陸海燕 張 怡 崔 琨 寧寶寬

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)包括梁柱相交的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及與核心區(qū)相連的梁端、柱端，是框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，起著傳遞、分配內(nèi)力和保持框架結(jié)構(gòu)整體性的作用。所以節(jié)點(diǎn)部位的鋼筋配置在整個(gè)建筑工程中占有極其重要的地位，影響著工程質(zhì)量。目前采用的平法繪圖在復(fù)雜的工程中無(wú)法清晰地表明設(shè)計(jì)師的意圖，圖紙的可讀性不高，因此，在鋼筋工程施工圖中融入 BIM 技術(shù)，把鋼筋放樣圖清晰的呈現(xiàn)出來(lái)，既簡(jiǎn)單又直觀，大大提高布筋的準(zhǔn)確度，從而提高施工人員的工作效率。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)基于BIM的鋼筋參數(shù)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，Yang等[1]針對(duì)裝配式住宅的建筑構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段，建立標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的模型庫(kù)，

提出了實(shí)現(xiàn)裝配式住宅與BIM設(shè)計(jì)組合的思路與方法。MACIELAR等[2]研究利用鋼筋詳細(xì)定位模塊實(shí)現(xiàn)具有搭接長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度的平板三維鋼筋自動(dòng)配置； Atul[3]分析利用BIM技術(shù)可以更加合理地進(jìn)行鋼筋配置，從而節(jié)約鋼筋成本； Li等[4]通過(guò)針對(duì)是否運(yùn)用BIM技術(shù)管理對(duì)兩個(gè)實(shí)際工程進(jìn)行對(duì)比，指出在建筑物工程量計(jì)算與解決建筑物鋼筋碰撞問(wèn)題等方面，BIM技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)； Kensek[5]等運(yùn)用Arduino，Dynamo和Revit API等技術(shù)軟件將傳感器與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，并在工程實(shí)際中得到應(yīng)用； 陸海燕等[6]通過(guò)分析剪力墻結(jié)構(gòu)體系中邊緣構(gòu)件的配筋情況，結(jié)合 BIM 軟件Revit的參數(shù)化建模功能與 Revit API 開(kāi)發(fā)接口，研究了幾種常見(jiàn)規(guī)則構(gòu)件的參數(shù)化； 張祥等[7]通過(guò)分析古建筑的構(gòu)件尺寸規(guī)律，結(jié)合BIM軟件Revit Architecture和Object ARX 技術(shù)實(shí)現(xiàn)其參數(shù)化； 羅遠(yuǎn)峰等[8]通過(guò)分析裝配式建筑構(gòu)件的鋼筋排布規(guī)律，運(yùn)用Revit實(shí)現(xiàn)裝配式建筑中部分構(gòu)件鋼筋的參數(shù)化排布； 趙巖等[9]對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編制數(shù)據(jù)讀取程序并自動(dòng)對(duì)讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化建模； 劉飛虎等[10]研究利用 CATIA 快速創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜橋墩內(nèi)不同型號(hào)的鋼筋，較傳統(tǒng)的三維建模方法更加方便快捷； 舒欣等[11]運(yùn)用BIM技術(shù)在南通政務(wù)中心停車(chē)綜合樓項(xiàng)目中從標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、可視化設(shè)計(jì)、構(gòu)件模型深化、碰撞檢查和施工模擬等方面進(jìn)行了深入的研究； 林樹(shù)枝等[12]通過(guò)BIM協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目各階段的銜接及各參建方的信息交互，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的智能化管理； 魏晨康等[13]利用 BIM的虛擬技術(shù)解決了超高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼筋沖突碰撞問(wèn)題。

以上針對(duì)BIM技術(shù)在鋼筋建模方面的研究很多，但大多數(shù)鋼筋建模采用Revit軟件自帶的鋼筋族，不便于單根鋼筋的修改且鋼筋與鋼筋之間容易發(fā)生碰撞，可操作性差，效率低。為更好地解決鋼筋碰撞及錨固不足等問(wèn)題，本文依據(jù)節(jié)點(diǎn)部位的鋼筋排布規(guī)律及規(guī)范要求，提出不同于現(xiàn)有Revit鋼筋族的新型參數(shù)化自建族方法，通過(guò)建立基于Revit族的梁柱節(jié)點(diǎn)全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，解決了適用于梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼筋建模問(wèn)題； 同時(shí)，應(yīng)用Revit二次開(kāi)發(fā)將自建族放置在梁柱節(jié)點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋的自動(dòng)生成，并在實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 梁柱節(jié)點(diǎn)的多維參數(shù)化模型

