基于Revit二次开发的空间网架结构BIM建模技术

基于Revit二次开发的空间网架结构BIM建模技术
乔恩懋;丁琦
【摘要】虽然国内的建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)已经逐渐起步,但整体的应用案例较少,空间网架结构仍采用传统的建模方式,导致建模效率低下.为此,基于BIM技术,采用Revit参数,构建空间网架结构模型,梳理建立网架结构的元素模型,在建立空间网架结构模型时,将这些元素整合导入,通过对数据库接口进行二次开发,最终形成自动化的建模流程.同时该流程能够自动检查干涉和遗漏,大大提高了钢结构空间网架的建模效率.
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2019(035)001
【总页数】7页(P230-236)
【关键词】Revit;建筑信息模型;空间网架;自动化建模;结构元素
【作者】乔恩懋;丁琦
【作者单位】内蒙古建筑职业技术学院装饰与艺术设计学院,呼和浩特010070;呼和浩特市城环环卫产业发展(集团)有限公司,呼和浩特010070
【正文语种】中文
0 引言
随着信息科技的进步,可视化的三维设计已越来越普遍,软件开发商间整合加剧,面向对象和参数化数据库技术的发展,共同形成了所谓建筑信息模型(Building
Information Modeling,BIM),这使得虚拟的三维对象具有许多的参数用来定义对象间相互关系,若有对象改变,则通过参数化来重新定义对象间关联性,自动修正受到影响的其他对象。

因这些三维的对象可以被计算机解读,故可将建筑模型的空间冲突用自动化的方式检查出来[1-3]。

最近几年,国外已有不少应用BIM的实例,美国在BIM技术、流程中展示了取得了重要的研究结果,在实体营建工程展开之前,先以精确的三维模型在计算机上虚拟建成,并针对可能出现的问题,事先进行模拟分析,改变以往在施工进行中仓促应对的做法,进而提升建筑产业的效率与产值[4-5]。

目前国内高校在BIM技术的推广教育方面,除了深入剖析技术发展过程、BIM工具介绍及成功应用的案例,也成立了研究及教育训练中心,进行BIM技术人力的培训工作[6]。

其中东南大学以项目管理的角度,深入开发多维度项目信息整合模型,供应用在建筑项目施作期程中成本、工期及质量的决策上[7]。

在工程界方面,中联重科已导入BIM技术,以BIM工具实际执行集合住宅开发案中的成本控制、设计检讨及信息整合的工作,充分发挥BIM工具的效益;该公司已于2015年成立BIM研究中心,以期培养更多的BIM研发人员。

中兴工程顾问公司最近两年来,分别由研发部、建筑部、结构部、机械部、轨道二部,导入3D设计能力并尝试进行整合,在办公大楼、高科技厂房、捷运场站都有不少应用经验,除了拟定完整的BIM建模作业流程,对于模型的应用与分析效益,也已有深刻的体验,甚至对于不同BIM软件工具的协同作业模式进行探讨[8],中国土木水利程学会也于2010年10月发行的会刊中,推出BIM专辑,积极扮演在国内推动BIM 的重要角色[9]。

综合来说,虽然国内已经逐渐起步,但是整体BIM应用案例很少,特别是针对空间网架结构的建模案例较少,因此,本文基于BIM技术,采用Revit参数化建模技术建立空间网架结构模型,并通过数据库接口进行二次开发,从而完成空间网架结构模型的自动化建模,大大提高钢结构空间网架的建模效率。

1 Revit建模理论基础
1.1 Revit简介
为了解决结构设计领域的问题,Autodesk公司提出了基于BIM解决方案的软件Revit Structure,该软件集成了多材质的物理模型与独立、可编辑的分析模型,并为常用的结构分析软体提供双向联结。

通过空间参数化模型的实时呈现,在施工前对
建筑结构提供更精确的可视化,具有协同作业的能力。

例如,建筑师和水暖电工师可
进行跨领域逇工作。

秉持着“一处修改,处处更新”的理念,该软件有效降低了项目
设计变更中的错误发生率,提升了工程师的设计效率[10]。

Autodesk Revit Structure采用Ribbon界面,使用者可针对操作需要,更快速简便地找到相应的功能,如图1所示。

图1 Revit Structure使用者界面Fig.1 The Revit Structure user interface
Revit使用一套称为[族(Family)]的完整强大架构来执行管理分类及修改模型组件
数据数据(图2)。

