基于Revit 二次開發的PCR 實驗室參數化建模研究

鄭躍群，王傳林，關嘉琪，崔 飛

（1.汕頭大學工學院土木與環境工程系，廣東 汕頭 515063；2.廣東科藝普實驗室設備研制有限公司，廣東 佛山 528100）

0 引 言

聚合酶鏈式反應實驗（PCR）實驗室是對病毒進行PCR 實驗的特殊生化場所，在近年來人類與新型冠狀病毒的戰役中發揮了舉足輕重的作用.相較于其他工程項目，國內PCR 實驗室建設項目的設計目前主要還是基于CAD 軟件進行二維設計，這種工作效率低下的設計模式不利于應對日漸復雜的全球生化環境.

建筑信息模型技術（BIM）作為土木工程行業的重要工具，可以通過數字化的正向設計，實現項目各階段信息的集成與共享，從而提高設計、施工和運營效率[1-2].然而，現有的BIM 核心軟件Revit 在工程實際上還存在部分功能不夠健全、在特殊項目上缺乏針對性等缺點.因此，廣大學者針對具體功能要求的特點，通過二次開發等途徑對Revit軟件功能進行了不同程度優化與拓展.為解決一線土木行業從業者在Revit 二次開發上的信息差問題，宋強[3]對Revit API 二次開發工作中常見的基礎代碼類型，如族類型的訪問、獲取、編輯、創建等進行了提煉總結，為國內二次開發工作提供基礎參考.在自動化建模方面，為解決Revit 軟件在裝飾方面不夠自動化的弊端，歐陽春生等[4]通過對Revit進行二次開發，實現在已有建筑模型中自動識別房間邊界并通過邊界自動創建裝飾模型.在參數化建模方面，為節省結構工程師在建模方面的時間與精力，薛忠華[5]提出通過對Revit 進行二次開發實現空間網格參數化建模的解決方案.在裝配式構件設計方面，黃巖等[6]通過對Revit 軟件進行二次開發，擴充了構件庫內關于裝配式構件的內容，減少了裝配式構件設計的繁瑣步驟，提高了裝配式項目設計效率.Liu[7]以裝配式地鐵項目為例，通過二次開發改進了協同設計的功能，通過自動信息訪問，提高了裝配式項目設計效率.

在PCR 實驗室項目的應用上，BIM 技術可以顯著提高項目設計效率和質量，以提高PCR 實驗室建設能力.然而，目前在PCR 實驗室建設項目領域，BIM 技術尚未得到具有針對性的深入應用.在工程實際中，PCR 實驗室設計工作中具有大量專業特殊性與流程重復性的設計要求與設計步驟[8].這些繁瑣的設計要求與步驟使一線設計人員在提高出錯率的同時也降低了工作效率.因此，本文擬利用C#面向對象語言基于Revit 軟件進行二次開發研究，以某疾控中心PCR 實驗室建設項目為例，提出一種針對PCR 實驗室項目中墻體與地板兩大經典構件進行參數化建模的解決方案.

1 Revit 二次開發的實現

1.1 Revit 二次開發的實現目標

Revit 是Autodesk 公司在BIM 領域推出的核心工具軟件，因其具有功能強大且操作簡單的優點已被廣泛應用于各種工程設計工作中.但對于PCR 實驗室建設項目而言，Revit 軟件明顯存在著以下兩個方面不足：1）原構件庫中不存在符合PCR 實驗室設計要求的構件類型；2）對于常見構件的實例化無法通過與用戶交互進行直接的一鍵參數化建模.

為解決上述兩個問題，本研究擬基于一線設計工作中應用最廣的2018 版Revit 進行二次開發研究，針對PCR 實驗室構件特點在Revit UI 界面進行RibbonTab 功能區擴充，通過創建新的RibbonPanel 與PushButton 等控件，豐富預設構件類型；并在此基礎上完成構件參數傳遞，實現構件模型的一鍵參數成模.通過執行本研究插件，最終可實現Revit 2018 UI 界面升級效果，如圖1 所示.

圖1 UI 界面升級效果

1.2 Revit 二次開發實現原理與方法

在Revit 軟件中，每一個可以被選擇和修改的對象都被稱為元素，如墻體、門窗等構件.每個Revit 元素都有與之關聯的屬性和參數，這些屬性和參數決定了元素的外觀、位置和性能[9].Revit 軟件提供了一系列應用程序接口（API）供用戶對Revit 元素信息進行訪問與修改，從而實現自定義功能擴展與軟件優化[10].基于此原理，本研究工作將使用具有簡潔、高效等優點的C#面向對象程序語言，在微軟公司的Visual Studio 編程平臺上，針對PCR 實驗室項目建筑構件特點進行Revit 二次開發工作，并最終生成目標解決方案文件.Revit 軟件通過加載解決方案文件，便可進行文檔信息的訪問以及功能的更新升級[11].

