基于Revit的桩基承台自动设计算法

张维锦，陈五琴

基于Revit的桩基承台自动设计算法

张维锦，陈五琴

(华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013)

针对Revit自有的功能构建建筑信息模型(BIM)效率较低等问题，基于Revit二次开发，在没有桩基承台平面布置CAD图的情况下，通过识别由结构分析软件生成的柱(墙)底内力图的图元信息，提出了一种桩基承台自动设计算法。该方法以Revit制作单桩竖向承载力特征值计算表为基础，在C#中编写算法程序。根据桩基承台的构造和上部结构的要求自动设计出桩基承台，并将满足承载力要求的桩基承台准确地布置在相应的柱(墙)下，其显著地提高了桩基工程建模效率，且为后续工程量计算以及不同桩基础经济性比较提供便利。

Revit二次开发；CAD；桩基承台；工程量

国家越来越注重绿色节能，提倡绿色建筑，从而达到节约资源、保护环境和减少污染的目的。建筑信息模型(building information model, BIM)技术[1]的产生为这些目标的实现提供了可能，BIM强大的信息集成和共享优势，体现在整个建筑生命周期中。Revit作为三维参数化BIM软件，具有结构设计和建模的强大功能，为结构分析软件提供双向连接的可编程API接口[2]，但是Revit仍存在建模效率较低，涉及专业领域不全的缺点。因此许多学者和第三方开发者对Revit进行二次开发[3]，橄榄山快模借助于一个中间文件，存储二维CAD图纸信息，再导入到Revit中快速完成三维模型的重建[4]。相比传统手工建模显著提高了建模效率，目前Revit二次开发的应用插件已有不少，但还未应用于桩基工程领域的相关软件或插件。本文提出的桩基承台自动设计算法是在没有桩基承台平面布置CAD图纸的情况下，通过识别由结构软件生成的柱(墙)底内力图的信息设计出满足抗冲切、抗剪切、抗弯和上部结构要求的桩基承台，并自动地将桩基承台布置在柱(墙)下。其为工程前期设计图纸不成熟，迫切需要为施工提供了便利，以便于后续计算桩基工程算量等工作的开展提供了可能。

1 单桩竖向承载力特征值计算

1.1 单桩承载力特征值计算公式

单桩的竖向承载力主要取决于2个方面：①土层对桩的支撑阻力，包括桩侧阻力和桩端阻力；②桩自身的材料强度。单桩竖向承载力特征值按《建筑桩基技术规范》[5]计算，即

其中，Q为单桩竖向极限承载力标值；为安全系数，取＝2。本文根据经验参数法，确定单桩竖向极限承载力标准值为

按照桩自身的材料强度，承载力为

其中，1为安全系数。

1.2 单桩承载力特征值计算表

根据上述公式，单桩竖向承载力特征值的计算主要分为3个部分：桩侧阻力、桩端阻力以及按混凝土抗压强度计算的承载力。运用C#语言编程创建窗体，并对窗体布局进行设计，通过图1可以实现图2单桩承载力特征值计算表的生成。

图1 制作特征值计算表流程图

图2 单桩竖向承载力特征值计算表

2 确定桩基承台中桩的根数

依据《建筑桩基技术规范》的桩基计算公式可初步确定桩基础中桩的根数，当桩基为轴心受压时，可按其计算为

当已知单桩的承载力特征值，还需要获取柱(墙)底内力，方法是将含有柱(墙)底内力图的CAD图纸导入到Revit中，通过框选得到柱或墙的截面信息和柱(墙)底的内力。一般通过相关结构分析软件得到的柱底内力CAD图有2种形式，如图3(a)和(b)所示，墙底内力如图3(c)所示。

(a) 柱底内力 CAD图1(b) 柱底内力 CAD图2(c) 墙底内力 CAD图

对截面轮廓模型端点的和坐标取平均值，计算柱截面的中心坐标。根据文字注释判断位于柱截面中心轴力、剪力和弯矩的位置方向，并分别存储在链表中。由于已知的单桩竖向承载力特征值，根据桩基规范给出的公式通过计算初步确定桩基础中桩的数量。

