基于BIM的管道支吊架辅助布置系统

刘济凡 熊 峰

(四川大学建筑与环境学院，成都 610065)

基于BIM的管道支吊架辅助布置系统

刘济凡 熊 峰

(四川大学建筑与环境学院，成都 610065)

基于BIM开发研究了管道系统支吊架的辅助布置系统，系统以通用BIM软件REVIT为平台，通过二次开发，创建了各类支吊架模型库，在管道设计图模型上直接添加支吊架模型，将管道支吊架安全复核与三维实体布置结合，精准确定支吊架位置并直观显现，提高了施工的精细度。同时提供了物料统计功能，为设计方案的比选和优化提供了便利。

BIM;Revit；管道支吊架设计；二次开发；精细化施工

1 研究背景

许多大型工程都包含复杂的管道系统，由设备工程师设计管道型号并布置走向。但其支吊架通常都是由安装方根据规范及经验现场布置，一般不作事前设计，图纸上也不作注明。因此支吊架安装比较随意，用量往往较规范要求偏多，常常造成较大浪费。特别在多层交叉等复杂部位，由于不进行计算复核，为了安全设置的支吊架数量时常偏多。

BIM(Building Information Modeling)，即建筑信息模型，是建筑工程项目各项相关信息数据的总汇。利用BIM，不仅可形象地展现建筑工程，还可进行各项过程仿真模拟及数据共享，提高各方协同工作效率，实现建筑业的精细化管理。BIM的出现为管道工程精细化设计与安装提供了基础，然而，目前在管道工程领域， BIM的应用主要用在碰撞检查，避免施工出错，对其它方面如管道支吊架的辅助设计等涉及较少。

本文基于BIM通用软件Revit，通过二次开发，增加了管道支吊架设计功能，为目标管线选定支吊架类型后，系统能自动进行力学安全性能分析，确定支吊架的位置。系统内置了建立了常规支吊架构件模型库，最终不仅能出二维平面施工图，还能以三维形式展现布置情况，同时还能统计各类支吊架的数量。本系统可以帮助安装工程师在施工前确定支吊架的布置方案，提高施工的精确性。

2 研究思路

分析结合传统的管道支吊架布置过程，从确定支吊架的类型、确定支吊架的安装位置以及支吊架的物料统计三个方面切入，结合常用BIM软件的工作模式，确定了该系统的必要功能和工作流程。

2.1 支吊架的类型的确定

由于管道布置方式多样，管线走向复杂，具体位置处支吊架的类型一般由安装工程师根据经验确定，因此系统内置各种管道支架的三维模型构件库，方便设计布置时直接调用。

2.2 支吊架安装位置的确定

对于某根(排)管线来说，确定支吊架类型后，需要明确其安装的位置，为此一般考虑以下两点[1]：

(1)支吊架数量：安装足够数量的支吊架才能承受对象管道的运行重量，不至于出现支吊架超载、损坏的现象。

(2)管道强度/挠度限制:根据管道设计理论与规范的要求，水平布置管道的支吊架间距确定应满足以下2个条件(以刚管道为例)：

a)强度条件：应控制管道自重产生的弯曲应力，使管道的持续外载当量应力在允许范围内。一般钢管道的弯曲应力不宜大于16 MPa。

b)刚度条件：应控制管道自重产生的弯曲挠度，使管道能正常疏、放水。管道的相对挠度应小于管道疏放水时实际坡度的1/4。对于可能产生振动或有抗地震要求的管道，还应根据其振因控制管道的挠度，使管道的固有频率值在适当的范围内。一般钢管道的弯曲挠度不宜大于2.5 mm。

对间距的确定，系统应提供人机交互界面，实现输入必要初始参数即可进行支吊架用量估算和强度与刚度验算的工作流，在此基础上实现支吊架的辅助布置。

2.3 物料统计

管道系统可能有多种支吊架布置方案，所以需要进行支吊架的物料统计，从而对成本进行估算，为各种方案的比选和优化提供依据。同时，统计支吊架数量也能方便施工备料，因此系统应提供自动分类统计各种支吊架数量的功能。

综上，总结了系统的内部逻辑框图(图1)。

3 开发平台及开发工具

目前BIM软件较多，对管道设计与碰撞检查，实际工程经常选用的有Revit、Magic CAD等，本系统为了从普及度、兼容性等角度出发考虑，选用Revit作为平台，Visual C#作为开发工具，进行二次开发，添加管道支吊架辅助布置系统。

