陳 珂，段未珣，余 璟

(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司)

0 引言

鋼筋工程是工程項(xiàng)目建設(shè)中的重要一環(huán)。現(xiàn)階段，鋼筋工程的設(shè)計(jì)主要利用傳統(tǒng)CAD 軟件完成，設(shè)計(jì)結(jié)果以二維形式呈現(xiàn)。在二維設(shè)計(jì)圖紙中，鋼筋構(gòu)件為幾何圖素（點(diǎn)、線、圓等）的堆疊，其細(xì)化布局及更新往往需要大量人工調(diào)整，且無(wú)法直接從圖紙中獲取用于生產(chǎn)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響了鋼筋工程的整體效率。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，參數(shù)化設(shè)計(jì)工具應(yīng)運(yùn)而生，為鋼筋工程設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。相比于傳統(tǒng)CAD軟件，參數(shù)化設(shè)計(jì)工具可以使設(shè)計(jì)過(guò)程保持從始至終的邏輯性，加強(qiáng)鋼筋構(gòu)件間的聯(lián)動(dòng)性，簡(jiǎn)化鋼筋建模流程，具有高效率和精確性。王藝霖等利用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具Dynamo，根據(jù)輪廓線完成隧道主體及鋼筋模型的快速創(chuàng)建[1]。文志彬等將參數(shù)化理念與預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了疊合板鋼筋模型的一鍵生成[2]。M.Li 建立了基于梁參數(shù)的縱向鋼筋布局方法，通過(guò)更改參數(shù)值可以直接生成對(duì)應(yīng)的鋼筋布局[3]。R.Rempling 等研發(fā)了基于集合的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，能自動(dòng)完成橋梁鋼筋排版并開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析[4]。

當(dāng)前，市面上參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的種類(lèi)和數(shù)量正在逐漸增多。相關(guān)從業(yè)人員在選擇工具時(shí)往往依賴(lài)直觀感受和使用習(xí)慣，而不是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)以及不同工具的特點(diǎn)進(jìn)行綜合選取。因此，本文分析了鋼筋工程主要使用的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，對(duì)比了各個(gè)工具的功能特點(diǎn)。分析結(jié)果有利于從業(yè)人員選擇合適的工具，促進(jìn)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具在工程設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)工具分類(lèi)

根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具是否提供直觀的設(shè)計(jì)操作界面，將其分成兩大類(lèi)。第一類(lèi)是數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，其擁有參數(shù)化操作界面；第二類(lèi)是腳本技術(shù)，即控制軟件程序的腳本語(yǔ)言，能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行編碼操作及下達(dá)指令。

1.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件

應(yīng)用于鋼筋工程的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件通常自帶參數(shù)化的鋼筋布置功能。例如廣聯(lián)達(dá)GTJ、PKPM-PC、ProStructures 等，可對(duì)矩形柱、梁等基本建筑構(gòu)件直接進(jìn)行參數(shù)化配筋，通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)鋼筋等級(jí)、形狀、排布的修改。另外，Tekla Structures 為用戶提供雙T型梁、倒T型梁等特殊形狀構(gòu)件的鋼筋自動(dòng)布置功能，提高了鋼筋建模的精度和效率。

數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件除提供常規(guī)構(gòu)件參數(shù)化配筋功能外，也為用戶提供自定義參數(shù)化功能，以提高模型重用性。如Microstation、OpenBuildings Designer、ProStructures 等軟件均內(nèi)含約束功能，可對(duì)幾何體進(jìn)行參數(shù)約束和幾何約束。Autodesk Revit 可通過(guò)族編輯器自定義形狀、性質(zhì)、屬性，獨(dú)立地對(duì)模型進(jìn)行編輯，并將其加載到各類(lèi)項(xiàng)目中。PKPM 可以對(duì)自定義異形構(gòu)件圖元的相對(duì)位置和尺寸進(jìn)行約束。同樣在Tekla Structures 中，用戶可以自定義零件、節(jié)點(diǎn)、細(xì)部和結(jié)合，這些均被稱(chēng)為自定義組件。Digital Project（簡(jiǎn)稱(chēng)DP）可以創(chuàng)建復(fù)雜的參數(shù)化組件，同時(shí)具備曲面造型功能。

除獨(dú)立軟件外，數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件也包含建立在相關(guān)軟件平臺(tái)上的插件，如Autodesk Revit 平臺(tái)的Dynamo、Rhino 平臺(tái)的Grasshopper 以及MicroStation平臺(tái)的Generative Components（簡(jiǎn)稱(chēng)GC）等[5]。這三款可視化編程插件讓用戶可以直觀地編寫(xiě)控制程序，處理對(duì)象不局限于模型，還包括各類(lèi)數(shù)據(jù)，從而為用戶提供了新的鋼筋深化設(shè)計(jì)方式，降低了軟件操作的門(mén)檻。