3 桩基承台的设计与模型生成

本文依据桩的根数、柱(墙)的截面尺寸以及承台的构造要求编译出能够自动设计满足上部结构要求的桩基承台的功能程序，通过不断地调整桩基承台参数来保证生成的桩基承台满足抗冲切、抗剪切和抗弯承载力要求。

由于柱截面的几何形状较为简单，程序可以自动判断其几何形状，而墙的几何形状往往较为复杂，需要人工干预确定。根据桩基上部结构的布置形式和承台的构造要求初步确定承台平面的几何形状，然后设计出满足上部结构要求的桩基承台。根据设计结果在Revit中创建族文档，添加桩基承台参数，建立桩基承台族，最终生成桩基承台的三维模型。

根据桩基设计相关规范，图4列举了单柱、双柱以及墙下桩基承台截面类型常见的几种形式，包括了单桩和多桩的情况，其中桩数为6根以上的布置形式与其类似，在此不做详述，图4(d)为某工程电梯井下桩基承台的布置形式。

本文假定初步确定的桩基承台类型为等腰三桩承台，如图5(a)所示，图中的，，1和2分别为桩的直径、桩轴心之间的水平距离、等腰三桩承台顶部桩的轴心到承台形心的水平距离、等腰三桩承台底部桩的轴心到承台形心的距离在方向的投影，2种承台类型的平面几何形状比较简单，不做赘述，假设通过程序判断出等腰三桩承台适用于其上部结构，如何生成其平面图形是后续生成三维模型的关键。

图4 常见桩基承台类型

(2) 连接1，3可得到2点的距离，根据承台构造要求，点1到射线5的距离要求为，通过直角三角形可求解角来确定5的方向向量。再根据点3的位置就可以生成射线5，同理根据4和射线6的方向向量生成射线6，并根据平台构造要求，作一条与轴平行且距离轴为2+的线段7，分别与射线5，6相交于点5，6，即可得出剩下的2个端点，如图5(c)所示，图5(d)为图5(c)左下角的放大图。

(3) 在Revit中依据等腰三桩承台平面几何图形的轮廓线生成承台族，沿着截面轮廓线所在平面的法向量方向向下拉伸(为承台厚度)距离，则承台自动生成。将桩布置在1，2，3的位置，并向下平移100 mm的距离，便成功生成图6等腰三桩承台的三维模型。

图6 等腰三桩承台三维模型

(4) 桩基承台自动生成后不仅要满足上部结构要求，还应满足抗冲切、抗剪切和抗弯承载力要求。不同的承台类型则根据《建筑桩基技术规范》使用不同的计算公式，通过编程将承台参数代入公式对承台进行受弯、受冲切，受剪切承载力计算。若不满足要求，则继续地调整参数，重新计算，直至设计出满足承载力要求的桩基承台[6]。

4 桩基承台的自动布置

桩基承台的上部结构形式主要分为柱和墙(电梯井与墙类似)，要将独立的桩基承台布置在柱或墙下合适的位置，就得确定桩基承台在桩基工程中的位置坐标和方位角。

4.1 柱下桩基承台的自动布置

柱的截面几何形状主要有圆形、矩形、L形、T形以及工字形截面等。圆形柱布置桩基承台只需要获取柱截面的圆心坐标即可，而其他几种类型的柱截面则需获得其位置坐标和方位角，在此简要的对矩形截面柱进行阐述。

(1) 使用软件的识别功能获取矩形柱的截面轮廓线，从有序的柱轮廓线中得到其端点坐标，对所有柱轮廓线端点坐标和取平均值得到柱的中心坐标，将其作为矩形柱下独立桩基承台的位置坐标，确保独立桩基承台能在矩形柱下方。

