基于Revit的建筑結構BIM正向設計方法及軟件實現

2018-08-01 01:35:42

土木建筑工程信息技術 2018年3期

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

1 前言

建筑設計行業的BIM技術應用大都選擇了Revit軟件作為平臺，故基于Revit結構模型實現直接建模、計算和自動出圖是大勢所趨[1-6]。

目前Revit結構設計功能較弱，尚不滿足中國制圖規范和設計規范的要求，拖了結構專業BIM應用的后腿。在Revit上開發一套滿足中國設計規范要求的結構CAD成了當務之急。基于Revit的結構BIM正向系統正是下一代以BIM技術為基礎的結構CAD系統，將有力推動我國BIM技術的落地應用。

BIM技術的應用是一個復雜的系統工程，本文針對建筑結構設計，提出在當前軟硬件條件下實現基于Revit的結構BIM正向設計的方法，并且在GSRevit系統開發中，研究總結了適合我國行業應用的結構計算模型BIM數據標準和滿足全國各地設計單位習慣的結構施工圖BIM數據標準，以解決Revit快速建模、BIM模型計算和BIM出圖等三個關鍵技術。

2 逆向設計和正向設計流程對比

本文所研究的正向設計是以三維BIM模型為出發點和數據源，完成從方案設計到施工圖設計的全過程任務，而逆向設計是以“翻?！睘樘卣?，在設計的每一個階段各自根據需要將二維數據轉換為三維BIM模型，BIM模型的使用價值較低。

當前大多數工程項目的結構BIM應用屬于逆向設計，建造過程中需要多次重復建模。結構設計人員初步設計時繪制一遍模板圖，結構計算時輸入一遍計算模型，施工圖設計時根據初設模板圖進行深化，碰撞檢查時重新建立三維精確模型。整個結構設計過程重復建了4次模型，雖然個別階段模型能重復使用，但總體工作效率比較低。

而正向設計可以做到一模多用。設計時只需要建立1個模型，結構設計人員初步設計時建立三維模型，通過平面剖切形成的模板圖用于初步設計，在該模型上添加荷載即可用于結構計算，再添加鋼筋信息就可繪制施工圖，該三維模型可直接用于碰撞檢查，最后該模型可用于算量、施工和運營維護，如圖1所示。

結構BIM正向設計可實現三個目的：

1)在Revit上直接建模、計算和結構施工圖繪制；

2)實現滾動式結構設計：三維結構模型隨著設計深度的變化，不斷添加需要的信息，譬如加偏心、加荷載、加鋼筋信息等；

3)只需要維護一個三維模型，模型中只有一套墻柱梁板數據，即使施工圖階段修改了模型，仍可進行結構計算。

3 結構BIM應用一體化解決方案

Revit的結構設計功能較弱，為實現高效、可靠，且符合工程師習慣的應用，在Revit的主菜單上增加了如圖2所示的8個子菜單：模型導入、結構信息、軸網軸線、構件布置、荷載輸入、模型導出、鋼筋施工圖和裝配式設計。只要采用Revit代替AutoCAD進行結構方案設計，后續各設計階段就能實現結構BIM正向設計。

圖2 Revit結構BIM正向設計系統子菜單

圖3 結構BIM應用一體化解決方案的實現流程圖

結構BIM應用一體化解決方案的實現流程如圖3所示。其實現過程主要有以下三個關鍵步驟：

1)在GSRevit中建立BIM模型，輸入構件幾何信息、結構總體信息、荷載信息、設計屬性等，結構計算需要用到的所有信息都錄入到BIM模型中；

2)通過BIM模型生成計算數據，無縫對接GSSAP進行結構計算，也可導出模型到SATWE或YJK進行結構計算；

3)讀取GSSAP、SATWE或YJK的計算結果，在Revit或AutoCAD中生成結構施工圖，GSRevit生成的施工圖可導入廣聯達軟件進行鋼筋量、混凝土量計算，并可對接廣聯達BIM5D實現BIM模型的擴展應用。

4 基于Revit的結構快速建模

基于Revit研究結構計算模型BIM數據標準，用于管理結構的幾何和非幾何信息。非幾何信息包括：總信息、各層信息、墻柱梁板設計屬性、墻柱梁板荷載等。設計信息的編輯與修改與傳統結構設計軟件的習慣相同，方便應用。

4.1 族及共享參數

為使GSRevit建立的BIM模型有更好的兼容性，GSRevit盡量采用Revit本身的建模邏輯進行BIM模型建模。結構墻、結構板采用Revit的墻系統族、板系統族，結構梁采用結構框架族，結構柱采用結構柱族。

為了能夠在構件中添加結構信息，通過項目參數在結構構件中添加共享參數。

4.2 結構總信息

Revit中缺少關于結構非幾何信息的表達方式，結構的非幾何信息需要自行開發程序進行輸入。

為滿足結構計算的需求，GSRevit中通過對話框輸入結構設計總信息(見圖4)、墻柱梁板設計屬性(見圖5)，為減少工程師操作新軟件時的陌生感，其界面設計為與GSSAP一致。

