基于Revit的預制剪力墻配筋設計軟件研究

楊 謙 艾 旭 張 沂 李 洋 劉 洋 楊思忠

(1.北京市住宅產業化集團股份有限公司，北京 100073； 2.承德綠建建筑材料有限公司，承德 067000)

引言

傳統裝配式結構的方案設計、初步設計、施工圖設計、深化設計等階段均以二維圖紙為傳遞媒介，處理圖紙需要消耗設計人員大部分的精力，此過程容易出現信息不明等問題，造成設計失誤[1]。而隨著ERP與MES等信息化系統在預制構件廠的投入使用，迫切的需要建立基于BIM的預制構件深化設計解決方案，從而為預制構件廠實現工業4.0奠定基礎。

目前，國內外也有一批裝配式深化設計軟件，比如Tekla、Planbar、ProStructure、PKPM-PC、YJK-AMCS等軟件，但這些軟件普遍存在售價高昂、編輯功能不靈活等問題。相對比之下，Revit以其強大的設計、數據交互、信息管理、協同工作等功能成為國內市場上使用最多、普及最廣的BIM軟件。Revit提供了API，通過調用，開發者可以根據自己的需要對Revit的功能用途進行擴展。因此，基于Revit的二次開發，成為滿足國內BIM應用的最好選擇之一。[2]

本文基于一種新型剪力墻構件——縱肋疊合剪力墻，通過分析BIM技術的應用，探討了在工程實際中的實施方案，并從軟件在工程實際中的運用出發，探討了二次開發技術：提升軟件的效率，擴展軟件的功能，解決軟件本地化應用問題，推動裝配式建筑的設計與生產的深入結合。

1 墻板建模方法分析

在裝配式預制構件的鋼筋深化中，鋼筋建模是困擾設計師進行裝配式建筑構件深化設計的一大難點，主要原因有以下幾點：軟件操作困難、鋼筋形式復雜、工作量大、軟件功能欠缺。[3]

目前，在Revit軟件中建立預制構件模型主要有兩種方法：鋼筋族[3-8]和構件族[9]。鋼筋族法是指在項目文件中使用自定義族或系統族繪制或組裝成預制構件模型，其中鋼筋部分是使用Revit的鋼筋族繪制完成。這種方法的優點是構件模型繪制靈活，可以隨時方便的修改構件，并且可以對預制構件進行標注出圖。缺點是Revit的鋼筋族限制較多，稍微復雜的空間彎折鋼筋就無法創建，并且鋼筋族在使用的時候也非常繁瑣，效率比較低； 構件族法是將整個預制構件包括混凝土、鋼筋、預留預埋等整個構件做成族，根據需求的不同，構件族可以是參數化的也可以是非參數化的。這種方法的優點就是便于將預制構件整理成構件庫，易于對構件進行復用。缺點是在項目文件中，無法對預制構件族中的鋼筋和埋件標注，即無法對預制構件標注出圖。

因此為滿足工程實際應用需求，提出一種新的建模方法——組合族法，即在項目文件中使用多種族組裝成預制構件模型，其中鋼筋部分使用可載入族繪制。該方法能有效的適應預制構件深化設計全流程中各個階段對模型的使用要求，并且預制模型可以隨著深化設計的進行同步深化、應用。

2 縱肋疊合剪力墻設計標準化

裝配整體式縱肋疊合剪力墻結構是北京市住宅產業化集團聯合承德綠建、中國建研院等單位共同研發的一種新型裝配整體式縱肋剪力墻結構。該結構的豎向構件采用具有專利技術的新型預制剪力墻墻板，水平預制構件與現有結構體系采用的產品相同。

如圖1所示，縱肋剪力墻墻板是一種由兩側混凝土板及連接兩側混凝土板的縱肋組成的特制空腔型預制構件，主要用于裝配式建筑的內墻； 墻板外側可設置外葉板及保溫板，可用于非夾心保溫外墻及夾心保溫外墻?？涨患瓤梢灾苯由舷仑炌?，也可以只設置在墻板下部鋼筋連接區域，通過設置在墻板上部的澆筑孔實現貫通。特殊的墻板生產技術確保兩側混凝土板內的鋼筋在空腔內部外露，通過現澆混凝土與插入空腔的下層墻板縱向鋼筋形成直接搭接連接。

