朱 致 遠(yuǎn)，牛 志 偉，張 宇，李 同 春

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

Autodesk Revit 作為實現(xiàn)BIM技術(shù)使用最為廣泛的軟件之一[1]，因其操作簡單、易于開發(fā)、兼容性好，在建筑行業(yè)占據(jù)了巨大的市場[2]。但目前我國水利行業(yè)對BIM技術(shù)的應(yīng)用尚淺[3]，因Revit缺乏水工結(jié)構(gòu)計算、穩(wěn)定計算功能，導(dǎo)致其無法滿足水利設(shè)計的需求，傳統(tǒng)水利設(shè)計還是常采用CAD繪圖，Excel表格、理正、PKPM等軟件輔助結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，普遍存在可視化程度低、與BIM軟件結(jié)合度差、重復(fù)性工作繁瑣等缺點(diǎn)[4]。通過Revit API結(jié)合C#混合編程，對Revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，訪問、操作三維模型，實現(xiàn)自主添加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算功能模塊，為解決上述問題提供了新的思路。國內(nèi)對于Revit軟件二次開發(fā)的研究起步較晚，綜合來看，主要集中在土木工程的結(jié)構(gòu)計算、施工管理、便捷式模型建立及工程量的統(tǒng)計等幾個領(lǐng)域，在水利工程結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定計算方面的研究仍有待深入[5]。朱紅光等[6]通過對Revit API接口的調(diào)用，實現(xiàn)了在Revit平臺下整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系的結(jié)構(gòu)計算二次開發(fā)；鄧?yán)誓莸萚7]使用Revit API開放數(shù)據(jù)接口創(chuàng)建基于Revit軟件安全管理模塊，實現(xiàn)了工程施工危險源的安全管理；馬佰鈺等[8]通過Revit二次開發(fā)，實現(xiàn)了對索塔及其主要構(gòu)件的快速建模。肖貝[9]在Revit平臺上為土方工程開發(fā)了計算模快，方便基坑開挖土方的計算。本文通過Revit API與C#語言相結(jié)合的編程方式，采用WPF界面開發(fā)模式和MVVM程序開發(fā)模式，進(jìn)行水閘工程擋土墻穩(wěn)定計算程序的開發(fā)，力求為水利行業(yè)擴(kuò)展BIM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行有益探索。

1 開發(fā)工具及開發(fā)模式

1.1 Revit API工具包

Revit API(Application Programming Interface)是Revit提供給第三方開發(fā)者用來集成自建應(yīng)用程序到Revit產(chǎn)品的工具包，通過Revit API，開發(fā)者可以實現(xiàn)訪問模型的圖形數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)，集成第三方應(yīng)用，創(chuàng)建插件等工作[10]。Revit API里面包含了大量二次開發(fā)可以使用的命名空間，以及命名空間下的類和類中包含的函數(shù)和屬性，極大程度上減小了二次開發(fā)的難度，使Revit二次開發(fā)成為可能。

1.2 WPF界面開發(fā)模式

WPF(Windows Presentation Foundation)是微軟新一代的界面開發(fā)技術(shù)，是微軟開發(fā)技術(shù)未來10 a的主要方向[11]。WPF包含了數(shù)據(jù)驅(qū)動、DataBinding、XAML語言等概念，有效地將UI界面設(shè)計和邏輯設(shè)計分開，加上DirectX底層接口帶來的優(yōu)秀圖形向量渲染引擎，相比上一代GDI/GDI+編程模型有了質(zhì)的飛躍，也使得WPF在界面開發(fā)模式中占據(jù)了重要的位置。

1.3 MVVM程序開發(fā)模式

MVVM模式(Model-View-View Model)充分利用了WPF中的XAML和DataBinding功能，將程序的結(jié)構(gòu)分為Model層、View層和ViewModel層[12]。分層開發(fā)實現(xiàn)了功能模塊化，降低各個模塊之間的耦合度，從而使程序的架構(gòu)清楚、功能明確，同時便于團(tuán)隊協(xié)同開發(fā)[13]?；贛VVM模式的水閘擋土墻穩(wěn)定計算插件二次開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 基于MVVM模式的Revit二次開發(fā)流程Fig.1 Revit secondary development flow based on MVVM mode

2 擋土墻穩(wěn)定計算插件開發(fā)

Revit API提供兩種方式來擴(kuò)展其功能：一種方式是創(chuàng)建一個外部命令(IExternal Command)，這種方式由用戶點(diǎn)擊添加的命令按鈕來啟動二次開發(fā)生成的相應(yīng)命令；另一種方式是加一個外部應(yīng)用(IExternal Application)，即添加菜單或工具條，在Revit啟動和關(guān)閉時自動執(zhí)行[14]。

通過對Revit API提供的模型選擇和訪問方法的研究，實現(xiàn)了對擋土墻模型參數(shù)的自動識別與獲取。通過對WPF和MVVM架構(gòu)的研究，使用C#語言編寫功能模塊，完成了用戶輸入?yún)?shù)、后臺程序計算、計算結(jié)果反饋的界面開發(fā)和人機(jī)交互功能。最后，使用外部應(yīng)用調(diào)用外部命令的方式實現(xiàn)了擋土墻穩(wěn)定計算插件的二次開發(fā)。插件開發(fā)流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擋土墻穩(wěn)定計算插件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of retaining wall stability calculation plug-in