3.1 Revit

Revit是Autodesk公司开发的一套BIM系列软件，其主要功能是建筑、结构、机电专业的三维信息化建模。利用Revit，可以将建筑项目所有的 图纸、二维视图和三维视图、明细表以及它们所携带的各类信息都集成在一个三维模型中，同时，Revit的参数化修改引擎可自动协调、同步在任何位置(模型视图、图纸、明细表、剖面和平面中)进行的修改。相较于市面上的其他BIM软件，Revit的兼容性、功能可拓展性更佳，应用程序接口也更为成熟。

3.2 Visual C#

Revit提供的API接口支持Visual C#和Visual Basic语言，其中Visual C#是微软开发的一种面向对象的编程语言，是微软.NET开发环境的重要组成部分。它是为生成在 .NET Framework 上运行的多种应用程序而设计的。C# 简单、功能强大、类型安全，而且是面向对象的。相较于VB，C#凭借它的许多创新，在保持C样式语言的表示形式和优美的同时，实现了应用程序的更加快速和高效的开发。

图1 系统逻辑框图

4 系统实现

4.1 新建管道支吊架族

“族”[6](family)是Revit 中的一个的概念，就如同AUTOCAD中的所有图元都是基于点、线、面的一般，Revit中的所有图元都是基于族的。一个族包含了一组同一性质的三维图元(如柱族、梁族、窗族等)，这些图元能够在族内定义多种类型，每种类型可以具有不同的尺寸、形状、材质设置或其他参数，参数的种类和数值可以手动添加和修改，与参数对应的模型的状貌也会随之变化。Revit本身拥有内容丰富的族库，包含了建筑/结构柱、建筑/结构梁、楼板、管道等等上百种族，不仅如此，使用Revit的族编辑器，还能够根据需求自主创建新的建筑构件和图形/注释构件的三维模型。

图2 单层U型吊架族

图3 双层U型吊架族

管道支架辅助布置系统开发的第一步就是建立可以供设计人员直接调用的支吊架的三维模型，利用Revit族编辑器，创建了一些常用的支吊架族[2]，包括单/双层U型吊架族、卡箍吊架族、角钢支架族(如图2～5所示)。这些族内的三维图元具有与实物相似的外形，内置了各种可供修改的参数，以单层U型吊架为例，它内置了吊杆长度/半径、吊梁长度、吊梁横截面长/宽、吊架对应管道半径等等共计八个参数，设计人员可以通过修改这些参数，使得调用的单层U型吊架模型的尺寸相符于实际的市场规格。

图4 卡箍吊架族

图5 角钢支架族

4.2 添加共享参数[6]

Revit中每一个构件模型都携带着自身的基本信息，以管道为例，Revit自带的管道构件包含长度、内径、外径、材质、粗糙度等等一系列可修改的属性参数，本系统的计算模块需要涉及到管道的运行重量、管道材料的弹性模量以及管道的截面惯性矩这些Revit构件本身不自带的参数，所以需要通过Revit内置的设置共享参数的方式将这些参数添加到对象构件信息中去(如图6～7所示)。

4.3 编写源程序 interface

为了实现Revit平台中的二次开发，需要利用Visual C 创建一个类库(Class Library)，在类库中编写Estimate(估算)类、Checking calculation(验算)类和Statistics(物料统计)类三个模块[3](图8)，最后在Revit中调用它们(图9)。模块的编写思路如下：

图6 共享参数添加界面

图7 属性界面中的共享参数

(1)Estimate类：编写一个可供用户输入数据的windows窗口，用户输入所选支吊架的拉力设计值(设为f)。利用Revit的API接口的“点选”和“读取参数”功能，用户可以选中需要布置的一根(或一排)管道，并从管道的共享参数中获取运行重量(设为g)，随后假设所有吊架平均受力，估算吊架的用量(设为n)，n=g/f(取整)+1.

图8 源程序编写界面

图9 Revit中外部程序调用界面

(2)Checkingcalculation类:以连续梁模型作为带支吊架管道的计算模型(管道对应梁，支吊架对应所在位置的铰支座),利用矩阵位移法[7]编写程序,计算出每一跨管道(相邻两铰支座之间部分记为一跨)的两端的弯矩, 以式(1)和式(2)为基础设计算法[4],[5]，分别求出此跨管道的最大挠度和最大弯曲应力,并判定计算结果是否符合规范，如果符合规范结束布置，如果不符合规范，利用API接口功能，系统自动高亮选中问题跨并弹出窗口显示该跨不符合规范项的数值。

ω″= -M(x)/EI

(1)

σmax= Mymax/I

(2)

(其中,ω″是挠曲线函数的二阶导数,M(x)是管道的弯矩曲线函数,EI是管道弯曲刚度,M是本跨最大弯矩, ymax是管道横截面上的最大纵坐标，I是管道截面惯性矩。)

