抗震支吊架自動化設計系統研究

張學輝 楊搏濤 李鵬陽 安軍海

摘 要：為解決抗震支吊架設計與受力校核自動化程度低引起的建筑工程設計精度問題，基于Revit平臺設計了不同類型的抗震支吊架族模型，通過分析Revit API對象結構，利用遞歸方式識別管道曲線坐標，自動調整支吊架布設方向，探究了參數化模型數據信息的提取方法及抗震支吊架受力體系與Revit之間的交互方式，并通過實際工程案例加以驗證。研究表明：1）抗震支吊架自動化設計系統能夠以三維可視化的方式自動生成設計方案，可完成各類型抗震支吊架自動規范性布設，提高工作效率;2）通過調用自定義函數，對其關鍵節點進行受力分析，可進行自動校核，保證抗震支吊架布設方案的安全性;3）通過對設計模型參數化的設計，可實時修改設計方案，具有較高的靈活性。研究結果能夠為復雜管道系統中的抗震支吊架設計提供技術支持，為推進建筑機電工程智能化設計提供了方向和參考價值。

關鍵詞：計算機輔助設計;抗震支吊架;二次開發;Revit API;自動化

中圖分類號：TU17 ? 文獻標識碼：A ? DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx01006

Abstract：In order to solve the problem of the architectural engineering design accuracy caused by the low degree of automation in the process of seismic support and hanger design with stress checking，different types of seismic support and hanger models were designed based on Revit platform.Through the analysis of Revit API object structure，the curve coordinates of pipeline were identified by using the recursive method and the direction of support and hanger layout was automatically adjusted.The data information extraction of parameterized model and the interaction mode between seismic support and hanger stress system with Revit were explored，which were verified by practical engineering cases.The results show that：1） automatic design system for seismic support and hanger can automatically generate the design scheme with 3D visualization and complete the automatic and standardized layout of various seismic supports and hangers，so as to improve the work efficiency;2） after adjusting the user-defined function，the stress analysis of the key nodes can be carried out，and automatic check can be undertaken to ensure the safety of the seismic support and hanger layout scheme;3） with the parametric control of the design model，the design scheme can be modified in real time with high flexibility.The research results can provide technical support for the design of seismic supports and hangers in complex pipeline system，which can promote the intelligent design of building mechanical and electrical engineering with strong reference value.

Keywords：computer aided design;seismic support and hanger;secondary development;Revit API;automation

近年來中國地震頻發，抗震支吊架使用越發廣泛，同時國外在管線及抗震支吊架這些非結構部件地震力影響方面制定了相應標準[1]。1976年唐山大地震以后，中國開始重視非結構部件抗震設計[2]，頒布的一系列規范中針對非結構部件設計提出了抗震計算說明，并給出了相關計算方法[3]。黃劍雄[4]，史全勝[5]分別對抗震支吊架的布置準則和設計選型進行總結，闡述了抗震支吊架布置準則、受力校核及水平地震力計算方式。但傳統設計方法需要設計人員在管線平面CAD圖中標注各抗震支吊架的位置，并對每一個位置進行受力校核，整個過程主要通過人工完成，自動化程度低，材料浪費嚴重，且許多大型工程包含大量復雜管線系統，其抗震支吊架的設計經常成為工程設計的負擔，嚴重影響項目進度。因此實現高效的抗震支吊架自動化設計系統具有重要的現實意義。

隨著計算機輔助設計在建筑領域廣泛應用，Revit二次開發技術得以快速發展，王所緊等[6]基于UG開發了管道支吊架設計系統Hanger Wizard，應用數據庫管理技術獲得了管道類型尺寸等設計參數，提高了對管道支吊架的三維建模效率。王博超等[7]利用Java SE開發了一款應用于核電廠管道支吊架設計程序，實現了零部件的自動選型，能夠根據實際管線情況選擇合適的支吊架模型。盤榮鋮等[8]結合某實際工程，對承重支吊架布置原則等方面進行研究，將管線信息作為依據，運用BIM相關技術深化幾何信息模型，通過數據集成，對管道支吊架的布設方法做出了進一步總結。

