基于BIM的管道吊架参数化插件研究

(河北科技大学建筑工程学院，石家庄 050018)

1 研究背景

随着社会的发展，越来越多的复杂、综合的建筑工程出现，许多大型工程都包含复杂的管道系统，设备设计师负责管道的型号及走向，但其吊架通常都是由安装方根据规范及经验现场布置，一般不做事前设计，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[1]。如何避免材料浪费，如何提高支吊架安装效率是当前需要解决的重点问题，而如何有效地运用信息技术是解决问题的关键[2]。

BIM(Building Information Modeling)，作为一种全新的技术，将建筑信息应用于建筑物的全生命周期，具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性、一体化性、参数化性、信息完备性的特点[3-4]。利用BIM可以实现建筑全生命周期的信息共享，对于项目的可视化管理以及项目各参与方的信息共享传递具有很大优势[5]。目前，BIM技术的研究主要集中在虚拟设计、虚拟施工和仿真模拟，BIM技术应用主要在机电各系统及综合管线、钢结构、预制装配、幕墙、室内装修、景观绿化等方面[6-11]。在安装工程中BIM技术主要应用在碰撞检查上，但对于管道吊架布置及受力校核应用较少。

本文基于BIM通用软件Revit，创建参数化吊架族。通过二次开发，增加了管道吊架布置功能，为管道布置吊架，并三维预览布置情况。开发了管道受力校核功能，对布置的管道吊架进行力学安全性能分析。可以帮助安装工程师提高施工的精确性。

2 研究思路

本文从参数化管道吊架族的创建、吊架布置、吊架受力校核三方面展开研究，确定该插件功能的工作流程[12]。图1为设计思路。

图1 设计思路

2.1 参数化管道吊架族的创建

参数化管道吊架族的创建原型参照《室内管道支架及吊架》[12]，管道吊架族主要包括吊杆、角钢横担、管卡等几部分。管道吊架族的精细程度直接影响到吊架的布置以及受力校核，是模型参数化思想的集中体现，也是BIM思想的核心应用。

2.2 吊架布置

管道吊架布置到管道模型中需要满足三方面的准备工作，首先是管道信息的提取，然后是管道吊架族的信息提取，最后通过程序实现布置。

2.3 吊架受力校核

吊架受力校核分析过程中仅考虑吊架荷载、管道荷载、介质荷载。首先获取管道数据和吊架数据，然后对吊杆抗拉强度、抗弯强度进行校核，最后对横担的抗弯强度、抗剪强度、局部承压、折算应力、挠度进行受力校核分析。若校核结果符合规范限值，则满足布置需要；若不满足规范限值，则生成错误校核文档，给出改进方案，供设计师参考。

3 开发平台及开发工具

从目前国内流行及应用度最广的角度考虑，采用Revit 2016平台、Visual Studio、C#、Revit API、Revit Lookup、Revit Add In Manager工具，进行二次开发，添加管道吊架参数化插件。

3.1 Revit 2016

Revit是Autodesk公司一套系列软件名称。Revit是即CAD后在国内应用最广泛的三维设计软件，包括Architecture、MEP、Structure三个专业。Revit具有可视化建模，二维、三维模型转换，视图关联更新功能，建筑图元的重要性随设计逐步深化，具有非常理想的渲染、漫游效果[13]。同时Revit的参数化修改引擎可自动协调修改，并且其兼容性、功能可拓展性，接口成熟度都比较好。综合性及独特性决定了Revit在建筑领域遥遥领先的地位，也正是选其为BIM平台的原因[14]。

3.2 Visual Studio及C#

Visual Studio是一套完整的开发工具，用于生成ASP.NET Web应用程序、XML Web services、桌面应用程序和移动应用程序。Visual Basic、Visual C#和Visual C++都使用相同的集成开发环境(IDE)，这样就能够进行工具共享，并能够轻松地创建混合语言解决方案[15]。C#语言作为一门简单、现代、优雅、面向对象、类型安全、平台无关的一门新型组件编程语言,凭借着其源自C/C++的语法风格,融合了Visual Basic的高效和C/C++的强大，再加上其创新的语言特性,刚一出世,就深受世界各地程序员的好评和喜爱,成为一颗耀眼的明星[16]。

3.3 Revit API、Revit Lookup及Revit Add In Manager

Revit免费提供开放的API，开发人员可以通过这些接口访问Revit[17]。Revit API几乎能对Revit各功能进行访问，从最初的只能访问文档中的对象，到现在可以实现多项新的功能，实现了分析和信息模型的集成，用户可以直接根据自己需求来扩展相应Revit功能，可以实现随时访问信息模型中所有的文件[18-20]。