2.1 界面開發(fā)

本文主要通過外部應(yīng)用(IExternal Application)重載OnStartup()和OnShutdown()兩種方法實現(xiàn)功能區(qū)擴(kuò)展。

(1) 首先在菜單欄中創(chuàng)建一個名為“水閘插件”的工具欄(RibbonTab)，其下設(shè)一個名為“擋土墻”的面板(RibbonPanel)，面板內(nèi)置一個名為“穩(wěn)定計算”的按鈕(Button)，如圖3所示。

圖3 Revit功能區(qū)擴(kuò)展效果圖Fig.3 Functional area expansion in Revit

(2) 然后使用外部應(yīng)用調(diào)用外部命令的方式，實現(xiàn)點(diǎn)擊Button后跳出穩(wěn)定計算的交互窗口。

(3) 交互窗口使用XAML語言編寫，其架構(gòu)如圖4所示，最外層由“參數(shù)輸入”和“獲取參數(shù)”兩個TabControl控件組成；參數(shù)輸入頁面包含了“物理參數(shù)”“水位參數(shù)”“地震參數(shù)”和“基本參數(shù)”4個GropBox控件，用來實現(xiàn)用戶手動輸入工程環(huán)境參數(shù)的功能；參數(shù)獲取頁面包含了“獲取擋土墻尺寸”和“計算結(jié)果”2個GropBox控件，用來自動獲取擋土墻模型參數(shù)和計算結(jié)果判別與顯示的功能。

圖4 窗口控件構(gòu)架圖Fig.4 Frame diagram of window control

2.2 用戶參數(shù)輸入模塊

用戶參數(shù)輸入模塊開發(fā)由WPF界面開發(fā)和ViewModel類庫開發(fā)組成。

(1) 在WPF界面開發(fā)中，本文針對不同類型的參數(shù)設(shè)置不同的輸入方式：對于數(shù)字(double類型)參數(shù)，提供TextBox控件，并已預(yù)設(shè)了默認(rèn)值，簡化用戶操作流程；對于文字(string類型)參數(shù)，提供ComboBox控件，用戶可以通過下拉按鈕選擇的方式設(shè)置荷載組合、擋土墻級別、地基土質(zhì)，使參數(shù)管理趨于規(guī)范化。

(2) ViewModel類庫的開發(fā)，通過繼承INotifyPropertyChanged接口，在屬性的set語句中激發(fā)PropertyChanged事件實現(xiàn)，當(dāng)界面上的值改變時，自動通知并修改后臺對應(yīng)參數(shù)值，當(dāng)后臺參數(shù)值變化時，自動更改UI界面上的值，最終達(dá)到人機(jī)交互的效果。

2.3 模型參數(shù)獲取模塊

模型參數(shù)的獲取模塊由WPF界面、ViewModel類庫和IExternal Command命令組成。

(1) WPF界面使用TextBox控件顯示獲取的模型參數(shù)值，通過雙向綁定，實現(xiàn)了用戶在已取得模型參數(shù)的基礎(chǔ)上手動修改參數(shù)值。

(2) ViewModel作為連接界面和命令的橋梁，將后臺命令程序獲取的參數(shù)與TextBox控件的Text屬性進(jìn)行綁定(Binding)。

(3) IExternal Command命令使用RevitAPI中Selection.PickObject()和GetElement()的方法，通過手動點(diǎn)選擋土墻模型，將其轉(zhuǎn)化為程序中FamilyInstance類型的對象，然后通過遍歷該擋土墻實例對象的所有類型屬性，根據(jù)屬性名稱(parameter.Definition.Name)獲取需要的類型參數(shù)，并賦值給ViewModel中對應(yīng)的屬性。擋土墻參數(shù)包括前趾板寬、豎墻寬、空腔寬、后趾板寬、豎墻高、底板厚、扶壁頂寬、扶壁底寬、扶壁厚、扶壁高等。

插件可智能識別不同類型的擋土墻樣式(空腔式、扶壁式)，如圖5所示，獲取對應(yīng)參數(shù)，并自動采用相對應(yīng)的計算方法進(jìn)行穩(wěn)定計算。在此基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步增加擋土墻樣式，以擴(kuò)展插件的適用性。

圖5 擋土墻參數(shù)化三維模型Fig.5 Parametric 3D model of retaining wall

2.4 計算與結(jié)果分析模塊

計算與結(jié)果分析模塊是擋土墻穩(wěn)定計算插件的核心，使用C#語言編程，對擋土墻規(guī)范設(shè)計流程進(jìn)行抽象封裝，完成了擋土墻自重計算方法、擋土墻穩(wěn)定計算方法和結(jié)果分析方法的編寫。