上述研究主要是針對管線系統中單一承重支吊架的研究，未提及自動化受力校核等方面相關研究。由于中國抗震支吊架相關規范實施較晚，抗震支吊架的自動化設計系統幾乎處于空白。國外支吊架大型企業，如荷蘭的沃雷文 （Walraven）、列支敦士登的喜得利（Hilti）等，在支吊架設計、安裝等領域處于領先地位，但這些企業對管道支吊架智能設計相關軟件未進行公開。

BIM具有可視化、協調性、參數化等特點[9]，為抗震支吊架的設計提供了新的有效途徑，但目前BIM軟件在抗震支吊架自動化設計方面仍處于起步階段。本文通過建立支吊架族，分析相關API函數用法，總結抗震支吊架應用范圍、布點方式和受力校核準則，探究與BIM核心軟件Revit之間的交互方式，對抗震支吊架自動化布設與受力分析展開研究，該研究有助于提高工作效率、加快項目工期進度，具有廣泛應用價值。

1 開發工具及程序設計思路

采用Visual Studio 2017及Revit 2016為平臺， C#為編程語言，創建WPF交互界面并添加Class類，通過程序主入口IExternal Command與接口成員Execute（）函數進行命令擴展功能[10]，由于實現管網中各類抗震支吊架自動生成屬于對當前Revit文檔進行修改與創建，因此通過使用Transaction進行事務的創建與更新，生成解決方案進行加載及調用。由于事務在API中沒有默認值，因此需聲明標簽值，本文使用Manual模式，方法如下。

[Transaction（TransactionMode.Manual）]

[Regeneration（RegenerationOption.Manual）]

如圖1所示為Revit二次開發流程。

本文從抗震支吊架參數化嵌套族的創建、自動化布設布置、受力計算3方面展開研究，圖2為程序設計思路。

2 面板菜單欄設計

用戶界面（GUI）是程序可見部分之一[11]，通過對外部命令接口（IExternal Application）進行派生，對Create Ribbon Tab函數進行調用，創建功能面板（Ribbon Panel），指定參數中包含命名空間在內的完整命令類名稱的dll生成路徑，在方法Push Button Data中進行內部名稱、顯示名稱、程序集及類名參數輸入，添加自定義按鈕（Push Button）并用Bitmap Image方法將ico圖標插入到面板，實現與計算機的交互。具體流程如圖3所示。

創建系統在Revit自定義按鈕標簽頁如圖4所示。

3 自動化布設系統設計

3.1 創建參數化族模型

在Revit中選擇公制機械設備作為族樣板，以《國家建筑標準設計圖集》為標準創建抗震連接件、管夾、槽鋼立柱、槽鋼斜撐等，形成嵌套族[12]。由于各類管道支吊架族模型較為復雜，因此在設計之前對相關基準軸、定位點、參照平面及參照線等進行創建。

Revit 2016中由官方定義了一套數學語法體系，以其中部分支吊架為例進行設計，通過表達式的實現，將各注釋進行參數化關聯，創建自動化參數關聯模型，如圖5所示為部分抗震支吊架參照平面設計及參數化關聯模型。

圖5 a），c）中，L為橫梁，W為管道寬度，H為管道高度，圖b）中D為管道直徑，t1為管道壁厚，t2為管夾直徑，對各部件表達式參數化關聯，使各類管道支吊架隨著管線或管徑的變化而變化。以其中一種管道支吊架為例，圖6為添加參數界面。

3.2 族模型的載入

Revit API函數中提供了元素過濾器，用來遍歷各元素ID。利用Filtered Element Collector收集器，對項目中管道支吊架族進行過濾，實現族模型的載入，具體流程如圖7所示。

首先新建“LoadCzFamily”類，創建事務Transaction修改Revit中的文件，本文載入的族均為構建族，首先在內存中重新建立一個獨立的拷貝文檔，獲取參數化族模型文件的路徑。然后，采用if語句對當前文檔中是否加載目標rvt文件進行判斷，若沒有，則使用Load Family重載方法將rfa族文件通過程序的方式進行加載。