图中显示Revit具有多种组件,称之为类别,例如柱、梁、门、基础、楼板、墙等;每个类别包含不同型号,称之为族,例如钢柱中有W型、C型、L型等,
钢梁中有T型、Pipe、Tube等;每个类型包含不同规格,称之为类别,拥有相同参数定义但数值不同,例如W型钢中有W10X12、W14X33等多种规格。

图2 Revit组件管理分类架构示意图Fig.2 Schematic diagram of the classification of the revit component manages
使用者可更进一步自行建立族文件档,在每个族中定义多种类型(规格),明确尺寸、
形状、材质等参数,并汇入软件中使用,用于后续案例分析。

1.2 Revit二次开发的结构建模
本研究中尝试简化对象,让这些Revit Model可以在空间数据库内顺利进行运算,并且借助空间数据库的高效率来缩短API程序在Revit内执行几何运算的时间,让Revit可以专心于对象的呈现、非几何或是复杂的查询工作,最后利用简单的几何计
算来测试改进后的计算速度和效能。

图3为Revit建模流程,由如下步骤组成:
(1) 首先,取得Revit内的各项建筑模型对象。

(2) 接着拆解这些取得的建筑组件。

(3) 简化可以包住这个组件的最小立方体,属于简化步骤。

(4) 依据设计好的条件,筛选适合的数据并导入数据库,其先决条件是Revit档案必须符合此研究的预设格式,为转档阶段。

(5) 最后进行数据分析,在Revit系统本身与这些汇入的数据进行相同的运算,比较两者的速度、精确度等差异。

图3 Revit建模流程图Fig.3 Revit modeling flowchart
2 Revit空间网架结构建模
获得广泛认可和应用的空间网架结构采用的是超静定结构形式,通过众多杆件的结构化连接而成。

在三维建模中,单独创建每根杆件不仅耗时耗力,而且不利于对网架结构的整体形状进行控制。

基于结构元素的创建,可以完成Revit中的空间网架结构建模,如图4所示。

图4 常见的空间网架结构Fig.4 Common space frame structure
概念体量是Revit Structure中的一种族,通过该族,可以简化创建复杂概念形体的过程。

概念设计完成后,将建筑图元添加到这些形状中,可以完成复杂模型的创建。

利用体量族的这一特点,可以方便快捷地完成网架结构的三维建模。

2.1 空间网架结构元素建模
网架结构是由杆件和连接球组成的,杆件又分为上弦杆、下弦杆、腹杆。

根据正放四角锥网架的结构特点,将其划分为由上弦杆和腹杆组成的四角锥单元以及由下弦杆组成的方形网格单元。

幕墙嵌板族可以用来实现这些族的创建。

2.1.1 上弦杆件元素创建
单击→新建→族,在跳出的对话框中选择“基于公制幕墙嵌板填充图案.rft”文件,单击打开。

界面见图5。

图5 上旋杆件元素Fig.5 The upper screw element
单击选取方形网格,在“属性”对话框中单击“类型选择器”,可以看到有各种样式
的网格供我们选择,见图6。

根据单元组合特点,选取“矩形”网格。

构件形体的绘制以网格中心的四个点图元和四条参照线为依据。

首先选中“绘制”工具栏,单击“点图元”,任意一条线都可以成为绘制点图元的参照线。

工作平面可
以通过单击点图元来调用,利用该工作平面,可以绘制杆件截面轮廓。

“圆形”绘制
工具可通过单击“绘制”调用,按钮可以用来设置状态,例如将工作平面换成设点图
元的工作平面,以点图元为中心,绘制一个圆形,见图7。

图6 矩形网格Fig.6 Rectangular net
图7 点图元工作平面Fig.7 Point diagram element work plane
同时选取刚创建好的轮廓和参照线,单击“创建形状”按钮,即生成杆件模型,见图8。

这是应用体量中的形状创建实现“扫描”创建形体的方法。

2.1.2 腹杆元素创建
腹杆的创建需要使用定位杆件的端点,即四棱锥的顶点。

选中所有杆件,单击“视图
工具栏”中的“临时隐藏/隔离”按钮→“隐藏图元”,见图9。

图8 上旋杆模型Fig.8 Top rod model
图9 腹杆元素的创建Fig.9 The creation of the abdominal rod element
在网格内部创建一个点图元。