本研究對Revit 進行二次開發的技術路線如圖2 所示.根據操作內容不同，技術路線中具體實現步驟可分四個步驟：1）創建.Net 類庫項目；2）添加官方引用；3）編寫核心代碼；4）注冊加載插件. 在添加官方引用的步驟中，添加引用的Revit 官方程序集RevitAPI.dll 與RevitAPIUI.dll 對Revit 軟件功能豐富以及文檔信息修改起到了至關重要的作用.其中，RevitAPI.dll 提供Revit 核心功能支持，RevitAPIUI.dll 則提供用戶交互界面支持，二者缺一不可. 編寫核心代碼的步驟是Revit 二次開發中最主要的工作內容，該部分內容將在第2 節實驗室構件參數化設計研究中詳細闡述.

圖2 Revit 二次開發技術路線

1.3 解決方案的程序邏輯

在Revit 二次開發工作中，一個最終文件稱之為解決方案，其一般由多個程序集組成，不同程序集負責不同的功能執行.根據功能任務分類，在本研究中的程序集可以分為前端與后端兩種類型，其中前端程序集負責與用戶在界面上進行參數交互等功能，后端程序集負責在文檔內進行信息訪問與修改等功能.

本研究的解決方案內部程序集之間的調用邏輯如圖3 所示.以墻體構件為例，UI.cs程序集負責在Revit 軟件的界面上拓展RibbonTab 以及RibbonPanel、PushButton 等控件；MaterialsCreator.cs 程序集負責生成Revit 原有材質庫內不存在的特殊材質，如彩鋼板中的玻鎂夾心等；WallProgram.cs 程序集負責實例化WallWindow.xaml 程序集從而打開WPF 窗口供用戶進行建模參數交互；最終WPF 窗口將建模參數返回至CreateWall.cs程序集中，由CreateWall.cs 進行墻構件類型的實例化與放置.同理，樓板構件類型的邏輯也按此順序調用.

圖3 內部程序集調用邏輯

2 PCR 實驗室構件參數化設計研究

2.1 PCR 實驗室常用材質生成的開發研究

2.1.1 PCR 實驗室常用材質

PCR 實驗室由于其專業特殊性，對于建筑構件有著嚴格的材質要求，例如要求室內墻體內壁光潔，不吸附且易清潔；地板整體平整，無滲漏且不光滑[12].為滿足以上專業需要，工程實際中隔墻材質一般采用玻鎂夾心彩鋼板、地板材質一般采用PVC 塑膠.然而，以上特殊構件類型的材質在Revit 原始材質庫里并不存在，因此有必要通過二次開發工作，人為對Revit 材質庫進行豐富.例如，在彩鋼板墻類型中，彩鋼板與夾芯玻鎂這兩種材質都需要特別預設.同時，彩鋼板與PVC 的材質顏色由于工程實際中的款式運用較為靈活，在顏色設置上需要根據設計需求進行實時參數化設置.

2.1.2 在Revit API 中生成材質

在Revit 材質板塊的研究工作中，解決方案里MaterialsCreator 程序集負責材質生成的功能實現，其通過繼承API 中基礎數據DataBase（DB）級別的Materials 類對當前文檔的材質元素進行訪問操作. 在Revit API 中，Materials 類代表Revit 項目中的材質元素.通過繼承Materials 類進行編程，二次開發人員可以對Revit 當前文檔的材質元素進行訪問、創建、修改等相關操作.

在本解決方案中，MaterialCreator 程序集主要由Execute、CreateMaterial、FindMaterialsByName 三類函數組成，其主要功能由表1 所示. CreateMaterial 函數又根據彩鋼板、玻鎂夾心、PVC 三種自定義材質中材質的不同，具體分為CreateMaterial1、CreateMaterial2、CreateMaterial3 這3 個函數.這3 個CreateMaterial 函數各自獨立，最后由Execute 函數統一進行實例化進行材質生成.其中，以創建彩鋼板這一新材質為例的CreateMaterial1 函數如圖4 所示.

