張學(xué)輝 楊搏濤 李鵬陽 安軍海

摘 要：為解決抗震支吊架設(shè)計與受力校核自動化程度低引起的建筑工程設(shè)計精度問題，基于Revit平臺設(shè)計了不同類型的抗震支吊架族模型，通過分析Revit API對象結(jié)構(gòu)，利用遞歸方式識別管道曲線坐標(biāo)，自動調(diào)整支吊架布設(shè)方向，探究了參數(shù)化模型數(shù)據(jù)信息的提取方法及抗震支吊架受力體系與Revit之間的交互方式，并通過實(shí)際工程案例加以驗證。研究表明：1）抗震支吊架自動化設(shè)計系統(tǒng)能夠以三維可視化的方式自動生成設(shè)計方案，可完成各類型抗震支吊架自動規(guī)范性布設(shè)，提高工作效率;2）通過調(diào)用自定義函數(shù)，對其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，可進(jìn)行自動校核，保證抗震支吊架布設(shè)方案的安全性;3）通過對設(shè)計模型參數(shù)化的設(shè)計，可實(shí)時修改設(shè)計方案，具有較高的靈活性。研究結(jié)果能夠為復(fù)雜管道系統(tǒng)中的抗震支吊架設(shè)計提供技術(shù)支持，為推進(jìn)建筑機(jī)電工程智能化設(shè)計提供了方向和參考價值。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)輔助設(shè)計;抗震支吊架;二次開發(fā);Revit API;自動化

中圖分類號：TU17 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx01006

Abstract：In order to solve the problem of the architectural engineering design accuracy caused by the low degree of automation in the process of seismic support and hanger design with stress checking，different types of seismic support and hanger models were designed based on Revit platform.Through the analysis of Revit API object structure，the curve coordinates of pipeline were identified by using the recursive method and the direction of support and hanger layout was automatically adjusted.The data information extraction of parameterized model and the interaction mode between seismic support and hanger stress system with Revit were explored，which were verified by practical engineering cases.The results show that：1） automatic design system for seismic support and hanger can automatically generate the design scheme with 3D visualization and complete the automatic and standardized layout of various seismic supports and hangers，so as to improve the work efficiency;2） after adjusting the user-defined function，the stress analysis of the key nodes can be carried out，and automatic check can be undertaken to ensure the safety of the seismic support and hanger layout scheme;3） with the parametric control of the design model，the design scheme can be modified in real time with high flexibility.The research results can provide technical support for the design of seismic supports and hangers in complex pipeline system，which can promote the intelligent design of building mechanical and electrical engineering with strong reference value.

Keywords：computer aided design;seismic support and hanger;secondary development;Revit API;automation

近年來中國地震頻發(fā)，抗震支吊架使用越發(fā)廣泛，同時國外在管線及抗震支吊架這些非結(jié)構(gòu)部件地震力影響方面制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[1]。1976年唐山大地震以后，中國開始重視非結(jié)構(gòu)部件抗震設(shè)計[2]，頒布的一系列規(guī)范中針對非結(jié)構(gòu)部件設(shè)計提出了抗震計算說明，并給出了相關(guān)計算方法[3]。黃劍雄[4]，史全勝[5]分別對抗震支吊架的布置準(zhǔn)則和設(shè)計選型進(jìn)行總結(jié)，闡述了抗震支吊架布置準(zhǔn)則、受力校核及水平地震力計算方式。但傳統(tǒng)設(shè)計方法需要設(shè)計人員在管線平面CAD圖中標(biāo)注各抗震支吊架的位置，并對每一個位置進(jìn)行受力校核，整個過程主要通過人工完成，自動化程度低，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，且許多大型工程包含大量復(fù)雜管線系統(tǒng)，其抗震支吊架的設(shè)計經(jīng)常成為工程設(shè)計的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響項目進(jìn)度。因此實(shí)現(xiàn)高效的抗震支吊架自動化設(shè)計系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計在建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，Revit二次開發(fā)技術(shù)得以快速發(fā)展，王所緊等[6]基于UG開發(fā)了管道支吊架設(shè)計系統(tǒng)Hanger Wizard，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)獲得了管道類型尺寸等設(shè)計參數(shù)，提高了對管道支吊架的三維建模效率。王博超等[7]利用Java SE開發(fā)了一款應(yīng)用于核電廠管道支吊架設(shè)計程序，實(shí)現(xiàn)了零部件的自動選型，能夠根據(jù)實(shí)際管線情況選擇合適的支吊架模型。盤榮鋮等[8]結(jié)合某實(shí)際工程，對承重支吊架布置原則等方面進(jìn)行研究，將管線信息作為依據(jù)，運(yùn)用BIM相關(guān)技術(shù)深化幾何信息模型，通過數(shù)據(jù)集成，對管道支吊架的布設(shè)方法做出了進(jìn)一步總結(jié)。