圖1 縱肋剪力墻墻板示意圖

該體系預制墻板采用縱向受力鋼筋空腔內搭接連接、空腔成型精確建造、結構保溫裝飾一體化生產等技術，優勢顯著：

1)避免了套筒灌漿連接產生的施工不便、檢測困難等問題；

2)形成了大尺寸預制墻板，降低了墻板接縫數量和吊運、安裝頻次，有效提高了施工效率；

3)實現了預制外墻板裝飾、保溫與結構同壽命，有效降低了維護成本；

4)體系整體性能良好，適用于80m以下高層建筑，有效解決鋼筋間接搭接連接結構體系使用高度受限的問題；

5)體系經濟效益良好，具有工廠投資少，轉產快等特點。經測算，主體結構施工綜合成本可降低100元/m2以上。

2.1 混凝土設計標準化

圖2 墻板類型示意圖

縱肋剪力墻墻板的混凝土部分主要由外葉板、保溫板、內葉板和空腔等組成。按外葉板、保溫板的有無，可將墻板分為內墻、外墻、夾心保溫外墻三種類型； 按橫截面形狀可將墻板分為I型墻板、L型墻板、T型墻板三種類型，如圖2所示?？涨豢筛鶕螤罴肮δ芊譃樨炌涨弧⒌撞靠涨弧⑦吙涨蝗N類型，如圖3所示。其中貫通空腔橫截面積大、體積大，減重效果好，混凝土澆筑便捷，相對應的縱肋部分體積小，預留預埋布置較為困難； 底部空腔的底部橫截面與貫通空腔相似，上部為一直徑80mm的灌漿孔，灌漿孔頂部設置下料凹槽，因此底部空腔體積較小，減重效果較差，相應的縱肋體積較大，預留預埋布置較為方便； 邊空腔是上述兩種空腔的補充，僅在墻板無法完全由貫通空腔與底部空腔排布時使用。

圖3 空腔示意圖

2.2 鋼筋設計標準化

根據位置，將鋼筋分為連梁、邊緣構件、剪力墻、填充墻、窗下墻等區域。其中連梁、填充墻和窗下墻的配筋方式與傳統套筒灌漿剪力墻構件配筋方式基本一致。邊緣構件與剪力墻部分鋼筋主要做了以下修改：

1)豎向連接鋼筋上下皆采用環錨形式以減少鋼筋搭接長度，同時剪力墻部分豎向連接鋼筋采用雙層Ф10@300，以減少豎向連接鋼筋數量；

2)在墻板底部鋼筋連接區域，增設豎向非連接鋼筋，用于設置拉筋。

3 配筋軟件開發

本文基于Revit API接口，對Revit軟件進行二次開發[10]，實現了縱肋剪力墻墻板構件中連梁、邊緣構件、剪力墻、窗下墻、填充墻鋼筋的快速交互式創建，軟件界面如圖4所示。

圖4 縱肋剪力墻配筋軟件界面

為了使配筋程序能夠快速開發、易于擴展、可靠運行，使用面向對象程序設計方法進行軟件開發，并且在鋼筋類內部使用模板模式等設計模式進行代碼編寫，軟件類圖如圖5所示。

圖5 縱肋剪力墻配筋軟件類圖

通過對現有深化設計軟件的鋼筋建模流程分析可發現，主要的鋼筋建模流程分為兩類：一類為Revit、Tekla、ProStructure這類平臺型軟件所使用的全能型鋼筋建模流程，用戶選擇好對應的鋼筋族以后，放置到模型中，再逐個調節屬性信息以將鋼筋調整為所需的尺寸并移動到指定的位置，最后再通過復制或者陣列功能完成最終的繪制； 另一類為PKPM-PC、YJK-AMCS這類國產軟件所使用的全自動鋼筋建模流程，用戶只需要輸入鋼筋直徑和鋼筋類型，軟件就會自動生成對應的鋼筋及鋼筋陣列。

然而上述兩類建模流程在實際項目使用中都無法滿足使用要求，第一類方法雖然能夠滿足設計師對任意形式的鋼筋的繪制需求，但是步驟過于繁瑣，效率低下又無法滿足對深化設計周期的要求； 而第二類方法雖然建模效率很高，但是對預制構件鋼筋骨架模型過于理想化，幾乎沒有給設計師調整空間，無法滿足預制構件鋼筋骨架多樣化的建模需求。