表1 程序集MaterialsCreator 中各函數與功能

圖4 在Revit API 中實現彩鋼板新材質創建的CreateMaterial1 函數

基于以上函數之間的調用運行，MaterialsCreator 程序集可實現Revit 軟件的材質文檔內對于PVC、彩鋼板、玻鎂夾心等PCR 實驗室常用材質的補充，為后續二次開發工作中PCR 實驗室構件建模的實現做好準備.

2.2 PCR 實驗室墻體構件建模的開發研究

2.2.1 PCR 實驗室墻構件特點

根據相關規范，PCR 實驗室等生物化學學科實驗室的室內建筑構件在潔凈與防火等方面要求會遠高于其他普通建筑.以PCR 實驗室項目為例，室內墻體構件要求具有防火性能好、表面光潔不易吸附、易消毒清潔等特性[12].為滿足相關要求，工程實際中通常使用彩鋼板或者鋁合金材質的隔墻對不同工作區進行隔斷.

基于此，本研究將針對設計工作中普遍利用的玻鎂夾心彩鋼板隔墻等墻類型進行參數化建模開發研究.

2.2.2 RevitAPI 墻構件參數化建模實現

在PCR 實驗室墻體構件的二次開發研究中，將按照不同種類的墻類型編寫不同獨立的程序集，每個程序集負責生成一種預定義的墻類型供用戶在Revit Ribbon UI 界面上進行選擇.實現墻類型構件參數化建模的程序集代碼邏輯與關鍵步驟如圖5 所示.

圖5 墻構件程序集代碼邏輯與關鍵步驟

為進行系統性介紹，研究將以混凝土彩鋼板內墻類型的實現為例進行研究分析.

首先，代碼將對彩鋼板這一新材質進行獲取或創建.通過材質名稱檢索的形式，在Revit 當前的文檔內使用foreach 循環對Revit 材質庫進行檢索篩選.若Revit 當前的文檔內已經存在彩鋼板材質，則直接進行調用；若Revit 當前文檔內不存在彩鋼板材質，則需對其進行創建生成.通過調用外部程序集MaterialCreator 中的CreateMaterial1 函數可實現對彩鋼板材質生成.對于混凝土材質可直接使用FilteredElementCollector 在Revit 文檔內進行訪問獲取.

然后，代碼將在Revit 內創建新的墻類型.對于新墻類型的創建，由于Revit 無法直接生成墻類型元素，因此代碼需對當前Revit 文檔內默認的墻類型進行復制并創建的操作，從而間接地創建出一個新的墻類型.

接著，代碼將對新墻構件類型的Compound Structure Layer 結構層進行修改. 在Revit API 中，Compound Structure Layer 是指由多個不同材料和厚度組成的墻、樓板、屋頂等構件的層結構.Compound Structure Layer 可以由不同的材料組成，如混凝土、磚塊等.通過使用API，用戶可以直接訪問并修改復合結構層的厚度、材質類型、密度等各種屬性.在彩鋼板隔墻類型例子中，Compound Structure Layer 結構層代碼與Revit 軟件內墻構件屬性信息的映射關系如圖6 所示.

圖6 API 結構層代碼與Revit 軟件墻構件信息的映射關系

在Compound Structure Layer 結構層中，材質層厚度（width）以及材質顏色（RGB）是程序代碼的重點參數.其中，width 是指當前材質結構層的厚度，其數據格式為double雙精度浮點數，用戶通過設置width 數值可以改變材質結構層厚度.RGB 是國際工業界顏色標準格式之一，其通過調節紅綠藍三色代碼（Red，Green，Blue）達到各種顏色的顯示[13].在Revit 中，材質顏色屬性也由RGB 格式進行設置.在插件中，用戶可通過Revit 軟件內設置即時彈出WPF 對話窗口進行參數輸入，從而實現Compound Structure Layer 結構層的width 以及RGB 參數交互.Revit 內WPF 參數交互窗口設計效果如圖7 所示.

圖7 Revit 內WPF 參數交互窗口設計效果

為將用戶在WPF 彈出窗口上輸入的width、RGB 這兩種參數接收到Compound Structure Layer 結構層對應的位置中，需要將參數定義為屬性數據類型.通過使用C#代碼中{get；set；}屬性這一數據類型，可以將WPF 窗體上的width、RGB 參數賦值到結構層的代碼上，從而實現Revit API 內墻體中不同Compound Structure Layer 結構層的參數化建模.

基于以上建模代碼，可生成彩鋼板隔墻構件結構層效果如圖8 所示.

