基于Dynamo的緩和曲線形體結構應用研究

劉篤興 季小普 陳 華 羅志浩 張英彪 潘鈞俊

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

引言

BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的簡稱，是一種在三維數字化技術的基礎上集成工程項目信息的數字化模型，在工程設計、施工、運維階段受到廣泛關注和應用[1]，隨之而來的對復雜異形結構的應用已成為BIM技術落地實施的重點。目前，對于復雜緩和曲線形體結構的BIM應用，傳統建模方式采用Autodesk Revit軟件，Revit軟件在常規形體結構建模過程中提供了很大便利，通過自身內置構件可以實現常規建筑結構快速建模[2-5]，但在復雜異形結構中常采用以梁板替代結構截面，特別是在具有縱斷面變化的異形結構工程中，這種建模方式存在著模型精度不足、施工應用不準確的問題[6-7]。

Dynamo可視化編程工具為異形緩和曲線形體結構的高精度、高效率BIM應用提供了新的解決方案。Dynamo是內建于Revit軟件的開源插件，通過可視化操作界面進行編程生成模型，且能無損寫入Autodesk Revit項目文件中[8-10]。

本文以杭州蕭山國際機場三期項目為例，對項目中大量存在的復雜異形地下車道進行基于Dynamo可視化編程開發與建模應用研究。

1 工程概況

杭州蕭山國際機場三期工程包括新建T4航站樓、交通中心、旅客過夜用房、配套辦公用房、高鐵站、區域能源中心、配套市政工程、蓄車樓標段、飛行區標段、行李系統標段、航站樓弱電標段等，總建筑面積約150萬m2，項目體量大、涉及專業多，且地質條件復雜、地下工程施工難度大，結構工程大跨、異形構件多，對施工精度要求極高。本項目BIM應用以“BIM先行、指導施工”為理念，在工程前期積極介入。三期工程整體如圖1所示。

圖1 杭州蕭山國際機場三期工程效果圖

杭州蕭山國際機場三期項目陸側交通中心工程市政配套道路工程包括Z1、Z2、D3、D4、D5、D6、D8、ZD1、ZD2、ZD3、ZD4共11條道路，共計5761.74m，其中ZD1、ZD2、ZD3、ZD4為地下車道，如圖2所示。

圖2 道路工程平面圖紙

地下車道結構形式為單箱單孔箱型框架結構，結構邊線形式為直線→圓曲線→緩和曲線→直線→圓曲線→緩和曲線→圓曲線的線體形式。

2 BIM開發與應用

在地道工程中，緩和曲線是常用的設計線形，結構尺寸在曲線內外側并不相等，因此設計中給出的結構長度并不代表其實際長度，特別是處于加寬的路段，緩和曲線形體結構施工過程中對于緩和曲線形體采用以直代曲的施工方法，無法完美契合設計理念和要求。本文通過參數化快速搭建高精度緩和曲線形體結構模型，并基于模型快速、批量提取結構定位坐標，實現緩和曲線形體結構高精度施工定位，實現工程高效建造。本工程參數化建模流程如圖3所示。

圖3 參數化建模流程圖

2.1 創建道路中心線

道路中心線是一條三維空間曲線，使用Autodesk Civil 3D軟件創建路線工具，根據道路平面圖與縱斷面圖紙繪制道路中心線，使用路線與縱斷面報告工具將中心線輸出為空間點坐標。圖4為道路中心線創建工具，圖5為縱斷面繪制界面，圖6為輸出的點坐標數據。