(1) 擋土墻自重計算方法。由于各類型擋土墻穩(wěn)定計算均需要自重荷載值，故將自重計算過程獨(dú)立計算，以此減少重復(fù)代碼量。該方法需傳入擋土墻模型的尺寸參數(shù)集合和物理參數(shù)集合，然后根據(jù)式(1)～(2)計算得擋土墻總自重值、總自重彎矩值。

G=K×V×υ

(1)

M=G×L

(2)

式中：G為構(gòu)件自重荷載，kN；K為截面系數(shù)，矩形取1，三角形取0.5；V為構(gòu)件體積，m3；υ為混凝土容重，N/m3；M為構(gòu)件自重彎矩值，kN·m；L為構(gòu)件力臂，m。

(2) 擋土墻穩(wěn)定計算方法。該方法需傳入擋土墻尺寸參數(shù)集合、物理參數(shù)集合、水位參數(shù)集合和地震參數(shù)集合，然后根據(jù)規(guī)范[15]要求及荷載類型，分別計算擋土墻自重荷載、主動土壓力、靜水壓力、揚(yáng)壓力、底板上土重、底板前挑水重等荷載，豎向荷載向下為正，橫向荷載向墻后為正，彎矩以向墻后傾覆為正。最后由式(3)～(5)計算擋土墻底應(yīng)力不均勻系數(shù)η、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0。

η=Pmax/Pmin

(3)

式中：η為擋土墻底應(yīng)力不均勻系數(shù)；Pmax為擋土墻底應(yīng)力最大值，kPa；Pmin為擋土墻底應(yīng)力最小值，kPa。

(4)

式中：Kc為擋土墻底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋土墻底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在擋土墻上的全部水平向荷載，kN。

(5)

式中：K0為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對擋土墻前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對擋土墻前趾的傾覆力矩，kN·m。

(3) 結(jié)果分析方法。根據(jù)用戶選擇的荷載組合、擋土墻級別、地基土質(zhì)，選取規(guī)范[15]規(guī)定的擋土墻底應(yīng)力不均勻系數(shù)η、擋土墻底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc和擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)K0允許值，通過與計算結(jié)果進(jìn)行比對，判斷擋土墻穩(wěn)定設(shè)計的合理性，并將判定結(jié)果與TextBox控件的BackGround屬性進(jìn)行綁定，當(dāng)計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求時，TextBox控件底色變紅，如圖6所示。

圖6 計算結(jié)果分析模塊Fig.6 Calculation results analysis module

3 擋土墻穩(wěn)定計算插件在水閘設(shè)計中的應(yīng)用

針對上述研究成果，本文以定波水利樞紐水閘工程的擋土墻為例，測試其有效性。

(1) 建立參數(shù)化模型。使用Revit軟件對定波水利樞紐水閘工程進(jìn)行三維建模，并為擋土墻模型設(shè)置完整的類型參數(shù)，如圖7所示。

圖7 參數(shù)化水閘模型Fig.7 Parametric sluice model

(2) 用戶輸入?yún)?shù)。根據(jù)該水閘工程所處的環(huán)境條件以及設(shè)計要求，輸入對應(yīng)的物理參數(shù)、水位參數(shù)、地震參數(shù)和基本參數(shù)，如圖8所示。

圖8 用戶輸入?yún)?shù)窗口Fig.8 User input parameter window

(3) 獲取模型參數(shù)。點(diǎn)擊“請選擇一個擋土墻”按鈕，單擊擋土墻模型，插件自動獲取計算所需的擋土墻模型參數(shù)，如圖9所示。

圖9 獲取模型參數(shù)及計算結(jié)果Fig.9 Model parameters and calculation results acquisition

(4) 計算。點(diǎn)擊“計算”按鈕，在結(jié)果框中顯示計算結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果底色尚未變紅，判斷在該環(huán)境條件下，擋土墻設(shè)計滿足穩(wěn)定要求，如圖9所示。

通過將擋土墻穩(wěn)定計算插件和傳統(tǒng)的Excel表格、理正、PKPM軟件對比可以發(fā)現(xiàn)，插件能在較短時間內(nèi)實現(xiàn)高精度的擋土墻穩(wěn)定計算，并自動對結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷，大大減少了設(shè)計人員前期計算、后期復(fù)核，在多平臺多軟件來回切換、重復(fù)建模的繁瑣工作。與傳統(tǒng)方法相比，插件可視化程度高，提高了設(shè)計人員的工作效率的同時，也彌補(bǔ)了Revit缺少擋土墻穩(wěn)定計算功能的不足。

4 結(jié) 語

筆者團(tuán)隊充分利用BIM技術(shù)在水利工程行業(yè)設(shè)計、展示中的優(yōu)勢，開發(fā)了基于Autodesk Revit平臺的水閘擋土墻穩(wěn)定計算插件。該插件不僅實現(xiàn)了高精度、高效率的穩(wěn)定計算功能，高可視化、低操作難度的人機(jī)交互，還將工程設(shè)計規(guī)范與插件相結(jié)合，實現(xiàn)了計算結(jié)果的實時判別，在彌補(bǔ)Revit缺少水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算功能不足的同時，提高了水利設(shè)計人員的工作效率，為進(jìn)一步擴(kuò)展BIM技術(shù)在水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。