1.2 腳本技術(shù)

部分?jǐn)?shù)字化設(shè)計(jì)軟件自帶參數(shù)化編輯腳本程序。例如，Rhino 提供的RhinoScript 可以通過(guò)對(duì)布筋算法的編程，實(shí)現(xiàn)鋼筋的參數(shù)化自動(dòng)建模。Planbar 提供的PythonPart 功能則是利用Python 編程語(yǔ)言描述參數(shù)化構(gòu)件，用戶可按照自己的需求進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)。Autodesk Revit也提供了相應(yīng)的API，讓用戶可以通過(guò)Python、C#等編程語(yǔ)言自定義參數(shù)化構(gòu)件[6]，并運(yùn)用坐標(biāo)法或投影法建立預(yù)應(yīng)力鋼筋，完成鋼筋的設(shè)計(jì)建模工作。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)工具功能

現(xiàn)階段用于鋼筋設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具所具備的功能主要包括創(chuàng)建鋼筋宿主、深化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、可視化展示以及軟件交互等五類(lèi)。本文圍繞這五類(lèi)功 能，選 取 了Autodesk Revit2022、Dynamo 2.5、Grasshopper for Rhino5.0、Digital ProjectV1R4、Planbar2018、Bentley ProStrucutresCE Update5.2、Generative Components v8i、Tekla Structures2022、PKPM-PC2022、廣聯(lián)達(dá)GTJ2022等十款參數(shù)化設(shè)計(jì)工具進(jìn)行分析。這些工具的功能信息來(lái)自官方提供的用戶手冊(cè)以及作者開(kāi)展的用戶調(diào)研。

2.1 創(chuàng)建鋼筋宿主

鋼筋宿主通常為三維形體模型，其模型建立邏輯順序是由點(diǎn)連接成線，再生成面和體。Autodesk Revit、DP、PKPM-PC 等參數(shù)化設(shè)計(jì)工具已包含各類(lèi)建筑構(gòu)件庫(kù)，可以通過(guò)屬性設(shè)置高效地創(chuàng)建常規(guī)建筑構(gòu)件。對(duì)于非常規(guī)構(gòu)件，Autodesk Revit、PKPM-PC 可通過(guò)拉伸、放樣等方式創(chuàng)建；Tekla Structures 提供螺旋梁、放樣板等非常規(guī)構(gòu)件；Prostructure通過(guò)Microstation 平臺(tái)建立異形形體；廣聯(lián)達(dá)GTJ 通過(guò)在網(wǎng)格中繪制異形截面，生成異形構(gòu)件。DP將點(diǎn)線面的建模邏輯由樹(shù)形層級(jí)結(jié)構(gòu)串聯(lián)創(chuàng)建形體。可視化編程插件按照建模流程編輯算法建立模型，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了編程可視化，節(jié)點(diǎn)包括點(diǎn)線面體的創(chuàng)建、修改、查詢等。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，可視化編程幾何控制性好，但從點(diǎn)開(kāi)始的幾何形體繪制步驟相對(duì)繁瑣。

2.2 深化設(shè)計(jì)

鋼筋深化設(shè)計(jì)是對(duì)鋼筋的排布、連接方式等進(jìn)行深化，是后期工廠進(jìn)行鋼筋加工以及施工人員進(jìn)行鋼筋排布綁扎的依據(jù)。各類(lèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具提供了多樣化布筋方法，可智能高效地布置各類(lèi)復(fù)雜鋼筋構(gòu)件，提高設(shè)計(jì)效率。廣聯(lián)達(dá)GTJ 和PKPM-PC 提供基本構(gòu)件柱、梁、板的鋼筋參數(shù)化布置，可直接輸入鋼筋參數(shù)生成三維鋼筋實(shí)體。Planbar、ProStructures 和PKPM-PC 可以直接把繪制的三維線條轉(zhuǎn)化為鋼筋構(gòu)件，也可以按路徑、延曲面批量布置鋼筋。Tekla Structures 的橫穿鋼筋和縱向鋼筋可以直接通過(guò)選擇面來(lái)生成與建筑體擬合的鋼筋，鋼筋肢面功能方便鋼筋的批量修改。另外，Dynamo 通過(guò)節(jié)點(diǎn)輸入元素曲線、鋼筋宿主、鋼筋彎折角度、方向等信息，將曲線轉(zhuǎn)化為鋼筋且可設(shè)置鋼筋之間的邏輯關(guān)系，以便節(jié)點(diǎn)程序的多次使用。

