Dynamo可視化編程在預制裝配式構件中的應用

程 霄， 王 輝

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400000)

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling)的技術理論逐步推廣于各類工程項目，應運而生的是工程領域全生命周期對應的各類BIM應用[1]，這是一個以數據信息為核心，對工程項目分析模擬、三維可視化、二維出圖、施工模擬、運維管理的過程。目前，Revit是業內公認的主流三維軟件平臺，有著數據兼容、構件參數化、模型信息化、二維圖自動生成等特點。然而Revit在異形建模、鋼筋設置等方面存在短板[2]。Dynamo作為Revit平臺下的編程工具，在開源、參數化、可視化等方面有明顯優勢，方便設計師在其簡練的操作環境中編寫邏輯節點，解決普通三維建模中出現的問題，或是縮短建模步驟，提高效率。

裝配式建筑是指按照統一標準的建筑部品規格將混凝土及鋼筋構件制作成房屋單元或部件，然后運至施工現場裝配就位而生產的建筑。這種建筑有著工程完成質量高、生產效率高、資源利用率高、安全管理、環保節能等突出優點[3]。目前，國內學者作出了少許基于BIM技術在裝配式建筑產業中的應用研究。齊寶庫、李長福針對BIM技術在裝配式建筑全生命周期中的管理及應用前景進行了分析討論[4]；周文波等通過預制裝配式框架結構工程實例，以Tekla鋼結構軟件進行深化設計，證實了BIM技術在設計階段應用于裝配式建筑的可行性[5]；白庶等分析了在裝配式建筑各階段的應用價值[6]。

鑒于此，本文在總結前人對裝配式建筑與BIM技術結合的研究基礎上，解析了基于Dynamo的參數化設計，探討了Dynamo與Revit的軟件交互方式，進行裝配式構件參數化建模，并擴展到相關工程運用，旨在推動裝配式建筑產業在我國的發展。

1 基于Dynamo的參數化設計

1.1 Dynamo概述

Dynamo是一個開源可視化編程平臺，能作為獨立的“沙箱”模式或作為其他軟件的插件運行。它可以讓工程師自行定制腳本的邏輯行為,使用各種文本和腳本編程語言(C#、JAVA、Python等)。對于不善于編程的用戶，透過可視化編程界面與人機接口，只需掌握一定的編程邏輯知識，并且針對處理問題的思路來設置一套解決方案，經過輸入、處理、輸出三個階段創建目標節點和算法解決問題。作為Revit的輔助橋梁，Dynamo可以幫助進行數據信息分析和復雜異形體設計，填補了Revit可視化方式處理模型與管理數據信息的空缺，二者相輔相成，將BIM技術運用提高到更高的層次。

1.2 參數化設計原理

參數化實質為協同理念，組成物體的各部分相互約束相互協同，是一種不可或缺的共存關系，這個過程也許是可逆的[7]。Revit平臺中的“參數性”主要表現為族的參數化，在規則范圍內控制類型屬性中的各項參數。在這之上是Revit自適應族，它可以自行匹配項目模型，使參數控制以三維幾何意識的形式表達。

Dynamo基于其可視化的特點，使參數在邏輯關系之下的表現形式十分清晰。Dynamo有明確的輸入節點，這些節點控制著整個程序的邏輯關系和處理結果。對于裝配式建筑，預制構件(Precast Concrete)為組成完整模型的基本單位，構件外形規格的不同決定著建筑最終形態。本文結合具體項目案例，以Dynamo編程的邏輯思維，參數化地控制裝配式預制構件的混凝土及鋼筋參數，能有效地提升裝配式建筑模型建立效率。

1.3 Dynamo-Revit結合參數化設計優勢

Dynamo在以獨立的沙盒模型運行時，其自身的建模與擴展能力十分有限，模型數據屬性缺乏多樣性，無法同目前BIM平臺下各建模軟件相比，而附托于Revit之后，其能力則顯現出來，主要體現在以下幾個方面：

(1)在Dynamo利用自身節點建立的模型可以與Revit進行無縫鏈接，可以隨用戶意向更改節點參數來放置目標模型。

(2)Dynamo可拾取Revit中的元素，包括項目或族中的曲線、曲面、實體等，同時也能提取當前工程文件下的模型種類，如門、柱、板等，更能瀏覽任一可輸入格式的文件，方便數據的錄入。