圖4 結構總信息對話框

圖5 墻柱梁板設計屬性對話框

4.3 軸網輸入

GSRevit開發了軸網輸入模塊，菜單見圖6，工程師可通過該模塊實現軸網快速輸入。

圖6 軸網輸入模塊

4.4 墻、柱、梁、板輸入

為方便工程師快速建模，降低工程師使用BIM軟件的門檻，GSRevit根據傳統結構設計軟件的輸入習慣，開發了墻、柱、梁、板的輸入模塊。通過該模塊進行結構構件建模，僅需要輸入構件截面尺寸，不需要考慮Revit中關于族的定義及相關操作。圖7為梁構件截面定義對話框。

4.5 荷載輸入

雖然Revit中有輸入結構荷載的功能，但其操作方法、顯示方式等均與傳統習慣差異較大，且在方便性上也不如傳統方法。

GSRevit軟件在Revit中獨立開發荷載輸入模塊，工程師可通過圖8所示對話框輸入各種類型的結構荷載，荷載輸入后程序將以共享參數和擴展數據形式存于Revit文件中。

圖7 梁構件截面定義對話框

圖8 荷載對話框

5 基于Revit模型的結構計算分析

5.1 構件模型與有限元模型

工程師在GSRevit中建立構件模型，構件模型建模完成后，生成計算模型，首先通過構件剖分形成有限元模型，并生成相應格式標準的計算數據。計算完成后，將有限元模型轉換為構件模型，工程師所見的計算結果是構件模型的結果，方便設計使用。

5.2 計算模型和施工圖模型的統一

結構設計的過程就是不斷深化和反復修改的過程，因此要實現Revit模型直接用于結構計算，需要解決計算模型與施工圖模型的統一問題。通過研究分析發現，主要有以下問題要解決，如圖9所示：

1)計算模型中主次梁交接處，主梁需要斷開，并在交界處新增一個節點，而在施工圖模型中，主次梁交接處主梁不需要斷開。

2)計算模型中梁墻交接處，墻肢需要斷開，并在交界處新增一個節點，而在施工圖模型中，梁墻交接處墻肢不需要斷開。

因此，在形成有限元模型時GSRevit通過智能判斷如何分段來實現施工圖模型的直接計算，保證計算模型和施工圖模型的統一。

圖9 計算模型和施工圖模型

5.3 Revit模型和計算模型雙向互導

GSRevit結構可實現BIM模型與GSSAP有限元計算雙向互導，包括墻柱梁板的幾何和非幾何信息。

總體信息包括：計算總信息、地震信息、風計算信息、調整信息、材料信息、地下室信息、時程分析信息、磚混信息等。

各層信息包括：結構層高、構件混凝土等級、砂漿強度等級、砌塊強度等級、豎向塔塊號、標準層號、對應Revit中原有標高等。

設計屬性包括：構件抗震等級、計算長度、約束釋放情況、施工順序號、剛域長度等。

荷載類型包括：線荷載、集中荷載、局部線荷載、分布扭矩、集中扭矩、溫度變化、曲線變化荷載、風荷載等。

荷載工況包括：重力恒載、重力活載、土壓力、水壓力、預應力、雪荷載、升溫、降溫、人防荷載、施工荷載、消防荷載、風荷載等。

6 基于Revit的自動成圖技術

眾所周知，國內各地設計單位的施工圖繪制習慣都不同，GSRevit開發了一套墻柱梁板鋼筋標記族和大樣族，族參數中增加了相應的繪圖習慣選擇，滿足各地設計單位的需要，形成了適合全國各地設計單位習慣的結構施工圖BIM數據標準。

6.1 技術要點

GSRevit自動成圖技術主要有以下技術要點：

1)自動讀取GSSAP、PKPM、YJK等結構計算軟件的計算結果。

2)將構件計算內力、配筋等先作為文字信息存儲到對應的結構構件中，再通過標簽進行相應信息的顯示。

3)根據計算結果實現梁、墻構件的自動分段，對屬于同一跨梁或同一墻肢的單元自動合并。

4)板鋼筋族包括3個板標記族、3個底筋族和3個面筋族，見圖10。

5)梁鋼筋族包括12個梁標記族和一個密箍吊筋大樣族，見圖11。

6)柱鋼筋族包括4個柱標記族，見圖12。

7)墻鋼筋族包括3個墻身標記族和6個暗柱標記族，見圖13。

圖10 板鋼筋族

圖11 梁標記族位置

圖12 柱標記族

圖13 墻身和暗柱標記族

6.2 定制施工圖習慣

鋼筋施工圖一般采用平面表示法，但各地設計單位的繪制方法不完全相同。我們收集了全國各地設計單位的繪圖方法，將其貫入自動成圖軟件功能中。GSRevit軟件開發中，根據以往積累的施工圖習慣，在Revit中針對墻、柱、梁和板鋼筋施工圖開發了一套施工圖族，可滿足施工圖習慣的要求。施工圖繪制習慣設置對話框見圖14。

6.3 模板圖和鋼筋施工圖

GSRevit可讀取GSSAP、PKPM、YJK等結構計算軟件的計算結果，在Revit中自動生成與AutoCAD中一樣的墻柱梁板模板圖和鋼筋施工圖。而且，GSRevit生成施工圖時，會將配筋信息輸入到結構構件中，方便用戶對結構信息的聯動修改和二次利用。GSRevit生成的施工圖如圖15～圖17所示。