節(jié)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)首先面臨的問(wèn)題是如何進(jìn)行數(shù)字化的描述，對(duì)于常見(jiàn)的框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合規(guī)范及設(shè)計(jì)圖集的要求按照如圖1所示的全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接的構(gòu)件關(guān)系，將節(jié)點(diǎn)描述為單個(gè)三維鋼筋參數(shù)化模型、內(nèi)嵌鋼筋的基本構(gòu)件參數(shù)化模型、節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型及典型節(jié)點(diǎn)四個(gè)維度。其中三維鋼筋參數(shù)化模型為基本模型，并以構(gòu)件模型為載體，各維度模型通過(guò)維度參數(shù)相互制約構(gòu)成節(jié)點(diǎn)族的層層嵌套模型。

圖1 全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

1.1 全三維參數(shù)化模型設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)中鋼筋分為縱筋和箍筋，縱筋根據(jù)節(jié)點(diǎn)的情況可采用彎錨、直錨或機(jī)械錨固等形式，同時(shí)為了滿足避讓需求可能會(huì)有水平和豎向彎折。為此對(duì)于做水平避讓和豎向避讓的鋼筋提出如圖2所示的參數(shù)化模型，并對(duì)應(yīng)表1中模型的六個(gè)參數(shù)，六個(gè)參數(shù)的含義分別為：a為起端彎錨長(zhǎng)度，b為起端深入支座長(zhǎng)度，c為起端水平偏移距離，d為末端水平偏移距離，e為末端深入支座長(zhǎng)度，f為末端彎錨長(zhǎng)度。通過(guò)參數(shù)的變化可構(gòu)成不同形狀的縱筋。

圖2 縱筋參數(shù)化模型

表1 參數(shù)與鋼筋形狀

箍筋可以根據(jù)對(duì)規(guī)范的理解提出如圖3所示的鋼筋參數(shù)化模型。首先創(chuàng)建輪廓線，得到縱筋位置上的圓心坐標(biāo)點(diǎn)P1(x0，y0)點(diǎn)P2(x1，y1)點(diǎn)P3(x2，y2)點(diǎn)P4(x3，y3)，分布鋼筋半徑r，箍筋直徑d，彎鉤長(zhǎng)度L0，彎鉤角度α，保護(hù)層厚c，柱長(zhǎng)a，寬b，根據(jù)參數(shù)設(shè)定，可得到10個(gè)點(diǎn)的參數(shù)化坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)可確定箍筋。

圖3 箍筋參數(shù)化模型

1.2 基本構(gòu)件維度參數(shù)化模型

梁和柱是框架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，梁構(gòu)件模型如圖4所示，梁構(gòu)件分為箍筋加密區(qū)和非加密區(qū)，參數(shù)分為鋼筋形狀參數(shù)及構(gòu)件維度參數(shù)(鋼筋在構(gòu)件中的定位參數(shù))。

柱構(gòu)件模型如圖5所示，柱鋼筋分為角部鋼筋、邊部鋼筋，箍筋分為加密區(qū)箍筋和非加密區(qū)箍筋，參數(shù)分為鋼筋形狀參數(shù)及構(gòu)件維度參數(shù)。

圖4 梁構(gòu)件參數(shù)表及模型圖

圖5 柱構(gòu)件參數(shù)表及模型圖

1.3 節(jié)點(diǎn)維度參數(shù)化模型

幾何參數(shù)化建模以主控參數(shù)的驅(qū)動(dòng)力為基礎(chǔ)，首先建立主控參數(shù)的模型，主控參數(shù)模型由梁和柱組成，梁柱相對(duì)位置通過(guò)中心線確定，如圖6所示為一維參數(shù)化模型，其中涉及參數(shù)為梁的長(zhǎng)度、寬度、厚度，柱的長(zhǎng)度、寬度、高度以及每根梁相對(duì)于柱的位置，根據(jù)參數(shù)表確定構(gòu)件的幾何參數(shù)，通過(guò)修改幾何參數(shù)確定構(gòu)件幾何尺寸。