圖4 道路中心路線創建

圖5 縱斷面繪制

圖6 輸出點坐標數據

2.2 參數化創建結構截面

在Revit中新建公制常規模型族樣板創建結構截面，分別對結構部位尺寸、坡度等變化量進行參數化定義。如圖7所示。

圖7 參數化結構截面

2.3 加寬緩和曲線量值計算

加寬緩和曲線為避免路面寬度從直線段上的正常寬度到圓曲線的加寬斷面的突變在直線和圓曲線之間設置的一段寬度漸變段，漸變量值計算采用高次拋物線計算公式：

Bjx=(4K3-3K4)×bj

根據計算公式，使用Excel函數工具快速計算出緩和曲線段寬度漸變值。

2.4 Dynamo可視化編程創建模型

Dynamo作為交互式的可視化編程工具，通過讀取數據和參數化截面進行點、線、面、體結構模型創建，并通過數據的改變實現模型結構幾何形體的修改。

(1)Dynamo讀取數據創建中心線

通過Dynamo編寫節點讀取前文輸出的點坐標數據，生成道路中心線，中心線生成節點如圖8所示。

圖8 中心線生成節點

Revit軟件工作范圍限制為直徑20英里的平面，當模型距離項目文件原點過遠時，創建的模型會出現變形，不滿足施工要求的高精度，在中心線生成過程中將全部點坐標核減去起點的點坐標，即中心線起點與項目文件原點重合，中心線生成節點共有6個輸入端，分別為“平面坐標表格”“核減值坐標表格”、“高程坐標表格”、“平面坐標工作表名字”、“核減值坐標工作表名字”和“高程坐標工作表名字”，定義1個輸出端，為“中心線”。

如圖9所示，通過File Path節點讀取Excel文件路徑，String節點輸入文件工作表名稱，運行生成道路中心線。

圖9 中心線生成程序

(2)Dynamo讀取參數化截面與截面數據創建結構實體模型

將參數化結構截面族載入新建項目文件中，通過Dynamo編寫結構生成節點，節點程序如圖10所示。如圖11所示，通過“ReadExcel.ImportExcel”節點讀取截面參數數據信息，并分別輸出參數名稱和參數數據。

圖10 緩和曲線結構生成程序

圖11 參數數據讀取節點

利用“Family Types”讀取結構截面族，通過“FamilyInstance.ByPoint”將截面族放置在中心線設計位置，因為截面族以XY平面創建，中心線為三維空間曲線，截面放置以后需要旋轉一定角度至設計位置，如圖12所示。

圖12 參數化截面放置節點

如圖13所示，結構截面放置設計位置以后進行族截面參數數據寫入，通過“Element.SetParameterByName”節點輸入參數名稱與對應的參數數據，對結構尺寸等信息進行修改，截面放置完成結果如圖14所示。

圖13 參數數據寫入節點

圖14 截面放置完成結果

截面參數調整完成后，使用“Element.Curves”與“List.Slice”節點分別讀取、分組截面族內、外室輪廓線，通過“PolyCurve.ByJoinedCurves”節點將輪廓線組合為一條閉合曲線，利用“Solid.ByLoft”節點創建結構內外室實體，并分別輸入“Solid.Difference”節點，進行布爾差集運算后得出結構實體，節點如圖15所示。

圖15 結構實體生成節點

地道結構實體創建完成后要以族形式將其輸出至Revit項目文件中，使用節點包“Springs”中“Springs.FamilyInstance.ByGeometry”節點，自定義族名稱、族樣板、材質等參數將結構實體輸出至項目文件中，輸出節點如圖16所示，運行結果如圖17所示，地下車道模型如圖18所示。

圖16 結構實體輸出Revit項目文件節點

圖17 Dynamo節點運行結果

圖18 地下車道模型

2.5 基于Dynamo的定位坐標批量導出

傳統緩和曲線坐標計算方法通常采用坐標正算法、相對坐標法及綜合公式法，計算公式比較復雜，且計算結果通常有幾毫米的偏差[11-12]，基于結構BIM模型使用Dynamo節點可以快速、準確導出緩和曲線線形坐標點，節點如圖19所示。

圖19 定位坐標批量提取節點

通過“Select Edge”節點拾取結構邊線，使用“Curve.PointAtSegmentLength”節點按自定義間距取點并計算點坐標， 通過“Excel.WriteToFile”節點輸出點坐標分量至Excel表格中，輸出節點如圖20所示，輸出結果如圖21所示。

圖20 定位坐標輸出節點

圖21 定位坐標輸出結果

自此實現了緩和曲線形體結構從建模到工程應用的Dynamo程序開發，詳細介紹了不同階段參數化BIM應用相關參數族的制作和參數化設計程序的編寫和使用。本方法在杭州蕭山國際機場三期項目陸側交通中心工程市政配套道路工程得到了很好的應用，為工程高精度施工提供了堅實的數據資料，體現了“高效建造”的施工理念。

3 結語

本文通過Dynamo可視化編程工具對杭州蕭山國際機場三期項目陸側交通中心工程市政配套道路工程多參數、復雜緩和曲線形體結構的應用研究，實現了高精度參數化緩和曲線形體結構模型的創建，同時實現了批量高效地提取結構定位坐標的應用。本文的研究成果可為同類型緩和曲線形體結構的BIM技術應用提供參考。