圖8 彩鋼板隔墻構件結構層效果

最后，代碼將實現新墻類型默認放置方式.在Revit API 官方參考指南與以往其他Revit 墻構件的二次開發案例中，墻實例生成通常只能依托于三維坐標點（X，Y，Z）進行連線后放置.這種基于三維坐標點進行連線的墻實例生成方式，在實際設計工作中局限性較大，難以真正達到通過Revit 二次開發實現操作簡便，工作高效的研究目的.為解決這種困難，本程序集的代碼另辟蹊徑，通過使用SetDefaultElementTypeId 函數將彩鋼板隔墻設置為默認墻體類型，接著使用PostCommand 函數實現默認建筑墻類型放置，從而間接地使新墻類型實現鼠標跟隨式放置.對于Revit API 新墻構件放置，官方代碼與升級代碼兩種代碼對比如圖9 所示.

圖9 關于Revit API 新墻類型官方代碼與升級代碼對比

對墻體放置代碼的升級后，代碼在內容上更為簡潔，由于不存在水平坐標、標高、偏移等過多的變量而不易導致出錯；從功能上看，可使Revit API 預設墻體具有與Revit UI界面默認墻體一致的跟隨鼠標放置效果，實現真正意義上的便捷式參數化建模.

2.3 PCR 實驗室地板構件建模的開發研究

2.3.1 PCR 實驗室地板構件特點

根據相關規范，PCR 實驗室地板構件要求具備無縫隙、無滲漏、耐腐蝕等特點[11].相較于墻構件，PCR 實驗室地板構件的選擇相對單一，在工程實際中，通常將PVC 材質運用于地板構件表面上.作為一種新型輕質地面裝飾材料，PVC 地板在結構上一般由耐磨層、印花膜層以及玻璃纖維層組成，其易清潔抗腐蝕的特性能夠滿足許多特殊場所的規范要求，因而被廣泛運用于各種生化醫療專業場所中.

在PCR 實驗室地板構件的應用上，PVC 地板結構較為簡單，主要工藝為在混凝土上鋪裝一層PVC 塑膠板.基于此，本研究將以PVC 地板為例，對PCR 實驗室地板構件進行參數化建模開發研究.

2.3.2 Revit API 地板構件參數化建模實現

在Revit API 中，地板構件與墻體構件的參數化建模實現方法基本一致，在代碼思路上，兩者都是通過獲取或創建特殊材質、創建新構件類型和放置構件實例這三個步驟完成功能實現；在代碼內容上，兩者所調用的函數有其相似之處，如獲取材質的FilteredElementCollector、結構層GetCompoundStructure 以及WPF 窗體交互等等. 由于篇幅限制原因，此處將不過多展開兩者相似的概念與操作流程等內容.

在創建地板構件類型的步驟中，相較于墻體構件，地板構件對復合結構層信息進行訪問操作時，除了設置材質厚度width 與材質顏色RGB 這兩個參數與用戶進行UI 交互，還需將EndCapCondition 端部條件設置為NoEndCap 無端部條件，從而使構件模型不受任何額外的材料或組件封裝其端部.如果不對地板構件的端部條件設置為無端部條件，將會影響構件模型的可視化渲染、碰撞檢測、幾何測量等方面的效果，導致模型信息不準確.綜上，地板構件建模代碼實現如圖10 所示.

圖10 地板構件建模代碼實現

在實現構件放置的步驟中，不同于墻體構件的跟隨鼠標放置，地板構件將通過自動識別房間邊界進行地板放置.在Revit 初始化的設置中，地板的放置一般需要自行繪畫邊界線，在操作上較為繁瑣且容易出錯.為了解決以上弊端，在本二次開發工作中將采用目前國內外Revit 二次開發案例中較為前沿的自動識別邊界放置構件的編程思路，實現通過自動識別房間邊界放置地板構件.具體實現步驟為房間元素獲取、獲取房間元素邊界，以邊界進行地板放置.地板構件放置代碼實現如圖11 所示.

圖11 地板構件放置代碼實現

其中，在房間元素獲取的步驟上，由于房間元素較為特殊，屬于SpatialElement 空間元素，因此FilteredElementCollector 元素過濾器需要在代碼中針對空間元素進行過濾，若像普通元素直接進行篩選將導致過濾結果為空.在地板構件放置的步驟上，代碼將通過foreach 循環對所有的房間進行遍歷，若房間面積不為0，則使用GetBoundarySegments函數將每個房間的邊界進行獲取并設置為曲線數組.最終，通過使用Create.NewFloor 地板構件實例化函數，可將房間邊界的曲線數組設置為地板邊界線、房屋標高設置為地板標高，一鍵實現地板構件的放置.