利用标注将点图元与网格相对两边的距离设为“EQ”,这样点图元所在位置即网格的中心位置,见图10。

图10 点图元创建Fig.10 Dot diagram creation
选取中心点图元中垂直于“楼层平面”的面为工作平面。

以此点图元为端点,垂直
于工作平面向下画一条参照线,用“对齐”功能将参照线锁定到中心点图元上。

单
击新建的参照线,标注其长度,并赋予长度参数“高度”,此参照线的自由端端点即是四棱锥顶点。

以这条参照线为扫描路径,创建腹杆。

同样的方法创建其他三条腹杆。

这里需要注意,在创建完腹杆后,需要锁定杆件轮廓。

方法是选中杆件,单击工具栏中的锁定轮廓按钮,创建完成的单元格见图11。

图11 腹杆元素的单元格Fig.11 The cell of the abdominal rod element
2.1.3 创建连接球元素
先绘制一个以点图元为中心的圆。

在三维视图中,选中此圆,单击“创建形状”,在弹出的选项中,选择球体,生成并保存此连接球为“连接球单元.rfa”,见图12。

图12 连接球元素创建Fig.12 Connect the ball element to create
本文基于Revit 2012 API使用的环境要求,在.NET 3.5平台以C#作为程序设计的
语言,并且以Microsoft Visual Studio 2010作为开发环境。

Revit2UML的主要目的是将上述网架模型内的组件转为类别图中的类别,并在类别与类别之间给予适当
的关联后汇出UML档案。

其伪码如下:
1.Create a UML file named by Revit Model
2.For each i in category do:
3.Change i to class and put i in to class collection
4.End
5.For each i in class collection do:
6.For each j in instances do:
7.If j belong to i then set j to be i’s attribute
8.End
9.End
10.For each i in class collection do:
11.For each j in geometry objects do:
12.If j belong to i then do:
pute j’s area and volume and set them to i’s attribute
14.End
15.End
16.End
17.For each i in classesdo:
18.For each j in classesdo:
19.If i !=j && i is related to j then set relevance
20.End
21.End
22.Save UML & save Extra Information
最终利用Revit二次建模技术形成空间网架模型,如图13所示。

图13 Revit 空间结构网架建模图Fig.13 Revit space structure network frame modeling diagram
3 案例分析
西南某城市的马戏城项目主要以空间钢结构网架为主,相对的施工技术难度增加,前期的项目设计如图14所示。

图14 项目设计结构的三维模型Fig.14 Three-dimensional model of project design structure
本项目钢结构主要为空间网架结构,其中幕墙龙骨依照建筑外观设计特点,设计为双向斜交钢结构体系,分别与钢筋混凝结构上预埋件连接,最高约48 m,宽度约18 m;飘带结构由幕墙系统延伸而出,共分为3段。

幕墙支撑钢结构为空间箱型弯扭构件,其二次深化、加工制作和安装难度大;场地局促,屋顶双向桁架吊装困难;飘带为三维空间管桁架,相贯线切割和空间定位安装难度大。

根据第三节中给出的基于Revit的二次开发建模技术,先取得Revit元素模型档案,再执行Export API并确定想要导出的建筑组件项目,接着在步骤程序会自行判断这些对象是否具有几何属性而且是否可以转换成OBB,无法导出的对象会直接跳出程序,否则进行运算把建筑组件转成OBB,接着导出至数据库,然后回到接口显示导出结果。

具体的运算流程如图15所示。

图15 Revit二次开发代码Fig.15 Revit secondary development code
以下是实际在Revit环境中执行Export功能时的步骤以及图标。

(1) 执行加载宏的Export功能(图16)。

图16 宏加载示意图Fig.16 The macro loads the schematic
导出对应的元件ID,对应所有/特定类型的物件:一次性导出所有预设类型的钢结构物件,现有的类型有Rod、Frame、Ball、Other (图17)。

图17 元素类型选择界面Fig.17 Element type selection interface
最终形成的幕墙龙骨模型如图18所示。

图18 项目的幕墙龙骨模型Fig.18 Project curtain wall keel model
应用Revit建立幕墙龙骨整体模型,三维模型辅助专业协调,统一在一个模型中操作,多专业协同作业,碰撞校核,避免遗漏与错误,项目的建模模型如图19所示。

图19 基于Revit技术的项目整体模型Fig.19 The overall model of a project based on Revit technology
4 结论
BIM是现代建筑设计的新作法,比起过去以计算机辅助绘图技术来进行建筑设计,BIM除底层技术基于三度空间制图外,所有建筑组件也可有丰富的属性信息,用来表达建筑物设计或施工阶段的各式信息需求。

本文基于Revit二次开发技术,对空间网架结构进行建模,首先建立网架的结构元素模型,在进行空间网架结构模型建模
时,将这些元素整合导入,最终形成自动化的建模流程,并能够自动检查干涉和遗漏,大大地提高了建模效率。

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