基于Revit的预制剪力墙配筋设计软件研究

杨 谦 艾 旭 张 沂 李 洋 刘 洋 杨思忠

(1.北京市住宅产业化集团股份有限公司，北京 100073； 2.承德绿建建筑材料有限公司，承德 067000)

引言

传统装配式结构的方案设计、初步设计、施工图设计、深化设计等阶段均以二维图纸为传递媒介，处理图纸需要消耗设计人员大部分的精力，此过程容易出现信息不明等问题，造成设计失误[1]。而随着ERP与MES等信息化系统在预制构件厂的投入使用，迫切的需要建立基于BIM的预制构件深化设计解决方案，从而为预制构件厂实现工业4.0奠定基础。

目前，国内外也有一批装配式深化设计软件，比如Tekla、Planbar、ProStructure、PKPM-PC、YJK-AMCS等软件，但这些软件普遍存在售价高昂、编辑功能不灵活等问题。相对比之下，Revit以其强大的设计、数据交互、信息管理、协同工作等功能成为国内市场上使用最多、普及最广的BIM软件。Revit提供了API，通过调用，开发者可以根据自己的需要对Revit的功能用途进行扩展。因此，基于Revit的二次开发，成为满足国内BIM应用的最好选择之一。[2]

本文基于一种新型剪力墙构件——纵肋叠合剪力墙，通过分析BIM技术的应用，探讨了在工程实际中的实施方案，并从软件在工程实际中的运用出发，探讨了二次开发技术：提升软件的效率，扩展软件的功能，解决软件本地化应用问题，推动装配式建筑的设计与生产的深入结合。

1 墙板建模方法分析

在装配式预制构件的钢筋深化中，钢筋建模是困扰设计师进行装配式建筑构件深化设计的一大难点，主要原因有以下几点：软件操作困难、钢筋形式复杂、工作量大、软件功能欠缺。[3]

目前，在Revit软件中建立预制构件模型主要有两种方法：钢筋族[3-8]和构件族[9]。钢筋族法是指在项目文件中使用自定义族或系统族绘制或组装成预制构件模型，其中钢筋部分是使用Revit的钢筋族绘制完成。这种方法的优点是构件模型绘制灵活，可以随时方便的修改构件，并且可以对预制构件进行标注出图。缺点是Revit的钢筋族限制较多，稍微复杂的空间弯折钢筋就无法创建，并且钢筋族在使用的时候也非常繁琐，效率比较低； 构件族法是将整个预制构件包括混凝土、钢筋、预留预埋等整个构件做成族，根据需求的不同，构件族可以是参数化的也可以是非参数化的。这种方法的优点就是便于将预制构件整理成构件库，易于对构件进行复用。缺点是在项目文件中，无法对预制构件族中的钢筋和埋件标注，即无法对预制构件标注出图。

因此为满足工程实际应用需求，提出一种新的建模方法——组合族法，即在项目文件中使用多种族组装成预制构件模型，其中钢筋部分使用可载入族绘制。该方法能有效的适应预制构件深化设计全流程中各个阶段对模型的使用要求，并且预制模型可以随着深化设计的进行同步深化、应用。

2 纵肋叠合剪力墙设计标准化

装配整体式纵肋叠合剪力墙结构是北京市住宅产业化集团联合承德绿建、中国建研院等单位共同研发的一种新型装配整体式纵肋剪力墙结构。该结构的竖向构件采用具有专利技术的新型预制剪力墙墙板，水平预制构件与现有结构体系采用的产品相同。

如图1所示，纵肋剪力墙墙板是一种由两侧混凝土板及连接两侧混凝土板的纵肋组成的特制空腔型预制构件，主要用于装配式建筑的内墙； 墙板外侧可设置外叶板及保温板，可用于非夹心保温外墙及夹心保温外墙。空腔既可以直接上下贯通，也可以只设置在墙板下部钢筋连接区域，通过设置在墙板上部的浇筑孔实现贯通。特殊的墙板生产技术确保两侧混凝土板内的钢筋在空腔内部外露，通过现浇混凝土与插入空腔的下层墙板纵向钢筋形成直接搭接连接。

