李浩

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

1 概述

1.1 BIM技術(shù)與Revit平臺(tái)

目前，建筑信息模型（BIM）技術(shù)在建筑領(lǐng)域興起［1］，與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)方式相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）可視化：所見(jiàn)即所得，模型中各構(gòu)件和組成部分與建筑實(shí)體映射，模型包含建筑實(shí)際信息。

（2）協(xié)調(diào)性：建筑設(shè)計(jì)涉及多方，業(yè)主提供需求、設(shè)計(jì)方給出方案、施工單位建成實(shí)體，在此過(guò)程中接口眾多。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和方式難以做到實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)，項(xiàng)目管理難度極大。BIM技術(shù)提供了一整套協(xié)同工作方案，便于建筑設(shè)計(jì)各方溝通協(xié)作，提高建筑設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

（3）模擬性：建筑設(shè)計(jì)考慮的技術(shù)因素極多，BIM模型是三維實(shí)體模型，在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列模擬試驗(yàn)，如節(jié)能試驗(yàn)、日照研究等，可進(jìn)一步提高建筑設(shè)計(jì)的品質(zhì)。

（4）優(yōu)化性：BIM三維實(shí)體模型是現(xiàn)實(shí)建筑的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)反映，在此基礎(chǔ)上方便各方溝通，有利于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的綜合優(yōu)化。

（5）可出圖性：傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)依靠設(shè)計(jì)師對(duì)建筑的理解和把控，依次完成建筑分析和設(shè)計(jì)，最終大量時(shí)間用于繪制圖紙上，效率較低；BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化出圖，而且圖紙專(zhuān)業(yè)程度極高。

BIM建筑設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。建筑專(zhuān)業(yè)根據(jù)業(yè)主需求提供初始模型，結(jié)構(gòu)、機(jī)電等輔助性專(zhuān)業(yè)在初始模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，最終向業(yè)主提交深化模型，深化模型用于后期建筑施工及運(yùn)維?？梢?jiàn)，BIM技術(shù)的主體就是模型。但由于技術(shù)極其復(fù)雜，涉及因素極多，實(shí)際BIM建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用程度與之還存在較大差距。BIM技術(shù)可應(yīng)用于土木工程各領(lǐng)域，其中也包括鐵路工程，如鐵路設(shè)計(jì)施工［2］、鐵路建設(shè)管理［3］與鐵路橋梁施工運(yùn)維［4］等。

圖1 BIM建筑設(shè)計(jì)流程

目前在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Revit是比較典型的BIM平臺(tái)之一，相比其他BIM平臺(tái)，它具有眾多優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）可重復(fù)性建模：Revit平臺(tái)采用“族模型”的建模方法，相同類(lèi)型的族可重復(fù)應(yīng)用在其他模型中，隨著族庫(kù)規(guī)模的發(fā)展，Revit建模速度和質(zhì)量必將得到質(zhì)的飛躍。

（2）多專(zhuān)業(yè)協(xié)同平臺(tái)：Revit提供了多種協(xié)同工作模式，將BIM協(xié)同工作理念落到實(shí)處，且非常適用于實(shí)際建筑設(shè)計(jì)。

（3）后處理功能強(qiáng)大：可自動(dòng)導(dǎo)出構(gòu)件尺寸和體積等數(shù)據(jù)，便于概預(yù)算算量。

（4）視圖聯(lián)動(dòng)：平、立、剖、明細(xì)表多向聯(lián)動(dòng)，修改1處其余各處自動(dòng)更新。

1.2 空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)［5］是常用的鋼結(jié)構(gòu)體系，主要分為網(wǎng)架和網(wǎng)殼（球面、柱面）2種類(lèi)型（見(jiàn)圖2、圖3），非常適用于大跨結(jié)構(gòu)，常作為體育館、會(huì)堂、展廳、車(chē)站等的結(jié)構(gòu)選型。由于BIM應(yīng)用的不斷推廣，且空間網(wǎng)架網(wǎng)殼的大量使用，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)對(duì)空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)BIM建模的需求極大。

圖2 空間球形網(wǎng)殼

圖3 空間柱面網(wǎng)殼

1.3 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模［6-8］是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，具體指通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，如同濟(jì)大學(xué)3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（YJK）和Midas Gen結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件等，均包含空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模模塊。3D3S參數(shù)化建模界面見(jiàn)圖4，Midas Gen參數(shù)化建模界面見(jiàn)圖5。