2.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)

用于生產(chǎn)的鋼筋數(shù)據(jù)多以鋼筋明細(xì)表形式統(tǒng)計(jì)，包括構(gòu)件名稱(chēng)、構(gòu)件數(shù)量、鋼筋圖、鋼筋根數(shù)、長(zhǎng)度、重量等?？梢灾苯由射摻顚?shí)體的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具大多能自定義輸出鋼筋屬性信息。例如，Autodesk Revit 可根據(jù)項(xiàng)目情況，在明細(xì)表中編輯相應(yīng)公式，對(duì)各型號(hào)的鋼筋進(jìn)行總量匯總。Planbar 可為鋼筋加工設(shè)備提供需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括鋼筋彎折機(jī)需要的BundesvereinigungBausoftware（BVBS）數(shù)據(jù)[7]。但是，部分參數(shù)化設(shè)計(jì)工具只能通過(guò)線條生成非實(shí)體的鋼筋形體，因此無(wú)法輸出全面的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。例如，Grasshopper、GC 等建立的模型大多只包含模型的幾何信息，缺少物理、功能等非幾何信息，因而需要將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到其他軟件中進(jìn)行完善。

2.4 可視化展示

為了實(shí)現(xiàn)鋼筋模型精確可視化，使模型更加接近實(shí)物的質(zhì)感和紋理，使建筑場(chǎng)景精細(xì)化，在模型骨架創(chuàng)建完后需利用軟件將材質(zhì)貼圖、光線布置等與模型貼合。Rhino常用其他渲染器進(jìn)行渲染，如Vary、Enscape、Lumion 等。Autodesk Revit 自帶Autodesk Raytracer渲染引擎，基于物理無(wú)偏差的渲染，使不同材料的曲面顯示真實(shí)自然。Tekla Structures 配置的DirectX 渲染為對(duì)象添加了細(xì)微陰影效果，使得三維可視化更清晰、輪廓更鮮明。DP 集成的Photo Studio 提供了光線追蹤技術(shù)，具有真實(shí)的陰影計(jì)算和反射效果。Planbar和PKPM-PC則集成了CINEMA 4D渲染引擎。

2.5 軟件交互

在鋼筋工程中，設(shè)計(jì)軟件需要與有限元分析軟件、鋼筋碰撞檢查軟件等進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，這要求軟件能夠提供多種文件格式，不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失[8]?，F(xiàn)階段軟件交互方式有直接調(diào)用模式、中間翻譯交互模式和間接交互模式三類(lèi)。直接調(diào)用模式是軟件雙方的一種理想化交互方式。為此，建筑領(lǐng)域制訂了國(guó)際通用的面向?qū)ο蟮娜S建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC。中間翻譯交互模式，即通過(guò)插件等方式對(duì)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使文件能夠被識(shí)別，但數(shù)據(jù)之間在提取過(guò)程中容易出現(xiàn)信息的丟失與錯(cuò)誤，準(zhǔn)確性和傳遞效率不高。間接交互模式，即模型信息需要進(jìn)行一定程度的處理和轉(zhuǎn)化才能被識(shí)別。表1展示了十款軟件可保存的典型文件格式。

表1 各款軟件可保存的典型文件格式

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)工具選擇建議

鋼筋作為受力結(jié)構(gòu)，不同形態(tài)的建筑承載的鋼筋形狀和布置方式不同。因此，在選擇鋼筋參數(shù)化設(shè)計(jì)工具時(shí)，需要考慮不同的項(xiàng)目類(lèi)型，才能有效提高鋼筋設(shè)計(jì)建模效率，最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)工具的作用。本文根據(jù)各個(gè)工具所具備的功能列舉了適用于不同設(shè)計(jì)用途及建筑形態(tài)的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，如圖1所示。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)工具選擇參考

從模型的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，用于項(xiàng)目展示的模型需要建模速度快、不卡頓，各個(gè)構(gòu)件更接近其真實(shí)質(zhì)感，以便精確地分辨實(shí)體特征，因此要求設(shè)計(jì)工具幾何引擎強(qiáng)，能保證模型運(yùn)算速度和渲染效果。若該模型需與施工階段對(duì)接，則要求其能夠及時(shí)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)工具應(yīng)能快速創(chuàng)建鋼筋實(shí)體，且具備導(dǎo)出完整料單的功能。