上述研究主要是針對管線系統(tǒng)中單一承重支吊架的研究，未提及自動化受力校核等方面相關(guān)研究。由于中國抗震支吊架相關(guān)規(guī)范實(shí)施較晚，抗震支吊架的自動化設(shè)計系統(tǒng)幾乎處于空白。國外支吊架大型企業(yè)，如荷蘭的沃雷文 （Walraven）、列支敦士登的喜得利（Hilti）等，在支吊架設(shè)計、安裝等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但這些企業(yè)對管道支吊架智能設(shè)計相關(guān)軟件未進(jìn)行公開。

BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、參數(shù)化等特點(diǎn)[9]，為抗震支吊架的設(shè)計提供了新的有效途徑，但目前BIM軟件在抗震支吊架自動化設(shè)計方面仍處于起步階段。本文通過建立支吊架族，分析相關(guān)API函數(shù)用法，總結(jié)抗震支吊架應(yīng)用范圍、布點(diǎn)方式和受力校核準(zhǔn)則，探究與BIM核心軟件Revit之間的交互方式，對抗震支吊架自動化布設(shè)與受力分析展開研究，該研究有助于提高工作效率、加快項目工期進(jìn)度，具有廣泛應(yīng)用價值。

1 開發(fā)工具及程序設(shè)計思路

采用Visual Studio 2017及Revit 2016為平臺， C#為編程語言，創(chuàng)建WPF交互界面并添加Class類，通過程序主入口IExternal Command與接口成員Execute（）函數(shù)進(jìn)行命令擴(kuò)展功能[10]，由于實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)中各類抗震支吊架自動生成屬于對當(dāng)前Revit文檔進(jìn)行修改與創(chuàng)建，因此通過使用Transaction進(jìn)行事務(wù)的創(chuàng)建與更新，生成解決方案進(jìn)行加載及調(diào)用。由于事務(wù)在API中沒有默認(rèn)值，因此需聲明標(biāo)簽值，本文使用Manual模式，方法如下。

[Transaction（TransactionMode.Manual）]

[Regeneration（RegenerationOption.Manual）]

如圖1所示為Revit二次開發(fā)流程。

本文從抗震支吊架參數(shù)化嵌套族的創(chuàng)建、自動化布設(shè)布置、受力計算3方面展開研究，圖2為程序設(shè)計思路。

2 面板菜單欄設(shè)計

用戶界面（GUI）是程序可見部分之一[11]，通過對外部命令接口（IExternal Application）進(jìn)行派生，對Create Ribbon Tab函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，創(chuàng)建功能面板（Ribbon Panel），指定參數(shù)中包含命名空間在內(nèi)的完整命令類名稱的dll生成路徑，在方法Push Button Data中進(jìn)行內(nèi)部名稱、顯示名稱、程序集及類名參數(shù)輸入，添加自定義按鈕（Push Button）并用Bitmap Image方法將ico圖標(biāo)插入到面板，實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的交互。具體流程如圖3所示。

創(chuàng)建系統(tǒng)在Revit自定義按鈕標(biāo)簽頁如圖4所示。

3 自動化布設(shè)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 創(chuàng)建參數(shù)化族模型

在Revit中選擇公制機(jī)械設(shè)備作為族樣板，以《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集》為標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建抗震連接件、管夾、槽鋼立柱、槽鋼斜撐等，形成嵌套族[12]。由于各類管道支吊架族模型較為復(fù)雜，因此在設(shè)計之前對相關(guān)基準(zhǔn)軸、定位點(diǎn)、參照平面及參照線等進(jìn)行創(chuàng)建。

Revit 2016中由官方定義了一套數(shù)學(xué)語法體系，以其中部分支吊架為例進(jìn)行設(shè)計，通過表達(dá)式的實(shí)現(xiàn)，將各注釋進(jìn)行參數(shù)化關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建自動化參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，如圖5所示為部分抗震支吊架參照平面設(shè)計及參數(shù)化關(guān)聯(lián)模型。

圖5 a），c）中，L為橫梁，W為管道寬度，H為管道高度，圖b）中D為管道直徑，t1為管道壁厚，t2為管夾直徑，對各部件表達(dá)式參數(shù)化關(guān)聯(lián)，使各類管道支吊架隨著管線或管徑的變化而變化。以其中一種管道支吊架為例，圖6為添加參數(shù)界面。

3.2 族模型的載入

Revit API函數(shù)中提供了元素過濾器，用來遍歷各元素ID。利用Filtered Element Collector收集器，對項目中管道支吊架族進(jìn)行過濾，實(shí)現(xiàn)族模型的載入，具體流程如圖7所示。

首先新建“LoadCzFamily”類，創(chuàng)建事務(wù)Transaction修改Revit中的文件，本文載入的族均為構(gòu)建族，首先在內(nèi)存中重新建立一個獨(dú)立的拷貝文檔，獲取參數(shù)化族模型文件的路徑。然后，采用if語句對當(dāng)前文檔中是否加載目標(biāo)rvt文件進(jìn)行判斷，若沒有，則使用Load Family重載方法將rfa族文件通過程序的方式進(jìn)行加載。

3.3 間距計算

根據(jù)規(guī)范[13]要求，在程序中設(shè)定計算規(guī)則并輸入相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)間距自動計算功能，其中水平管線抗震支吊架間距L可通過式（1）求出。