3 工程實例研究

3.1 工程實例信息

某疾控中心PCR 實驗室平面圖如圖12 所示，其室內面積總計154 m2，按功能分區可分為污物通道、中央過道、PCR 實驗1 室、PCR 實驗2 室共4 個區域，并設專門緩沖室.其中，PCR 實驗1 室分為試劑準備室、樣品制備室、擴增與分析室、緩沖室3 個工作間，PCR 實驗2 室在1 室的基礎上將擴增與分析室拆分為兩個獨立工作間.

圖12 某疾控中心PCR 實驗室平面圖

按業主要求，該PCR 實驗室墻構件采用厚度50 mm，顏色RGB 代碼為（255，250，240）的花卉白色玻鎂夾心彩鋼板作為功能區隔墻，北面外墻為厚度200 mm 的輕質混凝土，需要在室內對其進行彩鋼板鋪裝.地板構件采用厚度為10 mm，顏色RGB 代碼為（0，139，69）的春綠色PVC 塑膠地板進行鋪裝.

3.2 建模分析與研究

通過使用加裝本研究插件的Revit 對PCR 實驗室進行建模研究，可得BIM 建筑模型如圖13 所示.針對該PCR 實驗室項目建模，可分為以下兩個關鍵步驟：

圖13 PCR 實驗室建筑模型效果圖

（1）墻體構件布置

在Revit 內完成軸網繪制之后，進入墻體構件布置環節.使用插件進行升級后的Revit可直接在“PCR 實驗室建筑建模”選項卡下選擇“彩鋼板隔墻”墻類型進行參數化建模.通過在WPF 彈窗輸入厚度50 mm 與RGB 顏色代碼（255，250，240）這兩個參數，將一鍵實現花卉色彩鋼板的類型生成與實例布置.實現彩鋼板隔墻在室內進行功能區隔斷布置后，可再次點擊“混凝土彩鋼板外墻”針對北面混凝土外墻進行布置，此過程不必再進行彩鋼板顏色參數交互.

（2）地板構件布置

在完成墻體構件與房間布置后，進入地板構件布置環節.類似于墻體構件的操作，在Revit 功能區選擇“PVC 地板”按鍵即可進行WPF 彈窗參數交互，此處輸入厚度10 mm，RGB 顏色代碼（0，139，69）即可一鍵生成春綠色PVC 地板類型，并自動識別所有房間邊界進行地板構件實例化布置.

為驗證最終插件在PCR 實驗室設計建模工作中的可用性，功能性以及高效性，可將其與未使用插件的原版Revit 進行性能對比分析如表2 所示，分析結果如下：

表2 使用插件升級前后Revit 性能對比

（1）在可用性上，使用插件后的Revit 界面更加直觀友好，參數設置操作便捷；

（2）在功能性上，使用插件后的Revit 彌補了原本在PCR 實驗室建模內容上的缺失，提供了最基礎的建模能力，并可進行自定義建模參數，提供了更個性化的建模能力；

（3）在高效性上，使用插件后的Revit 在構件布置的操作方式上避免了繁瑣的手動設置，在墻體構件的布置上克服了以往Revit API 二次開發案例中只能定點布置的局限性，在地板構件的布置上可自動識別房間邊界進行布置，極大提高了建模效率.

4 總 結

本文采用C#程序語言對Revit 2018 進行二次開發，通過結合PCR 實驗室建設項目的構件設計特點，開發出一款能夠對PCR 實驗室墻體與地板兩種經典構件進行參數交互的建模插件.通過工程實例建模驗證分析，可得以下結論：

（1）該插件擴充了Revit 材質庫與構件庫，在一定程度上解決了Revit 軟件在PCR實驗室建設項目設計工作上缺乏針對性材質類型與適用性構件類型的功能短板問題.

（2）該插件在墻體構件的放置功能上克服了以往Revit API 案例中只能基于坐標點連線進行放置的局限性，通過將API 新墻類型設置為默認墻類型并自動放置，從而實現與Revit 初始墻構件一樣的跟隨鼠標動態放置效果.

（3）該插件在一定程度上解決了BIM 技術在PCR 實驗室建設項目這一方面的問題，可基于此進一步開發專屬各類實驗室領域的Revit 建模插件，或進行工程信息導出與模型效果渲染等方面研究.