空间网架网壳结构Revit参数化建模方法

2020-08-18李浩

铁路技术创新 2020年3期

关键词：网壳网架杆件

李浩

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 概述

1.1 BIM技术与Revit平台

目前，建筑信息模型（BIM）技术在建筑领域兴起［1］，与传统建筑设计方式相比具有明显优势，主要体现在以下几个方面：

（1）可视化：所见即所得，模型中各构件和组成部分与建筑实体映射，模型包含建筑实际信息。

（2）协调性：建筑设计涉及多方，业主提供需求、设计方给出方案、施工单位建成实体，在此过程中接口众多。传统设计流程和方式难以做到实时协调，项目管理难度极大。BIM技术提供了一整套协同工作方案，便于建筑设计各方沟通协作，提高建筑设计的效率和质量。

（3）模拟性：建筑设计考虑的技术因素极多，BIM模型是三维实体模型，在该模型的基础上进行一系列模拟试验，如节能试验、日照研究等，可进一步提高建筑设计的品质。

（4）优化性：BIM三维实体模型是现实建筑的计算机数据反映，在此基础上方便各方沟通，有利于设计、施工和运营的综合优化。

（5）可出图性：传统建筑设计依靠设计师对建筑的理解和把控，依次完成建筑分析和设计，最终大量时间用于绘制图纸上，效率较低；BIM技术可实现自动化出图，而且图纸专业程度极高。

BIM建筑设计流程见图1。建筑专业根据业主需求提供初始模型，结构、机电等辅助性专业在初始模型的基础上进行深化设计，最终向业主提交深化模型，深化模型用于后期建筑施工及运维。可见，BIM技术的主体就是模型。但由于技术极其复杂，涉及因素极多，实际BIM建筑设计应用程度与之还存在较大差距。BIM技术可应用于土木工程各领域，其中也包括铁路工程，如铁路设计施工［2］、铁路建设管理［3］与铁路桥梁施工运维［4］等。

图1 BIM建筑设计流程

目前在建筑设计领域，Revit是比较典型的BIM平台之一，相比其他BIM平台，它具有众多优势，主要体现在以下几个方面：

（1）可重复性建模：Revit平台采用“族模型”的建模方法，相同类型的族可重复应用在其他模型中，随着族库规模的发展，Revit建模速度和质量必将得到质的飞跃。

（2）多专业协同平台：Revit提供了多种协同工作模式，将BIM协同工作理念落到实处，且非常适用于实际建筑设计。

（3）后处理功能强大：可自动导出构件尺寸和体积等数据，便于概预算算量。

（4）视图联动：平、立、剖、明细表多向联动，修改1处其余各处自动更新。

1.2 空间网架网壳结构

空间网架网壳结构［5］是常用的钢结构体系，主要分为网架和网壳（球面、柱面）2种类型（见图2、图3），非常适用于大跨结构，常作为体育馆、会堂、展厅、车站等的结构选型。由于BIM应用的不断推广，且空间网架网壳的大量使用，可以预见未来对空间网架网壳结构BIM建模的需求极大。

图2 空间球形网壳

图3 空间柱面网壳

1.3 参数化建模

参数化建模［6-8］是一种计算机辅助设计方法，具体指通过关键参数驱动生成结构模型的技术。常用的结构设计软件，如同济大学3D3S钢结构设计软件、盈建科结构设计软件（YJK）和Midas Gen结构设计软件等，均包含空间网架网壳结构的参数化建模模块。3D3S参数化建模界面见图4，Midas Gen参数化建模界面见图5。

但是，Revit平台未包含类似空间网架网壳参数化建模功能，因此，对空间网架网壳结构Revit参数化建模方法进行研究并提供解决思路。

图4 3D3S参数化建模界面

图5 Midas Gen参数化建模界面

2 网架网壳建模方法

在Revit中建立空间网架网壳模型通常有3种方法：直接建模、体量建模和模型互导。

2.1 直接建模

空间网架网壳由节点和杆件组成，坐标定位可以建立节点，根据节点连接关系可以建立杆件。直接建模法是指人工建立节点和杆件，利用Revit的修改编辑技巧建模。直接建模步骤见图6。

直接建模法可准确定位节点坐标，空间结构建模精准。但仅适用于规模较小的空间结构，对于较大规模的结构，直接建模法的工作量极大。

图6 直接建模步骤

2.2 体量建模

体量建模是Revit自带的建模功能，其理念是“整体→局部”建模。采用该方式建立空间网架网壳模型时，首先建立网壳或网架的表面，根据网格划分技术得到网格，在网格上布置杆件完成建模。体量建模步骤见图7。其优势在于，从整体到局部建模，速度有所提升；其不足在于，Revit自带的网格划分功能单一，仅适用于规则单层网壳结构，对于复杂结构建模较为困难。