(2) 要保证桩基承台转角方位与柱一致，还需要获取柱的转角，先判断出矩形截面轮廓线始边和终边(图7(b)中沿逆时针方向，0-1是始边，0-2是终边)的长短，然后求出笛卡尔坐标系中轴逆时针旋转到矩形轮廓线的始边和终边中的长边夹角。如果θ＜π (图7(b))，则矩形柱的方位角为θ；如果θ＞π (如图7(c))，则矩形柱的方位角为θ–2π。由此确定了矩形柱的转角方位，加上已知的柱位置坐标，在Revit中创建桩基承台族，便可在柱下正确布置桩基承台。

(a) 原位(b) θb＜π(c) θc＞π

4.2 墙下桩基承台的自动布置

墙的截面形式有“一字形”、“L形”和“矩形”等多种类型，如图8所示，截面形式比柱复杂的多，一般布置墙下桩基承台需要人为干预。针对“一字形”和“L形”2种墙类型，如何确定桩基承台位置需作简要的描述；“矩形”墙以及电梯井下的桩基承台布置方法与其类似，通过围成的闭合图形来找到中心坐标和方位角，便可布置好桩基承台。

(a) 一字形(b) L形(c) 矩形(d) 矩形

(1) 图9(a)墙的类型为“一字形”，通过3个点获取墙的定位信息，简化为图9(b)，2边尺寸相差较大。首先拾取图9 (a)墙中的1，2点，即获得了图9(b)中0-1线段的信息，将该线段中点坐标作为墙下独立桩基承台的位置坐标。0-1线段与笛卡尔坐标系中轴的夹角作为墙下独立桩基承台的转角方位，该夹角的获取方法与上述矩形柱的长边和轴的夹角获取方法相同。当拾取墙3点时，便可获取到图9(b)中0-2线段的信息，即得到墙的宽度，再计算其向量，并将要布置的桩基承台在0-2线段向量的方向上偏移墙宽度的二分之一距离，那么独立桩基承台轴线与墙的轴线重合，则有利于桩基承台受力均匀。

(2) 图9(c)墙的类型为“L形”, 同样将“L形”墙简化成图9(d)。通过拾取图9 (c)中墙的1，2和3点坐标来获取图9 (d)中三角形△012的中心坐标，将此坐标作为“L形”墙下独立桩基承台的位置坐标。图9(d)中0-1，0-2这2线段类似于上述矩形柱的始边和末边，则获取“L形”墙下独立桩基承台方位角的获取方法与获取矩形柱的桩基承台方位角的方法一致，其获取方法如4.1节所述，这里就不再重述了。

(a) 一字形(b) 简化一字行(c) L形(d) 简化L字行

5 桩基工程量的计算

在Revit中建立起桩基工程的三维模型，如何计算工程量是一项重要工作。工程量计算是业主管理工程建设、施工企业进行生产经营和确定建设工程造价[7]的依据。本文首先通过过滤方法获得项目文档中的所有元素，并遍历出所有元素的族实例，并保存在一个链表中，通过桩基承台中的桩数对桩基承台进行分类；再根据族名称细分出相同桩数但不同类族的桩基承台，每一种族又有不同的族类型，依据族类型再细分出同一种族类型中桩的不同类型，通过该分类原理可统计出桩基承台的工程量。

在上述过程中能够准确读取桩基承台族实例中的承台和桩的体积信息是关键一步，由于桩族是被嵌套在承台族中的，所以在整个桩基承台族实例中只能获取到承台实体的体积。桩族则要从编辑桩基承台族的文档中获取桩的几何实例，并获得桩的实体体积，得到单桩混凝土的工程量。并根据桩基承台的数量及对应的桩的根数计算出桩混凝土的总工程量，同时获取桩族实例的直径和长度，使得工程量的计算和统计更准确。图10为某工程桩基承台的工程量计算表。

图10的表格为DataGridView控件，通过程序获取桩基工程的工程量信息写入到DataTable中，并与dataGridView.DataSource绑定，则得到上述数据表。但为了方便计算，需将数据导出，即使用第三方插件NPOI生成Excel文件，并将工程量数据写入文件中，最终生成Excel表格，如图11所示。