如圖12中，在n點(diǎn)處生成空間坐標(biāo)系，取長度L在線方向Line Dire上對于Ox，Oy，Oz三個坐標(biāo)軸方向上的投影坐標(biāo)（Lx，0，0）（0，Ly，0）（0，0，Lz）來確定第下一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，進(jìn)行循環(huán)布設(shè)。由于在程序中生成的支吊架方向默認(rèn)為原始水平方向，因此需要將支吊架族模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終與對應(yīng)的管線方向垂直，本文采用API中提供的Rotate方法，通過元素的Location進(jìn)行元素旋轉(zhuǎn)?？拐鹬У跫芫贾糜谥惫芗?，且拐彎處0.6 m進(jìn)行布設(shè)，步驟如下。

1）起始點(diǎn)St確定 首先，獲取構(gòu)件信息集合ele中的管線三維中心線，定義線方向Line Dire并獲取起始點(diǎn)St;判斷起始點(diǎn)是否有連接件，若有，則在距離St處右側(cè)（0.6+L） m處進(jìn)行布點(diǎn)。

2）點(diǎn)位布設(shè) 對選擇管段進(jìn)行遞歸識別，判斷是否在同一標(biāo)高。在每個連接件0.6 m處進(jìn)行抗震支吊架的布置并對管段進(jìn)行等間距布點(diǎn)，設(shè)與點(diǎn)選管段中心線方向Line Dire上每個節(jié)點(diǎn)為num_Hangers[i]，其中i={0，1，2，...，n-1，n}。

3）元素旋轉(zhuǎn) 判斷管線與水平線形成角度不同情況，生成旋轉(zhuǎn)軸Rot Axis、水平軸Hor Axis，對抗震支吊架旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)計，最終垂直于管道三維中心線方向，具體程序流程如圖13所示。

如圖14所示為創(chuàng)建完成的抗震支吊架自動化布設(shè)系統(tǒng)操作界面。

4 抗震支吊架受力計算系統(tǒng)設(shè)計

4.1 抗震支吊架受力分析

為方便受力分析計算，根據(jù)支吊架實(shí)際受力情況對其簡化，如圖15所示為抗震支吊架計算簡圖，圖中斜撐LG、吊桿HG所受地震力為Fq1，斜撐MK、吊桿IK所受地震力為Fq2，且滿足Fq1=Fq2。

式中：MH為管道產(chǎn)生的集中荷載與槽鋼橫擔(dān)材料自重產(chǎn)生的均布荷載彎矩疊加;A2為槽鋼橫梁截面面積;Wh為凈截面模量。

4.2 抗震計算程序設(shè)計

上文闡述了抗震支吊架各受力部件抗地震力分析的依據(jù)和計算方法，下面將重點(diǎn)研究如何在程序中實(shí)現(xiàn)計算機(jī)自動輔助計算功能并引入到Revit中。

設(shè)計思路如圖20所示，運(yùn)用Revit API提供的相應(yīng)接口構(gòu)造SelSL類并調(diào)用，定義支吊架和管道模型各項參數(shù)，遍歷IListKz_element list集合中對象名稱獲取當(dāng)前Revit文檔中的族實(shí)例后，用Revit Lookup查看圖元相關(guān)對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值提取。建立非模態(tài)窗體，對Button Click觸發(fā)事件，即編寫抗震計算程序，并調(diào)用IEvent Handler接口的Execute（）方法，創(chuàng)建收集器collector對當(dāng)前Revit文檔中的族模型信息進(jìn)行收集。

6 結(jié) 語

為解決復(fù)雜管道系統(tǒng)中抗震支吊架布置與校核困難這一問題，以實(shí)際工程項目為例，結(jié)合BIM技術(shù)對Revit進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計出抗震支吊架自動化設(shè)計系統(tǒng)，有助于工程師快速確定支吊架的設(shè)計方案，提高施工效率，為抗震支吊架的設(shè)計提供了一種新思路，主要結(jié)論如下。

1）設(shè)計的抗震支吊架自動化設(shè)計系統(tǒng)提高了設(shè)計效率，減少了因自動化程度低而造成的時間浪費(fèi)，縮短了工期;可以自動生成三維可視化的設(shè)計方案，提高了設(shè)計效率和精度，解決了設(shè)計與施工之間的信息偏差問題。

2）建立的自動受力校核系統(tǒng)，通過調(diào)用相關(guān)API函數(shù)，分析抗震支吊架關(guān)鍵受力節(jié)點(diǎn)，在一定程度上優(yōu)化了抗震支吊架布設(shè)方案，提高了抗震支吊架的安全性。

3）采用Revit平臺二次開發(fā)解決類似工程問題是可行的。

針對抗震支吊架族庫不完善、初期建模工作量較大等問題，未來將對建模方式進(jìn)行研究，進(jìn)一步擴(kuò)展族庫;此外，由于API函數(shù)復(fù)雜性，控制不同管線的標(biāo)高是一大難點(diǎn)，今后對于管道不同標(biāo)高處抗震支吊架自動化設(shè)計還需要進(jìn)一步研究和探索。

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