(3)Statistics类：调用Revit的API接口提供的构件过滤器，以写入了各类型支吊架名称的“注释”属性作为过滤条件，遍历所有的已布置的支吊架，从而统计出各类型支吊架的数量。

4.4 系统应用特点

相较于传统的支吊架布置方式，依托本系统的管道支吊架布置有以下几方面的优势：

1)设计阶段本系统辅助设计人员对支吊架进行计算和设计，选择和优化各项方案，并在建筑三维模型中定位布置。

2)施工阶段，利用本系统，可以根据设计阶段完成的建筑三维模型，依次准确完成安装。

3)运维阶段，本系统中所有构件的基本信息在设计阶段就已经保存在三维模型，因此无论是查询或是修改都非常方便，当管道系统需要更换或者维修时，能很方便地获取相关信息。

图10 管道系统Revit模型

图11 局部展示和物料统计

5 工程实例

以北京某项目某层的管道系统Revit三维模型(图10)作为工程实例对系统进行了测试，完成后局部展示见图11,物料统计结果，本层共使用单层U型吊架35个、卡箍吊架41个。

以下以某排消防喷淋管道为例展示系统的运行过程。这排管道材质为钢材,运行重量设计值为0.000 26KN/mm，，弹性模量为200KN/mm2，管道截面惯性矩为114 877 64.5mm4(a),截面尺寸沿长度方向不变。

参考03S402室内管道支架及吊架图集，选用吊杆直径为12mm的单层U型吊架，允许拉力值为9.5KN[2](c)。使用Estimate类中的函数，计算出n=2(d)，在不和其他构件碰撞的前提下在这排管道上布置了两个吊架(e)，经系统验算，管道强度符合规范要求，而第二跨的挠度为8.11mm(f)，超过了规范规定的2.5mm，于是调整吊架位置(g)，再次验算，符合要求，在平面施工图上进行标注(h)，完成布置。

全部布置完成后，即可导出二维施工图，指导现场安装。

6 结论

目前国内BIM技术的应用逐渐普及，然而在工程施工中，对于如何利用BIM模型所包含的各类信息弥补设计与施工之间的断层、提高施工效率和施工精细化程度的研究仍处在发展阶段。本文针对管道支吊架设计、施工中存在的问题，建立了基于BIM通用软件Revit的管道支吊架辅助布置系统。通过该系统，工程师可以根据管道设计人员给出管道设计相关参数进行支吊架的布设,最终产出详细的平面施工图指导现场的安装施工。

该系统的建立在一定程度上优化了管道支吊架布置问题的解决方案,同时也显示出了利用Revit平台二次开发去解决类似工程问题的可行性。今后，可以结合更多的实际问题对Revit的二次开发技术作进一步的研究，以期推动工程施工向着信息化和精细化的方向不断发展。

[1]GBT 17116.1-1997,管道支吊架第1部分:技术规范,管道支吊架[S].北京:国家技术监督局,1997:35.

[2]GJBT-630,室内管道支架及吊架[S].北京:中国建筑标准设计研究所,2003.

[3]林邦杰.深入浅出C程序设计[M].北京:中国铁道出版社，2005.

[4]同济大学数学系.高等数学[M].北京:高等教育出版社,2007.

[5]孙训方,方孝淑,关泰来.材料力学(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社,2009.

[6]Autodesk Asia Pte Ltd.Autocad Revit Structure 2012应用宝典[M].上海:同济大学出版社,2012.

[7]单建，吕令毅.结构力学[M].南京:东南大学出版社,2011:209-223.

Design and Arrangement System of Pipeline Hangers based on BIM

Liu Jifan，Xiong Feng

(CollegeofArchitecture&Environment，SichuanUniversity，Chengdu610065，China)

Based on BIM technology, a design and arrangement system of pipeline hangers is developed in this article. Through secondary development of BIM software Revit, this system can calculate the stresses of hangers and determine the separation distance between hangers. After deciding the type of hangers and location, the system can take hangers from hanger database and show on three dimensional pipeline drawing. Construction engineers are able to operate this procedure directly on the pipeline design drawing. It makes up the gap from the design drawing to installation and provides a preparation for refined installation. In addition，the function of material statistics helps designers decide a better scheme and helps engineers prepare materials.

BIM; Revit; Pipeline Hangers (Supports) Design; Secondary Development; Refined Construction

刘济凡(1991-)，男，在读硕士研究生。主要从事BIM在施工中的应用方面的研究。

TU758.7:TU81

A

1674-7461(2015)01-0030-07