基于Revit的樁基承臺自動設計算法

張維錦，陳五琴

基于Revit的樁基承臺自動設計算法

張維錦，陳五琴

(華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013)

針對Revit自有的功能構建建筑信息模型(BIM)效率較低等問題，基于Revit二次開發，在沒有樁基承臺平面布置CAD圖的情況下，通過識別由結構分析軟件生成的柱(墻)底內力圖的圖元信息，提出了一種樁基承臺自動設計算法。該方法以Revit制作單樁豎向承載力特征值計算表為基礎，在C#中編寫算法程序。根據樁基承臺的構造和上部結構的要求自動設計出樁基承臺，并將滿足承載力要求的樁基承臺準確地布置在相應的柱(墻)下，其顯著地提高了樁基工程建模效率，且為后續工程量計算以及不同樁基礎經濟性比較提供便利。

Revit二次開發；CAD；樁基承臺；工程量

國家越來越注重綠色節能，提倡綠色建筑，從而達到節約資源、保護環境和減少污染的目的。建筑信息模型(building information model, BIM)技術[1]的產生為這些目標的實現提供了可能，BIM強大的信息集成和共享優勢，體現在整個建筑生命周期中。Revit作為三維參數化BIM軟件，具有結構設計和建模的強大功能，為結構分析軟件提供雙向連接的可編程API接口[2]，但是Revit仍存在建模效率較低，涉及專業領域不全的缺點。因此許多學者和第三方開發者對Revit進行二次開發[3]，橄欖山快模借助于一個中間文件，存儲二維CAD圖紙信息，再導入到Revit中快速完成三維模型的重建[4]。相比傳統手工建模顯著提高了建模效率，目前Revit二次開發的應用插件已有不少，但還未應用于樁基工程領域的相關軟件或插件。本文提出的樁基承臺自動設計算法是在沒有樁基承臺平面布置CAD圖紙的情況下，通過識別由結構軟件生成的柱(墻)底內力圖的信息設計出滿足抗沖切、抗剪切、抗彎和上部結構要求的樁基承臺，并自動地將樁基承臺布置在柱(墻)下。其為工程前期設計圖紙不成熟，迫切需要為施工提供了便利，以便于后續計算樁基工程算量等工作的開展提供了可能。

1 單樁豎向承載力特征值計算

1.1 單樁承載力特征值計算公式

單樁的豎向承載力主要取決于2個方面：①土層對樁的支撐阻力，包括樁側阻力和樁端阻力；②樁自身的材料強度。單樁豎向承載力特征值按《建筑樁基技術規范》[5]計算，即

其中，Q為單樁豎向極限承載力標值；為安全系數，取＝2。本文根據經驗參數法，確定單樁豎向極限承載力標準值為

按照樁自身的材料強度，承載力為

其中，1為安全系數。

1.2 單樁承載力特征值計算表

根據上述公式，單樁豎向承載力特征值的計算主要分為3個部分：樁側阻力、樁端阻力以及按混凝土抗壓強度計算的承載力。運用C#語言編程創建窗體，并對窗體布局進行設計，通過圖1可以實現圖2單樁承載力特征值計算表的生成。

圖1 制作特征值計算表流程圖

圖2 單樁豎向承載力特征值計算表

2 確定樁基承臺中樁的根數

依據《建筑樁基技術規范》的樁基計算公式可初步確定樁基礎中樁的根數，當樁基為軸心受壓時，可按其計算為

當已知單樁的承載力特征值，還需要獲取柱(墻)底內力，方法是將含有柱(墻)底內力圖的CAD圖紙導入到Revit中，通過框選得到柱或墻的截面信息和柱(墻)底的內力。一般通過相關結構分析軟件得到的柱底內力CAD圖有2種形式，如圖3(a)和(b)所示，墻底內力如圖3(c)所示。

(a) 柱底內力 CAD圖1(b) 柱底內力 CAD圖2(c) 墻底內力 CAD圖

對截面輪廓模型端點的和坐標取平均值，計算柱截面的中心坐標。根據文字注釋判斷位于柱截面中心軸力、剪力和彎矩的位置方向，并分別存儲在鏈表中。由于已知的單樁豎向承載力特征值，根據樁基規范給出的公式通過計算初步確定樁基礎中樁的數量。