(3)通過Dynamo建立的輔助模組，不僅能實現相關構件的快速自動生成，還能幫助從CAD到三維模型的信息提取與快速建模。

(4)Dynamo同樣能夠傳遞Revit的數據信息，幫助統計工程信息量，并輸出以表格和二維圖的形式。

2 預制裝配式構件建模實踐

本文欲結合重慶羅賓森廣場項目，闡述Dynamo平臺參數化可視編程設計在預制(PC)構件上的運用。該項目超高層建筑要求上部結構輕、抗震性能高、建筑品質好的特點，加上混凝土料送漿等施工難點，響應重慶市對裝配式建筑實施要求，項目的四棟塔樓部分采用裝配式預制構件，以裝配式樓梯構件為例，開展應用研究工作。

2.1 參數化構件信息模塊構建

2.1.1 混凝土模型參數化建立

結合項目設計，匹配住宅建筑要求，本次選用單跑樑式裝配式樓梯，包括了梯板、平臺板、橫梯梁、走道板、梯間梁等主要構件，以裝配式建筑樓層層高為主要自變量，得到相應樓梯模型的可控制參數化變量(如階梯數、階梯寬度、單個階梯長度高度等)，參數個數依據具體的模型設計而設置。以確定的控制變量為輸入參數，通過拖動參數條改變輸入變量從而控制樓梯模型的整體形狀。由于不同樓梯構件的結構和模型組成部分各不相同，需要在建模前將其拆分，單獨定義各部分的幾何位置，由此建立其空間的模型控制幾何點，再由點—線—面—體的思路逐步建立樓梯三維模型。在此參數化模型構建過程中，除了參數變量輸入模塊外，還包括坐標變換及函數關系模塊、圖形處理模塊、數據聯動模塊(圖1)。

圖1 樓梯構件生成邏輯步驟

2.1.2 鋼筋建模處理

不同于混凝土樓梯或是其他形態的模型，鋼筋屬于依附在混凝土內部的構件，有著附著體量大、布置規范繁瑣等問題，一直是BIM建模工作中比較棘手的難點。筆者使用建立鋼筋自定義節點的方法，以dyf外部文件創建鋼筋形狀資源庫，依照混凝土構件鋼筋布置規范調用鋼筋節點。在Dynamo鋼筋自定義節點創建中，需要設置相關輸入參數類型以及其默認值，包括鋼筋直徑、旋轉角度、彎曲半徑、各鋼筋段長度等，對節點進行不同數值的連接運算，則可得到相應的鋼筋構件，輸出形式除了以Solid(實體)外，還增加了Polycurve(多段線)，利于后續擴展調用。對節點進行不同數值的連接運算，則可得到相應數據規格的鋼筋構件，接著如同混凝土構件建模一樣，依據布置規范設置圖形處理模塊并關聯變量數據，使鋼筋符合設計規范的前提下匹配裝配式預制構件(圖2)。

2.2 Dynamo—Revit模型交互方式

在Dynamo可視化界面中可以看到的一系列圖形，都是以Dynamo內置的圖形數據格式存在的，與Revit中的圖形數據格式截然不同，因此，需要以合適的方式對二者進行數據交互。

2.2.1 導入符號

導入符號(Importinstance)輸入數據為Dynamo中的單個或多個幾何圖形，輸出到Revit的幾何體幾乎可以保留完整的圖形信息，如遇復雜的異形幾何體則可能出現模型缺失的情況。導入符號除此外并無其他附加信息數據，如同Revit中導入的CAD圖紙，無法對其進行二次編輯，管理與運用都較為不便。對于外形結構單一規整的模型，導入Revit后可通過分解功能使其在常規模型族樣板中轉化為族文件，此時可以進行簡單的圖形調整和信息添加。

2.2.2 形狀端口

形狀端口(DirectShape)是由Dynamo創建的某些幾何圖形、類別、材質和名稱信息導入Revit項目文件的半智能構件，相比導入符號，多提供了一些信息數據和操作管理，它的圖形列表在Revit模型中被細分為多個部分，導入之后便無法更改其圖形信息，因此缺乏一些關鍵構件元素使之無法參與受Revit約束的進程。

2.2.3 族端口

族端口(FamilyInstance)是通過Dynamo在Revit中創建一個自定族的符合節點，使導入的圖形數據以族的形式展現出來，這也是較為理想的轉換方式。該過程需要在Dynamo的資源庫中下載SpringNodes軟件包，輸入參數除基本的圖形信息外，需要一個族模板的文件路徑，作為數據載體傳遞Dynamo中的圖形數據信息，因此能夠運用族的優勢特征構建模型(圖3)。