图1 纵肋剪力墙墙板示意图

该体系预制墙板采用纵向受力钢筋空腔内搭接连接、空腔成型精确建造、结构保温装饰一体化生产等技术，优势显著：

1)避免了套筒灌浆连接产生的施工不便、检测困难等问题；

2)形成了大尺寸预制墙板，降低了墙板接缝数量和吊运、安装频次，有效提高了施工效率；

3)实现了预制外墙板装饰、保温与结构同寿命，有效降低了维护成本；

4)体系整体性能良好，适用于80m以下高层建筑，有效解决钢筋间接搭接连接结构体系使用高度受限的问题；

5)体系经济效益良好，具有工厂投资少，转产快等特点。经测算，主体结构施工综合成本可降低100元/m2以上。

2.1 混凝土设计标准化

图2 墙板类型示意图

纵肋剪力墙墙板的混凝土部分主要由外叶板、保温板、内叶板和空腔等组成。按外叶板、保温板的有无，可将墙板分为内墙、外墙、夹心保温外墙三种类型； 按横截面形状可将墙板分为I型墙板、L型墙板、T型墙板三种类型，如图2所示。空腔可根据形状及功能分为贯通空腔、底部空腔、边空腔三种类型，如图3所示。其中贯通空腔横截面积大、体积大，减重效果好，混凝土浇筑便捷，相对应的纵肋部分体积小，预留预埋布置较为困难； 底部空腔的底部横截面与贯通空腔相似，上部为一直径80mm的灌浆孔，灌浆孔顶部设置下料凹槽，因此底部空腔体积较小，减重效果较差，相应的纵肋体积较大，预留预埋布置较为方便； 边空腔是上述两种空腔的补充，仅在墙板无法完全由贯通空腔与底部空腔排布时使用。

图3 空腔示意图

2.2 钢筋设计标准化

根据位置，将钢筋分为连梁、边缘构件、剪力墙、填充墙、窗下墙等区域。其中连梁、填充墙和窗下墙的配筋方式与传统套筒灌浆剪力墙构件配筋方式基本一致。边缘构件与剪力墙部分钢筋主要做了以下修改：

1)竖向连接钢筋上下皆采用环锚形式以减少钢筋搭接长度，同时剪力墙部分竖向连接钢筋采用双层Ф10@300，以减少竖向连接钢筋数量；

2)在墙板底部钢筋连接区域，增设竖向非连接钢筋，用于设置拉筋。

3 配筋软件开发

本文基于Revit API接口，对Revit软件进行二次开发[10]，实现了纵肋剪力墙墙板构件中连梁、边缘构件、剪力墙、窗下墙、填充墙钢筋的快速交互式创建，软件界面如图4所示。

图4 纵肋剪力墙配筋软件界面

为了使配筋程序能够快速开发、易于扩展、可靠运行，使用面向对象程序设计方法进行软件开发，并且在钢筋类内部使用模板模式等设计模式进行代码编写，软件类图如图5所示。

图5 纵肋剪力墙配筋软件类图

通过对现有深化设计软件的钢筋建模流程分析可发现，主要的钢筋建模流程分为两类：一类为Revit、Tekla、ProStructure这类平台型软件所使用的全能型钢筋建模流程，用户选择好对应的钢筋族以后，放置到模型中，再逐个调节属性信息以将钢筋调整为所需的尺寸并移动到指定的位置，最后再通过复制或者阵列功能完成最终的绘制； 另一类为PKPM-PC、YJK-AMCS这类国产软件所使用的全自动钢筋建模流程，用户只需要输入钢筋直径和钢筋类型，软件就会自动生成对应的钢筋及钢筋阵列。

然而上述两类建模流程在实际项目使用中都无法满足使用要求，第一类方法虽然能够满足设计师对任意形式的钢筋的绘制需求，但是步骤过于繁琐，效率低下又无法满足对深化设计周期的要求； 而第二类方法虽然建模效率很高，但是对预制构件钢筋骨架模型过于理想化，几乎没有给设计师调整空间，无法满足预制构件钢筋骨架多样化的建模需求。