圖6 節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型

圖7 典型節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型

2 基于Revit的梁柱節(jié)點(diǎn)的多維參數(shù)化族

2.1 多維參數(shù)化族的創(chuàng)建

對(duì)前面提出的多維參數(shù)化模型，目前Revit 軟件無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)，為此通過(guò)Revit 中自建族的方案，如圖7為通過(guò)自建族創(chuàng)建的四種參數(shù)化模型，分別為一字型節(jié)點(diǎn)、L型節(jié)點(diǎn)、T型節(jié)點(diǎn)和十字型節(jié)點(diǎn)。采用公制常規(guī)模型，結(jié)構(gòu)板塊設(shè)置為結(jié)構(gòu)連接，族參數(shù)選擇鋼屬性，這樣使族在各個(gè)項(xiàng)目中的視圖顯示鋼特性，通過(guò)Revit軟件中拉伸功能繪制鋼筋在XY軸上的二維平面圖，接著在立面圖中拉伸Z軸方向的三維圖形，形成縱向鋼筋，梁部鋼筋采用放樣的方式創(chuàng)建彎錨鋼筋，彎錨鋼筋分為向上彎錨、向下彎錨。錨固長(zhǎng)度根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置為15d。利用放樣功能，繪制箍筋路徑，選取工作平面繪制箍筋輪廓，形成箍筋。將鋼筋族載入梁柱構(gòu)件中，形成嵌套族，將鋼筋在梁柱中設(shè)置位置參數(shù)，通過(guò)陣列設(shè)置鋼筋數(shù)量參數(shù)。設(shè)置箍筋數(shù)量時(shí)通過(guò)鎖定將鋼筋與柱邊和梁邊鎖定，使鋼筋長(zhǎng)度隨著梁柱長(zhǎng)度參數(shù)的變化而變化，箍筋數(shù)量通過(guò)鋼筋長(zhǎng)度/箍筋間距設(shè)定，當(dāng)箍筋間距一定時(shí)，可通過(guò)梁柱長(zhǎng)度的變化同時(shí)改變縱向鋼筋和箍筋。梁部鋼筋通過(guò)設(shè)置每根縱向鋼筋與梁邊距離控制鋼筋位置，確保梁柱相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，鋼筋隨之改變。

2.2 節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)主要是通過(guò)可視化操作解決鋼筋碰撞問(wèn)題，如圖8所示。

圖8 鋼筋碰撞圖

節(jié)點(diǎn)部位鋼筋復(fù)雜，碰撞問(wèn)題很難避免，在此基礎(chǔ)上，提出可視化方法解決此問(wèn)題，鋼筋避讓分為水平避讓和垂直避讓?zhuān)奖茏尶杀苊饬翰夸摻钆c柱鋼筋碰撞，垂直避讓可避免梁部鋼筋碰撞。

鋼筋避讓是在Revit可見(jiàn)性的基礎(chǔ)上操作，首先在直鋼筋的基礎(chǔ)上繪制出向上、向下偏移鋼筋，并設(shè)置偏移距離參數(shù)。

選中偏移鋼筋對(duì)其可見(jiàn)性進(jìn)行設(shè)置，并關(guān)聯(lián)參數(shù)，關(guān)聯(lián)后的參數(shù)在族類(lèi)型表中可見(jiàn)，設(shè)置三種族類(lèi)型，分別對(duì)應(yīng)每一種可見(jiàn)性鋼筋，載入項(xiàng)目中后可在三維視圖下通過(guò)對(duì)族類(lèi)型的選擇實(shí)現(xiàn)鋼筋形狀的選擇，實(shí)現(xiàn)鋼筋彎折，從而避免碰撞，如圖9所示，為避讓后的配筋圖。

圖9 鋼筋避讓效果圖

3 鋼筋的快速生成

自動(dòng)生成三維鋼筋首先將BIM建筑模型建立好，通過(guò)使用Revit API和C#中的編碼識(shí)別模型信息，判斷模型類(lèi)型，將現(xiàn)有鋼筋族載入模型中，實(shí)現(xiàn)三維鋼筋的自動(dòng)創(chuàng)建，具體思路如圖10所示。

圖10 創(chuàng)建鋼筋流程圖

首先過(guò)濾圖形中的所有結(jié)構(gòu)梁，將所有梁看作一條直線，提取粱線坐標(biāo)，創(chuàng)建集合，提取所有梁線交點(diǎn)，將每根梁與其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，通過(guò)交點(diǎn)坐標(biāo)判斷節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。