但是，Revit平臺(tái)未包含類(lèi)似空間網(wǎng)架網(wǎng)殼參數(shù)化建模功能，因此，對(duì)空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模方法進(jìn)行研究并提供解決思路。

圖4 3D3S參數(shù)化建模界面

圖5 Midas Gen參數(shù)化建模界面

2 網(wǎng)架網(wǎng)殼建模方法

在Revit中建立空間網(wǎng)架網(wǎng)殼模型通常有3種方法：直接建模、體量建模和模型互導(dǎo)。

2.1 直接建模

空間網(wǎng)架網(wǎng)殼由節(jié)點(diǎn)和桿件組成，坐標(biāo)定位可以建立節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系可以建立桿件。直接建模法是指人工建立節(jié)點(diǎn)和桿件，利用Revit的修改編輯技巧建模。直接建模步驟見(jiàn)圖6。

直接建模法可準(zhǔn)確定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，空間結(jié)構(gòu)建模精準(zhǔn)。但僅適用于規(guī)模較小的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)于較大規(guī)模的結(jié)構(gòu)，直接建模法的工作量極大。

圖6 直接建模步驟

2.2 體量建模

體量建模是Revit自帶的建模功能，其理念是“整體→局部”建模。采用該方式建立空間網(wǎng)架網(wǎng)殼模型時(shí)，首先建立網(wǎng)殼或網(wǎng)架的表面，根據(jù)網(wǎng)格劃分技術(shù)得到網(wǎng)格，在網(wǎng)格上布置桿件完成建模。體量建模步驟見(jiàn)圖7。其優(yōu)勢(shì)在于，從整體到局部建模，速度有所提升；其不足在于，Revit自帶的網(wǎng)格劃分功能單一，僅適用于規(guī)則單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模較為困難。

2.3 模型互導(dǎo)

目前，一些軟件可將模型導(dǎo)入Revit，如YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，其導(dǎo)出模型的流程見(jiàn)圖8。要使用該導(dǎo)出功能，需要另外安裝較為龐大的轉(zhuǎn)換程序，且導(dǎo)出過(guò)程會(huì)生成用戶(hù)不需要的冗余信息；軟件版本管理較為復(fù)雜，不同版本YJK軟件需要安裝對(duì)應(yīng)版本的轉(zhuǎn)換程序；且軟件費(fèi)用高昂，比較適用于需求較大的大型設(shè)計(jì)單位。

目前可用的空間網(wǎng)架網(wǎng)殼建模方法都有局限性，其參數(shù)化建模的解決方案亟待提出，相應(yīng)方法亟待具體實(shí)現(xiàn)。

3 參數(shù)化建模方案

為實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模，有2種可行的方案，一種是建立參數(shù)族（見(jiàn)圖9），另一種是調(diào)用Revit平臺(tái)的編程接口制作建模插件。參數(shù)族是Revit擴(kuò)展自身功能的重要手段，但對(duì)于空間網(wǎng)架網(wǎng)殼這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過(guò)常規(guī)族來(lái)建立其模型。

圖7 體量建模步驟

圖8 YJK導(dǎo)出Revit模型流程

圖9 Revit參數(shù)族示例

通過(guò)編程調(diào)用Revit應(yīng)用程序接口（API）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)［9-10］可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，這種方式與AutoCAD軟件二次開(kāi)發(fā)類(lèi)似。傳統(tǒng)建模方式是通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)進(jìn)行建模，Revit API接口中的每條命令均對(duì)應(yīng)1個(gè)操作。通過(guò)編程調(diào)用接口可以實(shí)現(xiàn)間接操作Revit建模，這種方式建模精準(zhǔn)，且效率極高?？臻g網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模思路見(jiàn)圖10。

圖10 Revit參數(shù)化建模思路

4 參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)

二次開(kāi)發(fā)建模插件的實(shí)現(xiàn)主要包括2個(gè)要點(diǎn)：代碼組織和建模算法，前者是指代碼的結(jié)構(gòu)布局，后者是指建模思路和策略。

4.1 代碼組織

代碼組織對(duì)于本插件極其重要，原因在于空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)非常靈活，類(lèi)型極多而且新的結(jié)構(gòu)形式容易被發(fā)明，因此本建模插件應(yīng)該具備良好的擴(kuò)展功能，便于后期添加新的建模功能。同時(shí)，用戶(hù)界面的目的是引導(dǎo)用戶(hù)輸入?yún)?shù)，良好的輸入?yún)^(qū)劃分也很重要。