圖3 三種交互方式表達

2.3 擴展應用

研究結合實際工程項目情況，由以上方式建立的裝配式樓梯構件鋼筋與混凝土模型還達不到項目施工設計要求，構件所涵蓋的信息數據遠不止模型本身。在完成模型導入后，Dynamo還能結合基本模型圖形信息，傳遞多層級擴展信息的相關性，以及參數化三維表達的運用，旨在搭建起Dynamo運用于裝配式建筑預制構件的平臺架構。

2.3.1 構件算量統計

裝配式預制構件的材料用量信息是項目前期設計和施工階段的重點，它能清晰地分解出混凝土和鋼筋的用料類型和體量能夠幫助業主進行成本規劃控制。以鋼筋算量統計為例，在Dynamo中根據構件算量表需求，設置數據統計與算量清單模塊，在輸入端引入各類型鋼筋的信息數據，在模塊中進行數據處理和列表轉換，最后導出至已建立好的目標文件表格。該過程以用戶的編程思路為引導，依據項目情況輸出有效工程用量信息、整理數據格式等等(圖4)。

圖4 算量統計模塊輸出表格

2.3.2 構件二維出圖

現階段構件加工圖紙還只是停留在二維平面上，預制構件生成廠家無法依托于三維模型加工構件，由此需要在二者間進行對接，實現三維構件模型設計到二維圖紙加工的轉變。Revit平臺內置了二維圖紙生成板塊，能夠在圖紙模板的基礎上將三維模型以不同平面視角與剖切面表達，加以繪圖編制可獲取二維信息數據。因此，將鋼筋以Curve形態輸入，同時設置鋼筋模型線轉置模塊，使構件中的鋼筋模型為Revit中的模型線，通過二次編輯與出圖處理，滿足構件二維出圖要求。

2.3.3 參數窗口控制運用

Dynamo作為Revit平臺下新興的可視化參數編程工具，需要獨立附加運行dyn編程文件，在操作界面中的輸入端控制調試變量數據，得到Revit信息模型。基于該流程的參數化設計操作無疑顯得累贅。2017版本Revit平臺內嵌了dyn運行插件——“DynamoPlayer”，它的出現省去了對編譯完整的參數化dyn文件多余的調試，類似于二次開發端口，要求編譯的自定義節點dyf與dyn文件放置于同一路徑下，選定目標dyn文件后，即可更改輸入參數設置(圖5、圖6)。

圖5 DynamoPlayer參數控制

圖6 樓梯構件組合與渲染效果

3 結束語

裝配式建筑在我國的發展已悄然起步，結合建筑信息模型的設計運用手段，更能有助于裝配式建筑的發展優勢，推動其產業鏈良性運作。本文闡述了前人對裝配式建筑與建筑信息模型關聯性的總結，以Revit平臺下的可視化編程工具Dynamo為切入點，討論了其參數化設計的可行性與優勢，建立了參數化預制構件模型框架。在項目實踐中，以裝配式樓梯構件為例，整合了混凝土與鋼筋模型的處理方式，選取最優的平臺交互方式，并設置算量統計模塊、二維圖紙生成模塊輔佐項目施工運用，提出以“DynamoPlayer”窗口插件進行便捷參數化控制。結果表明，基于Dynamo平臺的可視化編程能夠有效地適用于裝配式建筑各項預制構件模型生成，增強建模人員對于構件參數化的把控，實現Revit與Dynamo平臺互通的同時，減少后期預制構件建模工作量?？梢娫诓贿h的將來，可視化與參數化的編程利器定會應用在更廣泛的工程領域。

[1] 孫曉峰, 魏力愷, 季宏. 從CAAD沿革看BIM與參數化設計[J]. 建筑學報, 2014(8):41-45.

[2] 靳銘宇. 淺析Autodesk Revit在中國的發展及局限性[J]. 華中建筑, 2008, 26(1):83-84.

[3] 向庭薇,黃秀秀,姜又丹.中國建筑行業生產方式的變革——裝配式建筑在國內的發展趨勢[J]. 四川建材,2017,43(3) : 48-49.

[4] 齊寶庫, 李長福. 基于BIM的裝配式建筑全生命周期管理問題研究[J]. 施工技術, 2014(15):25-29.

[5] 周文波, 蔣劍, 熊成. BIM技術在預制裝配式住宅中的應用研究[J]. 施工技術, 2012, 41(22):72-74.

[6] 白庶, 張艷坤, 韓鳳,等. BIM技術在裝配式建筑中的應用價值分析[J]. 建筑經濟, 2015, 36(11):106-109.

[7] Neil L,Yuan P F．Scripting the Future[M]. 上海:同濟大學出版社, 2012.