3 樁基承臺的設計與模型生成

本文依據樁的根數、柱(墻)的截面尺寸以及承臺的構造要求編譯出能夠自動設計滿足上部結構要求的樁基承臺的功能程序，通過不斷地調整樁基承臺參數來保證生成的樁基承臺滿足抗沖切、抗剪切和抗彎承載力要求。

由于柱截面的幾何形狀較為簡單，程序可以自動判斷其幾何形狀，而墻的幾何形狀往往較為復雜，需要人工干預確定。根據樁基上部結構的布置形式和承臺的構造要求初步確定承臺平面的幾何形狀，然后設計出滿足上部結構要求的樁基承臺。根據設計結果在Revit中創建族文檔，添加樁基承臺參數，建立樁基承臺族，最終生成樁基承臺的三維模型。

根據樁基設計相關規范，圖4列舉了單柱、雙柱以及墻下樁基承臺截面類型常見的幾種形式，包括了單樁和多樁的情況，其中樁數為6根以上的布置形式與其類似，在此不做詳述，圖4(d)為某工程電梯井下樁基承臺的布置形式。

本文假定初步確定的樁基承臺類型為等腰三樁承臺，如圖5(a)所示，圖中的，，1和2分別為樁的直徑、樁軸心之間的水平距離、等腰三樁承臺頂部樁的軸心到承臺形心的水平距離、等腰三樁承臺底部樁的軸心到承臺形心的距離在方向的投影，2種承臺類型的平面幾何形狀比較簡單，不做贅述，假設通過程序判斷出等腰三樁承臺適用于其上部結構，如何生成其平面圖形是后續生成三維模型的關鍵。

圖4 常見樁基承臺類型

(2) 連接1，3可得到2點的距離，根據承臺構造要求，點1到射線5的距離要求為，通過直角三角形可求解角來確定5的方向向量。再根據點3的位置就可以生成射線5，同理根據4和射線6的方向向量生成射線6，并根據平臺構造要求，作一條與軸平行且距離軸為2+的線段7，分別與射線5，6相交于點5，6，即可得出剩下的2個端點，如圖5(c)所示，圖5(d)為圖5(c)左下角的放大圖。

(3) 在Revit中依據等腰三樁承臺平面幾何圖形的輪廓線生成承臺族，沿著截面輪廓線所在平面的法向量方向向下拉伸(為承臺厚度)距離，則承臺自動生成。將樁布置在1，2，3的位置，并向下平移100 mm的距離，便成功生成圖6等腰三樁承臺的三維模型。

圖6 等腰三樁承臺三維模型

(4) 樁基承臺自動生成后不僅要滿足上部結構要求，還應滿足抗沖切、抗剪切和抗彎承載力要求。不同的承臺類型則根據《建筑樁基技術規范》使用不同的計算公式，通過編程將承臺參數代入公式對承臺進行受彎、受沖切，受剪切承載力計算。若不滿足要求，則繼續地調整參數，重新計算，直至設計出滿足承載力要求的樁基承臺[6]。

4 樁基承臺的自動布置

樁基承臺的上部結構形式主要分為柱和墻(電梯井與墻類似)，要將獨立的樁基承臺布置在柱或墻下合適的位置，就得確定樁基承臺在樁基工程中的位置坐標和方位角。

4.1 柱下樁基承臺的自動布置

柱的截面幾何形狀主要有圓形、矩形、L形、T形以及工字形截面等。圓形柱布置樁基承臺只需要獲取柱截面的圓心坐標即可，而其他幾種類型的柱截面則需獲得其位置坐標和方位角，在此簡要的對矩形截面柱進行闡述。

(1) 使用軟件的識別功能獲取矩形柱的截面輪廓線，從有序的柱輪廓線中得到其端點坐標，對所有柱輪廓線端點坐標和取平均值得到柱的中心坐標，將其作為矩形柱下獨立樁基承臺的位置坐標，確保獨立樁基承臺能在矩形柱下方。