2.3 模型互导

目前，一些软件可将模型导入Revit，如YJK结构设计软件，其导出模型的流程见图8。要使用该导出功能，需要另外安装较为庞大的转换程序，且导出过程会生成用户不需要的冗余信息；软件版本管理较为复杂，不同版本YJK软件需要安装对应版本的转换程序；且软件费用高昂，比较适用于需求较大的大型设计单位。

目前可用的空间网架网壳建模方法都有局限性，其参数化建模的解决方案亟待提出，相应方法亟待具体实现。

3 参数化建模方案

为实现空间网架网壳结构Revit参数化建模，有2种可行的方案，一种是建立参数族（见图9），另一种是调用Revit平台的编程接口制作建模插件。参数族是Revit扩展自身功能的重要手段，但对于空间网架网壳这种复杂结构，无法通过常规族来建立其模型。

图7 体量建模步骤

图8 YJK导出Revit模型流程

图9 Revit参数族示例

通过编程调用Revit应用程序接口（API）进行二次开发［9-10］可实现更为复杂的功能，这种方式与AutoCAD软件二次开发类似。传统建模方式是通过鼠标和键盘进行建模，Revit API接口中的每条命令均对应1个操作。通过编程调用接口可以实现间接操作Revit建模，这种方式建模精准，且效率极高。空间网架网壳结构Revit参数化建模思路见图10。

图10 Revit参数化建模思路

4 参数化建模实现

二次开发建模插件的实现主要包括2个要点：代码组织和建模算法，前者是指代码的结构布局，后者是指建模思路和策略。

4.1 代码组织

代码组织对于本插件极其重要，原因在于空间网架网壳结构非常灵活，类型极多而且新的结构形式容易被发明，因此本建模插件应该具备良好的扩展功能，便于后期添加新的建模功能。同时，用户界面的目的是引导用户输入参数，良好的输入区划分也很重要。

在本建模插件的建模界面中，插件输入区划分及含义见图11，用户依次选择结构类型、设置主要的建模参数、输入插入点坐标、选择不同部位杆件的类型，就可以把建模参数输入至程序。值得注意的是，主要建模参数的含义会随着结构类型的选择而变化，每种类型结构的主要参数含义在界面左上角图片中有所说明。节点是预先定义的自适应节点族，杆件是预先定义的自适应杆件族，前者通过坐标定义，后者通过2个结点定义，且长度会随着节点坐标而自适应。

图11 插件输入区划分及含义

用户在建模界面上输入建模数据后，程序会根据结构类型的不同将建模参数传递到不同的建模函数（CreateWangjia系列函数或CreateWangqiao系列函数）中，在每个函数中实现1种网架或网壳的建模（见图12）。因此，当需要增加新的结构类型时，只需要稍加修改建模界面中的结构类型，并添加新的建模函数，具有非常好的扩展性能。

图12 建模数据传递

4.2 建模算法

不同建模函数建立不同的空间结构，而在单一建模函数中，模型的建立依靠建模算法。建模的主要任务是定位节点，进而连接节点形成杆件。定位节点坐标时，应根据结构特点选择相应的坐标系统，对于空间网架结构，采用直角坐标系进行定位；对于柱面网壳，采用柱坐标系；对于球面网壳，采用球坐标系。建模顺序同样会影响建模难度，在本插件中采用“先主干，后枝叶”“先规律，后特殊”的建模思路。例如，对于单层凯威特型球面网壳（见图13），图中m为球面网壳环向分割数；n为球面网壳竖向分割数；L为球面网壳跨度；f为球面网壳矢高。整个球面网壳呈现出“总体规律，区域内部渐变”的特点，在建立单层凯威特型球面网壳的模型时，先完成环向和竖向骨干杆件的绘制，然后以此为基准点绘制各个区域中的杆件。

图13 单层凯威特型球面网壳建模思路

5 案例分析

为检验提出的空间网架网壳结构Revit参数化建模方法的有效性，针对单层凯威特型球面网壳，采用直接建模、体量建模、模型互导和参数化建模4种方法分别建模，并统计每种方法中节点定位、杆件连接和其他处理的用时，对比结果见图14。可以看出，参数化建模效率最高，其建模成果见图15；直接建模用时最长，效率最低；体量建模和模型互导效率居中，但各自局限性较大。