(1)若交點(diǎn)坐標(biāo)等于兩條粱線的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)為L(zhǎng)型節(jié)點(diǎn)；

(2)若交點(diǎn)坐標(biāo)等于其中一條粱線的端點(diǎn)坐標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)為T(mén)型節(jié)點(diǎn)；

(3)若交點(diǎn)坐標(biāo)不等于任何一條粱線的端點(diǎn)坐標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)為十字型節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)交點(diǎn)坐標(biāo)確定放置節(jié)點(diǎn)位置，從節(jié)點(diǎn)族中調(diào)取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)放置形式，對(duì)節(jié)點(diǎn)族進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，梁位于柱左側(cè)定義為-1，右側(cè)+1，梁位于柱上側(cè)定義為+1，下側(cè)-1，通過(guò)坐標(biāo)軸方向?qū)⒐?jié)點(diǎn)鋼筋族旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°，可以完成節(jié)點(diǎn)放置。

如圖11所示為框架結(jié)構(gòu)單元，采用上述方法運(yùn)用Revit API自動(dòng)放置節(jié)點(diǎn)鋼筋族，一鍵生成如圖12所示的節(jié)點(diǎn)配筋圖，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的快速配筋。

圖11 框架結(jié)構(gòu)模型

圖12 節(jié)點(diǎn)配筋圖

4 某辦公樓基于Revit的深化設(shè)計(jì)

本工程為某六層框架結(jié)構(gòu)辦公樓，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。基本風(fēng)壓0.30kN/m，基本雪壓0.30kN/m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本工程設(shè)計(jì)時(shí)，采用本文提出的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行梁、柱及節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)。

4.1 實(shí)施方案

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成梁柱參數(shù)化節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)生成，在通過(guò)可視化的交互設(shè)計(jì)完成節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)，在通過(guò)Revit二次開(kāi)發(fā)將節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)結(jié)果與梁柱全參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)連接，進(jìn)而完成構(gòu)件深化設(shè)計(jì)。實(shí)施方案見(jiàn)流程圖13，具體步驟如下：

圖13 實(shí)施方案流程圖

(1)針對(duì)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，建立梁、柱及節(jié)點(diǎn)構(gòu)件全三維參數(shù)化族。

(2)對(duì)項(xiàng)目中的梁柱構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化類(lèi)型定義，完成本項(xiàng)目的如圖15所示的Revit建模。

(3)對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，確定出各節(jié)點(diǎn)所連接的梁柱構(gòu)件，并根據(jù)構(gòu)件的位置關(guān)系，結(jié)合節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型，自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型。

(4)通過(guò)可視化的交互設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)點(diǎn)鋼筋進(jìn)行鋼筋避讓及鋼筋錨固設(shè)計(jì)、完成節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)。

(5)對(duì)Revit二次開(kāi)發(fā)，提取BIM模型中節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)結(jié)果與梁柱全參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)連接，進(jìn)而完成構(gòu)件深化設(shè)計(jì)。

(6)通過(guò)Revit二次開(kāi)發(fā)，編程提取BIM模型中構(gòu)件信息，完成施工圖設(shè)計(jì)。

4.2 實(shí)施結(jié)果

通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用以及深化設(shè)計(jì)的研究，針對(duì)上述辦公樓進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到如圖14所示的三維布置圖。

圖14 節(jié)點(diǎn)布置三維圖

5 結(jié)論

(1)基于Revit參數(shù)化族的方法建立了梁柱節(jié)點(diǎn)的全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，將復(fù)雜的梁柱節(jié)點(diǎn)配筋設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為多維鋼筋模型、節(jié)點(diǎn)模型及典型構(gòu)件模型，解決了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)部位鋼筋的建模難題，拓展了BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋深化設(shè)計(jì)提供了模型基礎(chǔ)；

(2)基于族參數(shù)的變化提出了一種解決梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋錨固及避讓的方式，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的三維可視化交互設(shè)計(jì)，為梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋錨固及避讓問(wèn)題帶來(lái)了新的解決辦法；

(3)通過(guò)C#編程的方法，調(diào)取設(shè)計(jì)模型并載入到項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋的自動(dòng)化生成，某工程的驗(yàn)證證明了該方法是可行的，通過(guò)BIM技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)為節(jié)點(diǎn)參數(shù)化族的應(yīng)用提供技術(shù)支持。