(2) 要保證樁基承臺轉角方位與柱一致，還需要獲取柱的轉角，先判斷出矩形截面輪廓線始邊和終邊(圖7(b)中沿逆時針方向，0-1是始邊，0-2是終邊)的長短，然后求出笛卡爾坐標系中軸逆時針旋轉到矩形輪廓線的始邊和終邊中的長邊夾角。如果θ＜π (圖7(b))，則矩形柱的方位角為θ；如果θ＞π (如圖7(c))，則矩形柱的方位角為θ–2π。由此確定了矩形柱的轉角方位，加上已知的柱位置坐標，在Revit中創建樁基承臺族，便可在柱下正確布置樁基承臺。

(a) 原位(b) θb＜π(c) θc＞π

4.2 墻下樁基承臺的自動布置

墻的截面形式有“一字形”、“L形”和“矩形”等多種類型，如圖8所示，截面形式比柱復雜的多，一般布置墻下樁基承臺需要人為干預。針對“一字形”和“L形”2種墻類型，如何確定樁基承臺位置需作簡要的描述；“矩形”墻以及電梯井下的樁基承臺布置方法與其類似，通過圍成的閉合圖形來找到中心坐標和方位角，便可布置好樁基承臺。

(a) 一字形(b) L形(c) 矩形(d) 矩形

(1) 圖9(a)墻的類型為“一字形”，通過3個點獲取墻的定位信息，簡化為圖9(b)，2邊尺寸相差較大。首先拾取圖9 (a)墻中的1，2點，即獲得了圖9(b)中0-1線段的信息，將該線段中點坐標作為墻下獨立樁基承臺的位置坐標。0-1線段與笛卡爾坐標系中軸的夾角作為墻下獨立樁基承臺的轉角方位，該夾角的獲取方法與上述矩形柱的長邊和軸的夾角獲取方法相同。當拾取墻3點時，便可獲取到圖9(b)中0-2線段的信息，即得到墻的寬度，再計算其向量，并將要布置的樁基承臺在0-2線段向量的方向上偏移墻寬度的二分之一距離，那么獨立樁基承臺軸線與墻的軸線重合，則有利于樁基承臺受力均勻。

(2) 圖9(c)墻的類型為“L形”, 同樣將“L形”墻簡化成圖9(d)。通過拾取圖9 (c)中墻的1，2和3點坐標來獲取圖9 (d)中三角形△012的中心坐標，將此坐標作為“L形”墻下獨立樁基承臺的位置坐標。圖9(d)中0-1，0-2這2線段類似于上述矩形柱的始邊和末邊，則獲取“L形”墻下獨立樁基承臺方位角的獲取方法與獲取矩形柱的樁基承臺方位角的方法一致，其獲取方法如4.1節所述，這里就不再重述了。

(a) 一字形(b) 簡化一字行(c) L形(d) 簡化L字行

5 樁基工程量的計算

在Revit中建立起樁基工程的三維模型，如何計算工程量是一項重要工作。工程量計算是業主管理工程建設、施工企業進行生產經營和確定建設工程造價[7]的依據。本文首先通過過濾方法獲得項目文檔中的所有元素，并遍歷出所有元素的族實例，并保存在一個鏈表中，通過樁基承臺中的樁數對樁基承臺進行分類；再根據族名稱細分出相同樁數但不同類族的樁基承臺，每一種族又有不同的族類型，依據族類型再細分出同一種族類型中樁的不同類型，通過該分類原理可統計出樁基承臺的工程量。

在上述過程中能夠準確讀取樁基承臺族實例中的承臺和樁的體積信息是關鍵一步，由于樁族是被嵌套在承臺族中的，所以在整個樁基承臺族實例中只能獲取到承臺實體的體積。樁族則要從編輯樁基承臺族的文檔中獲取樁的幾何實例，并獲得樁的實體體積，得到單樁混凝土的工程量。并根據樁基承臺的數量及對應的樁的根數計算出樁混凝土的總工程量，同時獲取樁族實例的直徑和長度，使得工程量的計算和統計更準確。圖10為某工程樁基承臺的工程量計算表。

圖10的表格為DataGridView控件，通過程序獲取樁基工程的工程量信息寫入到DataTable中，并與dataGridView.DataSource綁定，則得到上述數據表。但為了方便計算，需將數據導出，即使用第三方插件NPOI生成Excel文件，并將工程量數據寫入文件中，最終生成Excel表格，如圖11所示。