综合以上两类建模流程，本文提出了一种半自动的钢筋建模流程，在满足设计师对钢筋建模灵活性的前提下最大限度提升钢筋建模效率，剪力墙水平筋为例的钢筋建模流程如图6所示。

图6 剪力墙水平筋建模流程

以剪力墙水平筋为例，配筋程序的具体操作步骤如下：

点击剪力墙水平筋命令，根据提示点击墙正面为工作平面，再点击如图7所示的墙板侧边线上的起点和终点；

图7 钢筋起点终点示意图

弹出剪力墙水平筋设置窗口，如图8所示，设置好对应参数后点击确定即可创建对应的剪力墙水平筋，如图9所示。

此时可以使用Revit命令对生成的钢筋进行修改，再点击钢筋阵列命令，选择需要阵列的剪力墙水平筋模型，弹出钢筋阵列设置窗口，如图10所示，按需输入钢筋间距，点击确定即可生成钢筋阵列模型，如图11所示。

图8 剪力墙水平筋设置界面

图9 生成的剪力墙水平筋

图10 钢筋阵列设置窗口

图11 阵列后的钢筋模型

图12 YWQ12配筋图及钢筋明细表

4 工程实例

某项目1#住宅楼为装配整体式剪力墙结构，竖向构件全部采用纵肋剪力墙，建筑总高度46.3m，地下3层地上16层，标准层层高2.8m，竖向构件范围为4～15层。选取1#楼中的YWQ12作为案例展示，YWQ12配筋图如图12所示。

首先使用Revit建立墙板混凝土部分模型，包括外叶板、保温板、内叶板和空腔。由YWQ12配筋图及钢筋明细表可知，YWQ12的钢筋骨架由4种不同规格的纵筋、4种不同规格的箍筋和1种拉筋组成。

使用“纵肋剪力墙—钢筋”软件“边缘构件—纵筋”、“边缘构件—空腔附加筋”和“钢筋阵列”功能完成纵筋部分钢筋骨架建模，使用“边缘构件—箍筋”和“钢筋阵列”功能完成箍筋部分钢筋骨架建模，使用“拉筋”功能完成拉筋部分钢筋骨架建模。构件模型如图13所示。

图13 依托本文开发软件建立的YWQ12模型

同时基于1#住宅楼开展了对比测试工作，在相同初始条件下(混凝土模型绘制完成，钢筋族绘制完成)，相同人员(在BIM团队中选取一名具有代表性的从事一年以上装配式BIM建模工作的较为掌握Revit软件的BIM工程师)，相同工作量(1#住宅楼17块外墙，1块内墙)，相比于使用Revit手动建模30～60分钟/块的建模速度，使用“纵肋剪力墙—钢筋”软件后可以实现5-15分钟/块的建模速度，并且模型的准确性和标准化程度更高，有利于与生产管理系统对接。

5 结论

综上所述，本系统在纵肋剪力墙构件配筋标准化的基础上，基于Revit二次开发，实现纵肋剪力墙构件配筋设计，拓展了BIM技术在装配式建筑深化设计中的应用，为预制构件钢筋的深化及优化，智能化下料、加工、隐检，算量与成本控制提供了模型及数据基础，本文的主要成果为：

(1)通过对纵肋剪力墙构件配筋标准化，明确了常用钢筋的种类、形状、尺寸参数及编号，降低了软件开发工作量。

(2)通过对现有软件钢筋建模功能的研究和分析，结合实际工程项目的预制构件钢筋深化设计需求，提出了一种半自动的钢筋建模流程，通过在流程中主动引入手动调整步骤，极大的增加了软件的灵活性，从而提升了配筋设计整体效率。

(3)通过某项目1#住宅楼项目案例的应用，实现了多种墙板，包括L型墙板、T型墙板等异型墙板构件的配筋设计，验证了本文提出的方法和程序的实用性，为今后的全面推广奠定良好基础。