图10 桩基承台工程量计算表

图11 桩基承台工程量Execl表

6 工程实例

已知某工程实例中部分柱(墙)底内力图，如图12所示。

(a) 柱底内力图(b) 墙底内力图

将建设工程柱(墙)底内力图的CAD图纸导入到Revit中，根据建设工程场地和地基的工程地质条件，在Revit制作单桩竖向承载力特征值的计算表，为桩计算竖向承载力特征值和确定桩的长度。再使用本文桩基承台自动设计和布置算法编写的程序，通过读取柱(墙)底内力图中柱(墙)的内力以及计算表中单桩竖向承载力特征值等数据信息，为柱(墙)设计出满足承载力要求的桩基承台，并将桩基承台自动布置在柱(墙)下，图13为其部分的三维模型图。

图13 生成桩基承台三维结构模型

布置完桩基承台后，再对其进行工程量统计，导出图14桩基承台工程量计算表。虽然其桩基承台种类较少，但也有效的验证了该程序的准确性和高效性。

图14 桩基承台工程量计算表

7 结束语

本文提出的桩基承台自动设计算法可以为桩基工程快速生成BIM模型，并在此基础上通过对桩基工程中不同类型的桩基承台进行统计，分别得出桩和承台的工程量以及相关信息，该程序功能应用于实际工程中显著地提高了设计人员的工作效率，能够满足实际工程的需求，但算法在桩基承台的配筋及钢筋[8]生成问题方面还需进一步的深入研究。

[1] 何关培. BIM和BIM相关软件[J]. 土木建筑工程信息技术, 2010, 2(4): 110-117.

[2] 张艺晶, 杜守军, 赵坤, 等. Revit软件二次开发和项目上的应用研究[J]. 河北企业, 2015(11): 121-123.

[3] 杨春蕾, 屈红磊, 郑慧美. Revit软件二次开发研究[J]. 工程建设与设计, 2017(19): 71-74.

[4] 王建宇, 王昕妍.二次开发实现从AUTOCAD到REVIT快速翻模技术研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2015(3): 111-115.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社出版, 2008.

[6] 葛晶, 周世光. 基于Revit平台BIM工作系统二次开发应用实例[J]. 建筑技术, 2017(12): 1317-1319.

[7] 林韩涵, 周红波, 何溪. 基于BIM设计软件的工程量计算实现方法研究[J]. 建筑经济, 2015, 36(4): 59-62.

[8] 张维锦, 龙飞宇, 张倞忆. 基于Revit的地下连续墙识别算法研究[J]. 华东交通大学学报, 2018, 35(3): 97-103.

Automatic Design Algorithm of Pile Foundation Cap Based on Revit

ZHANG Wei-jin, CHEN Wu-qin

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi 330013, China)

The efficiency of constructing building information model by Revit is rather low. Based on Revit’s secondary development, in the absence of the CAD drawings of pile foundation caps, an automatic design algorithm for pile foundation cap is proposed by identifying the primitive information of the internal force diagram of the column (wall) generated by the structural analysis software. The method is based on the calculation of the eigenvalue calculation table of the vertical bearing capacity of the single pile in Revit. The algorithm program is written in C#. Then the pile foundation cap is automatically designed according to the requirements of the structure and the superstructure of the cap, and the pile caps satisfying the bearing capacity requirements are accurately arranged under the corresponding columns (walls), which significantly improves the efficiency of pile foundation engineering modeling, and facilitates the subsequent engineering calculations and economic comparison of different pile foundations.

Revit secondary development; CAD; pile foundation cap; engineering quantity

TU 473.1

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040771

A

2095-302X(2019)04-0771-07

2019-02-25；

定稿日期：2019-04-23

江西省教育厅科学技术研究项目(150549)

张维锦(1962-)，男，福建永泰人，副教授，博士。主要研究方向为三维CAD及算量软件的开发与应用。E-mail：632634889@qq.com