從模型的建筑形態(tài)出發(fā)，鋼筋形狀、布置方法需與建筑形態(tài)相適應(yīng)。線性建筑形態(tài)中的線條幾乎可以用一階方程進(jìn)行模擬，建筑面大多為四四方方的平面，即由矩形的柱梁板墻等構(gòu)件形成建筑體。這類(lèi)建筑建模不需要軟件提供豐富的非線性形體的幾何處理功能，主要看重軟件自身所具備的鋼筋創(chuàng)建和布置功能，或較強(qiáng)的軟件交互能力，能夠在導(dǎo)入其他平臺(tái)時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整性。非線性建筑形態(tài)是指隧道、橋梁、管廊等基礎(chǔ)設(shè)施或是由復(fù)雜曲線和復(fù)雜曲面所構(gòu)成的大型場(chǎng)館等建筑。這類(lèi)建筑的曲線往往需要用到二階甚至更高階的方程表示[9]。針對(duì)采用曲率變化的形體，鋼筋需要滿足相應(yīng)復(fù)雜變化情況，可能無(wú)法直接使用軟件所提供的鋼筋形狀和構(gòu)件鋼筋參數(shù)化排布方式，因而需要自定義參數(shù)或使用特殊功能以人工方式批量創(chuàng)建鋼筋。非線性空間曲面建模更看重背后的合理性與邏輯性[10]，所以對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的參數(shù)定制和參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性要求更高。

Autodesk Revit、Planbar、PKPM-PC、TeklaStructures、廣聯(lián)達(dá)GTJ、ProStructures 等都含有常規(guī)建筑構(gòu)件，適合用于線性建筑形態(tài)模型。Autodesk Revit、Planbar、Tekla、PKPM配置了專(zhuān)門(mén)的渲染引擎，渲染操作方便且渲染紋理清晰，適用于線性模型的項(xiàng)目展示。Grasshopper、GC、DP 建立的模型不包含建筑信息，但模型運(yùn)算速度快、設(shè)計(jì)邏輯清晰、模型聯(lián)動(dòng)性好，可用于建立非線性模型項(xiàng)目展示的鋼筋形體。Autodesk Revit、Planbar、TeklaStructures 軟件配置了鋼筋庫(kù)，有常規(guī)鋼筋形狀；廣聯(lián)達(dá)GTJ、PKPM-PC、ProStructures也可以對(duì)常規(guī)構(gòu)件鋼筋直接進(jìn)行參數(shù)化布置，因此這些軟件適合用于線性模型的深化設(shè)計(jì)。Dynamo 作為邏輯構(gòu)建和表現(xiàn)的工具，可以將設(shè)計(jì)過(guò)程的每一步可視化，并與下一步進(jìn)行關(guān)聯(lián)，強(qiáng)化了Autodesk Revit的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能。ProStructures 異形形體可通過(guò)Microstation+GC 平臺(tái)繪制，并針對(duì)異形構(gòu)件設(shè)置由路徑生成鋼筋、由面生成弧形鋼筋等批量生成異形鋼筋功能。這兩者不僅可以直接通過(guò)曲線生成鋼筋實(shí)體，而且可通過(guò)可視化編程工具創(chuàng)建、修改并展示鋼筋設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一步邏輯關(guān)系，適用于非線性建筑形態(tài)的鋼筋深化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文對(duì)比了不同參數(shù)化設(shè)計(jì)工具在創(chuàng)建鋼筋設(shè)計(jì)模型中的主要功能，并從設(shè)計(jì)模型應(yīng)用場(chǎng)景、建筑形態(tài)等角度研討了參數(shù)化設(shè)計(jì)工具應(yīng)當(dāng)具備的功能以及需要側(cè)重考慮的需求。本文結(jié)論如下：

⑴參數(shù)化設(shè)計(jì)工具提高了鋼筋工程從業(yè)人員的工作效率，優(yōu)化了鋼筋深化設(shè)計(jì)方式。具有相關(guān)參數(shù)的三維鋼筋模型能夠提升精準(zhǔn)算量和設(shè)計(jì)結(jié)果可視化水平，有利于支持鋼筋設(shè)計(jì)的精細(xì)化管理。

⑵針對(duì)項(xiàng)目展示需求，需要模型運(yùn)算速度快、渲染效果好的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具。目前部分參數(shù)化設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建的模型不含建筑信息，運(yùn)算速度較快，并且可對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的著色，未來(lái)可以提升模型渲染的質(zhì)感和光影效果。

⑶針對(duì)深化設(shè)計(jì)需求，需要具有鋼筋實(shí)體建模以及導(dǎo)出鋼筋料單功能特點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具。目前部分參數(shù)化設(shè)計(jì)工具已經(jīng)提供了創(chuàng)建基本構(gòu)件和鋼筋排布功能，可以快速、高效完成鋼筋深化設(shè)計(jì)。未來(lái)可進(jìn)一步完善異形構(gòu)件自定義參數(shù)化鋼筋排布功能。