圖10 樁基承臺工程量計算表

圖11 樁基承臺工程量Execl表

6 工程實例

已知某工程實例中部分柱(墻)底內力圖，如圖12所示。

(a) 柱底內力圖(b) 墻底內力圖

將建設工程柱(墻)底內力圖的CAD圖紙導入到Revit中，根據建設工程場地和地基的工程地質條件，在Revit制作單樁豎向承載力特征值的計算表，為樁計算豎向承載力特征值和確定樁的長度。再使用本文樁基承臺自動設計和布置算法編寫的程序，通過讀取柱(墻)底內力圖中柱(墻)的內力以及計算表中單樁豎向承載力特征值等數據信息，為柱(墻)設計出滿足承載力要求的樁基承臺，并將樁基承臺自動布置在柱(墻)下，圖13為其部分的三維模型圖。

圖13 生成樁基承臺三維結構模型

布置完樁基承臺后，再對其進行工程量統計，導出圖14樁基承臺工程量計算表。雖然其樁基承臺種類較少，但也有效的驗證了該程序的準確性和高效性。

圖14 樁基承臺工程量計算表

7 結束語

本文提出的樁基承臺自動設計算法可以為樁基工程快速生成BIM模型，并在此基礎上通過對樁基工程中不同類型的樁基承臺進行統計，分別得出樁和承臺的工程量以及相關信息，該程序功能應用于實際工程中顯著地提高了設計人員的工作效率，能夠滿足實際工程的需求，但算法在樁基承臺的配筋及鋼筋[8]生成問題方面還需進一步的深入研究。

[1] 何關培. BIM和BIM相關軟件[J]. 土木建筑工程信息技術, 2010, 2(4): 110-117.

[2] 張藝晶, 杜守軍, 趙坤, 等. Revit軟件二次開發和項目上的應用研究[J]. 河北企業, 2015(11): 121-123.

[3] 楊春蕾, 屈紅磊, 鄭慧美. Revit軟件二次開發研究[J]. 工程建設與設計, 2017(19): 71-74.

[4] 王建宇, 王昕妍.二次開發實現從AUTOCAD到REVIT快速翻模技術研究[J]. 土木建筑工程信息技術, 2015(3): 111-115.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ94-2008 建筑樁基技術規范[S]. 北京: 中國建筑工業出版社出版, 2008.

[6] 葛晶, 周世光. 基于Revit平臺BIM工作系統二次開發應用實例[J]. 建筑技術, 2017(12): 1317-1319.

[7] 林韓涵, 周紅波, 何溪. 基于BIM設計軟件的工程量計算實現方法研究[J]. 建筑經濟, 2015, 36(4): 59-62.

[8] 張維錦, 龍飛宇, 張倞憶. 基于Revit的地下連續墻識別算法研究[J]. 華東交通大學學報, 2018, 35(3): 97-103.

Automatic Design Algorithm of Pile Foundation Cap Based on Revit

ZHANG Wei-jin, CHEN Wu-qin

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi 330013, China)

The efficiency of constructing building information model by Revit is rather low. Based on Revit’s secondary development, in the absence of the CAD drawings of pile foundation caps, an automatic design algorithm for pile foundation cap is proposed by identifying the primitive information of the internal force diagram of the column (wall) generated by the structural analysis software. The method is based on the calculation of the eigenvalue calculation table of the vertical bearing capacity of the single pile in Revit. The algorithm program is written in C#. Then the pile foundation cap is automatically designed according to the requirements of the structure and the superstructure of the cap, and the pile caps satisfying the bearing capacity requirements are accurately arranged under the corresponding columns (walls), which significantly improves the efficiency of pile foundation engineering modeling, and facilitates the subsequent engineering calculations and economic comparison of different pile foundations.

Revit secondary development; CAD; pile foundation cap; engineering quantity

TU 473.1

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040771

A

2095-302X(2019)04-0771-07

2019-02-25；

定稿日期：2019-04-23

江西省教育廳科學技術研究項目(150549)

張維錦(1962-)，男，福建永泰人，副教授，博士。主要研究方向為三維CAD及算量軟件的開發與應用。E-mail：632634889@qq.com