基于BIM的管道吊架參數化插件研究

(河北科技大學建筑工程學院，石家莊 050018)

1 研究背景

隨著社會的發展，越來越多的復雜、綜合的建筑工程出現，許多大型工程都包含復雜的管道系統，設備設計師負責管道的型號及走向，但其吊架通常都是由安裝方根據規范及經驗現場布置，一般不做事前設計，圖紙上也不作注明，因此支吊架安裝比較隨意，用量往往較規范要求偏多，常常造成較大浪費[1]。如何避免材料浪費，如何提高支吊架安裝效率是當前需要解決的重點問題，而如何有效地運用信息技術是解決問題的關鍵[2]。

BIM(Building Information Modeling)，作為一種全新的技術，將建筑信息應用于建筑物的全生命周期，具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、一體化性、參數化性、信息完備性的特點[3-4]。利用BIM可以實現建筑全生命周期的信息共享，對于項目的可視化管理以及項目各參與方的信息共享傳遞具有很大優勢[5]。目前，BIM技術的研究主要集中在虛擬設計、虛擬施工和仿真模擬，BIM技術應用主要在機電各系統及綜合管線、鋼結構、預制裝配、幕墻、室內裝修、景觀綠化等方面[6-11]。在安裝工程中BIM技術主要應用在碰撞檢查上，但對于管道吊架布置及受力校核應用較少。

本文基于BIM通用軟件Revit，創建參數化吊架族。通過二次開發，增加了管道吊架布置功能，為管道布置吊架，并三維預覽布置情況。開發了管道受力校核功能，對布置的管道吊架進行力學安全性能分析。可以幫助安裝工程師提高施工的精確性。

2 研究思路

本文從參數化管道吊架族的創建、吊架布置、吊架受力校核三方面展開研究，確定該插件功能的工作流程[12]。圖1為設計思路。

圖1 設計思路

2.1 參數化管道吊架族的創建

參數化管道吊架族的創建原型參照《室內管道支架及吊架》[12]，管道吊架族主要包括吊桿、角鋼橫擔、管卡等幾部分。管道吊架族的精細程度直接影響到吊架的布置以及受力校核，是模型參數化思想的集中體現，也是BIM思想的核心應用。

2.2 吊架布置

管道吊架布置到管道模型中需要滿足三方面的準備工作，首先是管道信息的提取，然后是管道吊架族的信息提取，最后通過程序實現布置。

2.3 吊架受力校核

吊架受力校核分析過程中僅考慮吊架荷載、管道荷載、介質荷載。首先獲取管道數據和吊架數據，然后對吊桿抗拉強度、抗彎強度進行校核，最后對橫擔的抗彎強度、抗剪強度、局部承壓、折算應力、撓度進行受力校核分析。若校核結果符合規范限值，則滿足布置需要；若不滿足規范限值，則生成錯誤校核文檔，給出改進方案，供設計師參考。

3 開發平臺及開發工具

從目前國內流行及應用度最廣的角度考慮，采用Revit 2016平臺、Visual Studio、C#、Revit API、Revit Lookup、Revit Add In Manager工具，進行二次開發，添加管道吊架參數化插件。

3.1 Revit 2016

Revit是Autodesk公司一套系列軟件名稱。Revit是即CAD后在國內應用最廣泛的三維設計軟件，包括Architecture、MEP、Structure三個專業。Revit具有可視化建模，二維、三維模型轉換，視圖關聯更新功能，建筑圖元的重要性隨設計逐步深化，具有非常理想的渲染、漫游效果[13]。同時Revit的參數化修改引擎可自動協調修改，并且其兼容性、功能可拓展性，接口成熟度都比較好。綜合性及獨特性決定了Revit在建筑領域遙遙領先的地位，也正是選其為BIM平臺的原因[14]。

3.2 Visual Studio及C#

Visual Studio是一套完整的開發工具，用于生成ASP.NET Web應用程序、XML Web services、桌面應用程序和移動應用程序。Visual Basic、Visual C#和Visual C++都使用相同的集成開發環境(IDE)，這樣就能夠進行工具共享，并能夠輕松地創建混合語言解決方案[15]。C#語言作為一門簡單、現代、優雅、面向對象、類型安全、平臺無關的一門新型組件編程語言,憑借著其源自C/C++的語法風格,融合了Visual Basic的高效和C/C++的強大，再加上其創新的語言特性,剛一出世,就深受世界各地程序員的好評和喜愛,成為一顆耀眼的明星[16]。

3.3 Revit API、Revit Lookup及Revit Add In Manager

Revit免費提供開放的API，開發人員可以通過這些接口訪問Revit[17]。Revit API幾乎能對Revit各功能進行訪問，從最初的只能訪問文檔中的對象，到現在可以實現多項新的功能，實現了分析和信息模型的集成，用戶可以直接根據自己需求來擴展相應Revit功能，可以實現隨時訪問信息模型中所有的文件[18-20]。