在本建模插件的建模界面中，插件輸入?yún)^(qū)劃分及含義見(jiàn)圖11，用戶(hù)依次選擇結(jié)構(gòu)類(lèi)型、設(shè)置主要的建模參數(shù)、輸入插入點(diǎn)坐標(biāo)、選擇不同部位桿件的類(lèi)型，就可以把建模參數(shù)輸入至程序。值得注意的是，主要建模參數(shù)的含義會(huì)隨著結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇而變化，每種類(lèi)型結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)含義在界面左上角圖片中有所說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)是預(yù)先定義的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)族，桿件是預(yù)先定義的自適應(yīng)桿件族，前者通過(guò)坐標(biāo)定義，后者通過(guò)2個(gè)結(jié)點(diǎn)定義，且長(zhǎng)度會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)而自適應(yīng)。

圖11 插件輸入?yún)^(qū)劃分及含義

用戶(hù)在建模界面上輸入建模數(shù)據(jù)后，程序會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的不同將建模參數(shù)傳遞到不同的建模函數(shù)（CreateWangjia系列函數(shù)或CreateWangqiao系列函數(shù)）中，在每個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)1種網(wǎng)架或網(wǎng)殼的建模（見(jiàn)圖12）。因此，當(dāng)需要增加新的結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)，只需要稍加修改建模界面中的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并添加新的建模函數(shù)，具有非常好的擴(kuò)展性能。

圖12 建模數(shù)據(jù)傳遞

4.2 建模算法

不同建模函數(shù)建立不同的空間結(jié)構(gòu)，而在單一建模函數(shù)中，模型的建立依靠建模算法。建模的主要任務(wù)是定位節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而連接節(jié)點(diǎn)形成桿件。定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行定位；對(duì)于柱面網(wǎng)殼，采用柱坐標(biāo)系；對(duì)于球面網(wǎng)殼，采用球坐標(biāo)系。建模順序同樣會(huì)影響建模難度，在本插件中采用“先主干，后枝葉”“先規(guī)律，后特殊”的建模思路。例如，對(duì)于單層凱威特型球面網(wǎng)殼（見(jiàn)圖13），圖中m為球面網(wǎng)殼環(huán)向分割數(shù)；n為球面網(wǎng)殼豎向分割數(shù)；L為球面網(wǎng)殼跨度；f為球面網(wǎng)殼矢高。整個(gè)球面網(wǎng)殼呈現(xiàn)出“總體規(guī)律，區(qū)域內(nèi)部漸變”的特點(diǎn)，在建立單層凱威特型球面網(wǎng)殼的模型時(shí)，先完成環(huán)向和豎向骨干桿件的繪制，然后以此為基準(zhǔn)點(diǎn)繪制各個(gè)區(qū)域中的桿件。

圖13 單層凱威特型球面網(wǎng)殼建模思路

5 案例分析

為檢驗(yàn)提出的空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Revit參數(shù)化建模方法的有效性，針對(duì)單層凱威特型球面網(wǎng)殼，采用直接建模、體量建模、模型互導(dǎo)和參數(shù)化建模4種方法分別建模，并統(tǒng)計(jì)每種方法中節(jié)點(diǎn)定位、桿件連接和其他處理的用時(shí)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖14?？梢钥闯觯瑓?shù)化建模效率最高，其建模成果見(jiàn)圖15；直接建模用時(shí)最長(zhǎng)，效率最低；體量建模和模型互導(dǎo)效率居中，但各自局限性較大。

圖14 建模效率對(duì)比

圖15 參數(shù)化建模成果

6 結(jié)束語(yǔ)

目前空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在Revit BIM平臺(tái)中缺乏行之有效的建模方法，因此提出空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模方法，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)調(diào)用Revit二次開(kāi)發(fā)接口實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化建模，可極大提升建模質(zhì)量和效率；

（2）本參數(shù)化建模插件具有良好的代碼組織，擴(kuò)展性良好，便于后期添加新的建模模塊；

（3）Revit二次開(kāi)發(fā)可以訂制個(gè)性化功能，是BIM正向設(shè)計(jì)的必由之路，所提方法也是對(duì)該方向的一個(gè)探索。