3.3 間距計算

根據規范[13]要求，在程序中設定計算規則并輸入相關參數，實現間距自動計算功能，其中水平管線抗震支吊架間距L可通過式（1）求出。

如圖12中，在n點處生成空間坐標系，取長度L在線方向Line Dire上對于Ox，Oy，Oz三個坐標軸方向上的投影坐標（Lx，0，0）（0，Ly，0）（0，0，Lz）來確定第下一節點坐標位置，進行循環布設。由于在程序中生成的支吊架方向默認為原始水平方向，因此需要將支吊架族模型進行旋轉，最終與對應的管線方向垂直，本文采用API中提供的Rotate方法，通過元素的Location進行元素旋轉。抗震支吊架均布置于直管件，且拐彎處0.6 m進行布設，步驟如下。

1）起始點St確定 首先，獲取構件信息集合ele中的管線三維中心線，定義線方向Line Dire并獲取起始點St;判斷起始點是否有連接件，若有，則在距離St處右側（0.6+L） m處進行布點。

2）點位布設 對選擇管段進行遞歸識別，判斷是否在同一標高。在每個連接件0.6 m處進行抗震支吊架的布置并對管段進行等間距布點，設與點選管段中心線方向Line Dire上每個節點為num_Hangers[i]，其中i={0，1，2，...，n-1，n}。

3）元素旋轉 判斷管線與水平線形成角度不同情況，生成旋轉軸Rot Axis、水平軸Hor Axis，對抗震支吊架旋轉角度進行設計，最終垂直于管道三維中心線方向，具體程序流程如圖13所示。

如圖14所示為創建完成的抗震支吊架自動化布設系統操作界面。

4 抗震支吊架受力計算系統設計

4.1 抗震支吊架受力分析

為方便受力分析計算，根據支吊架實際受力情況對其簡化，如圖15所示為抗震支吊架計算簡圖，圖中斜撐LG、吊桿HG所受地震力為Fq1，斜撐MK、吊桿IK所受地震力為Fq2，且滿足Fq1=Fq2。

式中：MH為管道產生的集中荷載與槽鋼橫擔材料自重產生的均布荷載彎矩疊加;A2為槽鋼橫梁截面面積;Wh為凈截面模量。

4.2 抗震計算程序設計

上文闡述了抗震支吊架各受力部件抗地震力分析的依據和計算方法，下面將重點研究如何在程序中實現計算機自動輔助計算功能并引入到Revit中。

設計思路如圖20所示，運用Revit API提供的相應接口構造SelSL類并調用，定義支吊架和管道模型各項參數，遍歷IListKz_element list集合中對象名稱獲取當前Revit文檔中的族實例后，用Revit Lookup查看圖元相關對應參數進行數值提取。建立非模態窗體，對Button Click觸發事件，即編寫抗震計算程序，并調用IEvent Handler接口的Execute（）方法，創建收集器collector對當前Revit文檔中的族模型信息進行收集。

6 結 語

為解決復雜管道系統中抗震支吊架布置與校核困難這一問題，以實際工程項目為例，結合BIM技術對Revit進行二次開發，設計出抗震支吊架自動化設計系統，有助于工程師快速確定支吊架的設計方案，提高施工效率，為抗震支吊架的設計提供了一種新思路，主要結論如下。

1）設計的抗震支吊架自動化設計系統提高了設計效率，減少了因自動化程度低而造成的時間浪費，縮短了工期;可以自動生成三維可視化的設計方案，提高了設計效率和精度，解決了設計與施工之間的信息偏差問題。

2）建立的自動受力校核系統，通過調用相關API函數，分析抗震支吊架關鍵受力節點，在一定程度上優化了抗震支吊架布設方案，提高了抗震支吊架的安全性。

3）采用Revit平臺二次開發解決類似工程問題是可行的。

針對抗震支吊架族庫不完善、初期建模工作量較大等問題，未來將對建模方式進行研究，進一步擴展族庫;此外，由于API函數復雜性，控制不同管線的標高是一大難點，今后對于管道不同標高處抗震支吊架自動化設計還需要進一步研究和探索。

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