Revit Lookup是Autodesk開發的插件，它可以幫助開發人員在開發過程中通過Lookup查找所需要的信息，大大地提高了開發人員的編碼效率。

Revit Add In Manager也是Autodesk開發的插件，用于加載開發人員外部編寫的動態庫，在Revit二次開發調試過程中，極大地提高了代碼調試的效率，其優點就是不用重新啟動Revit就可以修改代碼并再次進行加載和運行。

4 插件功能實現

4.1 吊架族的創建

族在Revit是一個非常重要的概念，一個族代表了一個三維圖元，類似CAD中的點、線、面的圖元一般，而Revit中的族可以定義多種類型，每種類型又可以定義多種參數，如尺寸、材質等[21]。Revit的族分為標準構件族、內建族、系統族[22]。吊架族是在公制機械設備族樣板中創建的，還原了圖集中管道吊架，內置了材質、橫擔長度、角鋼腿長、角鋼厚、管道外徑、吊桿直徑、吊高長度、管卡直徑等參數。圖2為圖集中吊架，圖3為參數化管道吊架族，圖4為族參數。

圖2 圖集中吊架

圖3 參數化管道吊架族

圖4 族參數

4.2 吊架布置

利用Visual Studio 2015創建一個類庫，在此類庫中編寫LoadForm類、command類，然后再Revit中調用。其中command類提供交互接口；LoadForm類編寫了一個Windows界面，運用Button、ComboBox、Label、ListView、ElementHost等窗體工具，并且實現選擇支吊架類型、載入族、管道及吊架參數獲取、管道直徑驅動吊架管卡直徑、三維預覽布置等功能。利用RevitAPI接口中“點選”，選中一根管道，通過族參數的讀取，獲得定位信息與管道截面信息，布置管道吊架。圖5為布置吊架界面。

圖5 布置吊架界面

4.3 吊架受力校核

針對吊架受力校核功能，利用Visual Studio 2015創建了類庫，在此類庫中編寫了MainForm類、FunctionForm類、command類。其中MainForm類實現了單機賬號密碼設置，在此不再詳述；command類實現了選擇以布置的支吊架以及Revit的交互；在FunctionForm類中，首先提取管道長度、管道材質密度、介質密度、管道壁厚以及吊架的材質、吊架的各部分尺寸信息，然后根據GB50017-2017鋼結構設計規范[23]中對于鋼構件的受力公式計算吊桿的抗拉強度、吊桿的抗彎剛度、橫擔的抗彎強度、橫擔的抗剪強度、局部承壓、折算應力、撓度。其中各部分限值以熱軋鋼Q235～B型鋼材作為依據取得的抗拉限值、抗彎限值、抗剪限值、局部承壓限值、折算應力限值、撓度限值。最后將限值與程序計算值對比分析，如果計算值小于限值則滿足規范，如果計算值不小于限值則不滿足規范，插件將給出錯誤校核文檔，同時給出改進方案，供設計師參考。圖6為校核界面。

圖6 校核界面

由于管道吊架校核系統錯誤文檔內容較多，在此僅展示部分文檔，如下：

吊桿(1)

吊桿長度：600mm

吊桿直徑：10mm

計算長度系數：1

圓形構件慣性矩：I=3.14*d*d*d*d/64(mm4)

允許長細比：400

抗拉強度公式：

式中：N-所計算截面的拉力設計值(N)；

f-鋼材抗拉強度設計值(N/mm2)；

A-構件的毛截面面積(mm2)；

An-構件的凈截面面積，當構件多個截面有孔時，即最不利的截面(mm2)；

fu-鋼材極限抗拉強度最小值(N/mm2)；

吊桿(1)的抗拉強度計算值：56.9898997755546N/mm2；

吊桿(1)的抗拉強度設計值：215N/mm2；

吊桿(1)抗拉強度是否滿足條件：滿足。

5 結論

從目前國內建筑行業對于BIM技術的普及情況來看，如何將更多的設備信息應用到BIM模型中，如何提高建筑信息的利用率，如何打破專業之間的壁壘，是目前國內BIM發展的一個主要方向。從而得到以下幾點結論：

(1) Revit軟件功能在我國建筑行業中適用性有限，運用Revit二次開發手段不僅可以拓展Revit功能，并且可以探索出符合國內建筑行業規范、符合國內應用習慣的插件。

(2)在以Revit為核心建模軟件應用中，族的應用是整個BIM流程的重中之重。在各專業的應用中，對于族庫的建設不可或缺，族的參數化、精細化、專業化、規范化是整個建筑信息傳遞、打破建筑行業各專業壁壘的關鍵。

(3)對于Revit缺少管道吊架布置及校核功能，運用二次開發的手段，結合Revit二次開發工具、支吊架模型族、國家規范、模型簡化受力計算等添加了Revit中管道吊架布置功能，并且對吊架進行校核，滿足了管道吊架布置及校核的需求，在一定程度上解決了工程中類似問題。