綜合以上兩類建模流程，本文提出了一種半自動的鋼筋建模流程，在滿足設計師對鋼筋建模靈活性的前提下最大限度提升鋼筋建模效率，剪力墻水平筋為例的鋼筋建模流程如圖6所示。

圖6 剪力墻水平筋建模流程

以剪力墻水平筋為例，配筋程序的具體操作步驟如下：

點擊剪力墻水平筋命令，根據提示點擊墻正面為工作平面，再點擊如圖7所示的墻板側邊線上的起點和終點；

圖7 鋼筋起點終點示意圖

彈出剪力墻水平筋設置窗口，如圖8所示，設置好對應參數后點擊確定即可創建對應的剪力墻水平筋，如圖9所示。

此時可以使用Revit命令對生成的鋼筋進行修改，再點擊鋼筋陣列命令，選擇需要陣列的剪力墻水平筋模型，彈出鋼筋陣列設置窗口，如圖10所示，按需輸入鋼筋間距，點擊確定即可生成鋼筋陣列模型，如圖11所示。

圖8 剪力墻水平筋設置界面

圖9 生成的剪力墻水平筋

圖10 鋼筋陣列設置窗口

圖11 陣列后的鋼筋模型

圖12 YWQ12配筋圖及鋼筋明細表

4 工程實例

某項目1#住宅樓為裝配整體式剪力墻結構，豎向構件全部采用縱肋剪力墻，建筑總高度46.3m，地下3層地上16層，標準層層高2.8m，豎向構件范圍為4～15層。選取1#樓中的YWQ12作為案例展示，YWQ12配筋圖如圖12所示。

首先使用Revit建立墻板混凝土部分模型，包括外葉板、保溫板、內葉板和空腔。由YWQ12配筋圖及鋼筋明細表可知，YWQ12的鋼筋骨架由4種不同規格的縱筋、4種不同規格的箍筋和1種拉筋組成。

使用“縱肋剪力墻—鋼筋”軟件“邊緣構件—縱筋”、“邊緣構件—空腔附加筋”和“鋼筋陣列”功能完成縱筋部分鋼筋骨架建模，使用“邊緣構件—箍筋”和“鋼筋陣列”功能完成箍筋部分鋼筋骨架建模，使用“拉筋”功能完成拉筋部分鋼筋骨架建模。構件模型如圖13所示。

圖13 依托本文開發軟件建立的YWQ12模型

同時基于1#住宅樓開展了對比測試工作，在相同初始條件下(混凝土模型繪制完成，鋼筋族繪制完成)，相同人員(在BIM團隊中選取一名具有代表性的從事一年以上裝配式BIM建模工作的較為掌握Revit軟件的BIM工程師)，相同工作量(1#住宅樓17塊外墻，1塊內墻)，相比于使用Revit手動建模30～60分鐘/塊的建模速度，使用“縱肋剪力墻—鋼筋”軟件后可以實現5-15分鐘/塊的建模速度，并且模型的準確性和標準化程度更高，有利于與生產管理系統對接。

5 結論

綜上所述，本系統在縱肋剪力墻構件配筋標準化的基礎上，基于Revit二次開發，實現縱肋剪力墻構件配筋設計，拓展了BIM技術在裝配式建筑深化設計中的應用，為預制構件鋼筋的深化及優化，智能化下料、加工、隱檢，算量與成本控制提供了模型及數據基礎，本文的主要成果為：

(1)通過對縱肋剪力墻構件配筋標準化，明確了常用鋼筋的種類、形狀、尺寸參數及編號，降低了軟件開發工作量。

(2)通過對現有軟件鋼筋建模功能的研究和分析，結合實際工程項目的預制構件鋼筋深化設計需求，提出了一種半自動的鋼筋建模流程，通過在流程中主動引入手動調整步驟，極大的增加了軟件的靈活性，從而提升了配筋設計整體效率。

(3)通過某項目1#住宅樓項目案例的應用，實現了多種墻板，包括L型墻板、T型墻板等異型墻板構件的配筋設計，驗證了本文提出的方法和程序的實用性，為今后的全面推廣奠定良好基礎。