以B段鋼管為例，通過列舉其關(guān)鍵代碼，對(duì)塔尖各零部件基于Revit 二次開發(fā)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行舉例說明，關(guān)鍵代碼如下：

如前文所述，信息輸入界面是基于Windows窗體繪制（見圖3），最終繪制成果見圖4。

圖3 信息輸入界面

圖4 成果展示

3 結(jié)束語(yǔ)

以鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)檠芯繉?duì)象，以Autodesk Revit為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，以Revit 二次開發(fā)為實(shí)現(xiàn)手段，對(duì)BIM 模型參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。在實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的過程中，闡述在Revit 二次開發(fā)過程的部分關(guān)鍵內(nèi)容，并針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)Y(jié)構(gòu)對(duì)其參數(shù)化建模的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。實(shí)踐表明，實(shí)現(xiàn)BIM模型的參數(shù)化建?？蓽p少因模型重建而造成的時(shí)間浪費(fèi)，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率與靈活性。鋼結(jié)構(gòu)避雷針?biāo)?shù)化建模的實(shí)現(xiàn)流程可為其他設(shè)備的參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)流程提供參考。