Revit Lookup是Autodesk开发的插件，它可以帮助开发人员在开发过程中通过Lookup查找所需要的信息，大大地提高了开发人员的编码效率。

Revit Add In Manager也是Autodesk开发的插件，用于加载开发人员外部编写的动态库，在Revit二次开发调试过程中，极大地提高了代码调试的效率，其优点就是不用重新启动Revit就可以修改代码并再次进行加载和运行。

4 插件功能实现

4.1 吊架族的创建

族在Revit是一个非常重要的概念，一个族代表了一个三维图元，类似CAD中的点、线、面的图元一般，而Revit中的族可以定义多种类型，每种类型又可以定义多种参数，如尺寸、材质等[21]。Revit的族分为标准构件族、内建族、系统族[22]。吊架族是在公制机械设备族样板中创建的，还原了图集中管道吊架，内置了材质、横担长度、角钢腿长、角钢厚、管道外径、吊杆直径、吊高长度、管卡直径等参数。图2为图集中吊架，图3为参数化管道吊架族，图4为族参数。

图2 图集中吊架

图3 参数化管道吊架族

图4 族参数

4.2 吊架布置

利用Visual Studio 2015创建一个类库，在此类库中编写LoadForm类、command类，然后再Revit中调用。其中command类提供交互接口；LoadForm类编写了一个Windows界面，运用Button、ComboBox、Label、ListView、ElementHost等窗体工具，并且实现选择支吊架类型、载入族、管道及吊架参数获取、管道直径驱动吊架管卡直径、三维预览布置等功能。利用RevitAPI接口中“点选”，选中一根管道，通过族参数的读取，获得定位信息与管道截面信息，布置管道吊架。图5为布置吊架界面。

图5 布置吊架界面

4.3 吊架受力校核

针对吊架受力校核功能，利用Visual Studio 2015创建了类库，在此类库中编写了MainForm类、FunctionForm类、command类。其中MainForm类实现了单机账号密码设置，在此不再详述；command类实现了选择以布置的支吊架以及Revit的交互；在FunctionForm类中，首先提取管道长度、管道材质密度、介质密度、管道壁厚以及吊架的材质、吊架的各部分尺寸信息，然后根据GB50017-2017钢结构设计规范[23]中对于钢构件的受力公式计算吊杆的抗拉强度、吊杆的抗弯刚度、横担的抗弯强度、横担的抗剪强度、局部承压、折算应力、挠度。其中各部分限值以热轧钢Q235～B型钢材作为依据取得的抗拉限值、抗弯限值、抗剪限值、局部承压限值、折算应力限值、挠度限值。最后将限值与程序计算值对比分析，如果计算值小于限值则满足规范，如果计算值不小于限值则不满足规范，插件将给出错误校核文档，同时给出改进方案，供设计师参考。图6为校核界面。

图6 校核界面

由于管道吊架校核系统错误文档内容较多，在此仅展示部分文档，如下：

吊杆(1)

吊杆长度：600mm

吊杆直径：10mm

计算长度系数：1

圆形构件惯性矩：I=3.14*d*d*d*d/64(mm4)

允许长细比：400

抗拉强度公式：

式中：N-所计算截面的拉力设计值(N)；

f-钢材抗拉强度设计值(N/mm2)；

A-构件的毛截面面积(mm2)；

An-构件的净截面面积，当构件多个截面有孔时，即最不利的截面(mm2)；

fu-钢材极限抗拉强度最小值(N/mm2)；

吊杆(1)的抗拉强度计算值：56.9898997755546N/mm2；

吊杆(1)的抗拉强度设计值：215N/mm2；

吊杆(1)抗拉强度是否满足条件：满足。

5 结论

从目前国内建筑行业对于BIM技术的普及情况来看，如何将更多的设备信息应用到BIM模型中，如何提高建筑信息的利用率，如何打破专业之间的壁垒，是目前国内BIM发展的一个主要方向。从而得到以下几点结论：

(1) Revit软件功能在我国建筑行业中适用性有限，运用Revit二次开发手段不仅可以拓展Revit功能，并且可以探索出符合国内建筑行业规范、符合国内应用习惯的插件。

(2)在以Revit为核心建模软件应用中，族的应用是整个BIM流程的重中之重。在各专业的应用中，对于族库的建设不可或缺，族的参数化、精细化、专业化、规范化是整个建筑信息传递、打破建筑行业各专业壁垒的关键。

(3)对于Revit缺少管道吊架布置及校核功能，运用二次开发的手段，结合Revit二次开发工具、支吊架模型族、国家规范、模型简化受力计算等添加了Revit中管道吊架布置功能，并且对吊架进行校核，满足了管道吊架布置及校核的需求，在一定程度上解决了工程中类似问题。