基于AutoRevit 的水工建筑物构件正向设计方法及其应用研究

秦龙飞， 董华林

（1.河南华北水利水电勘察设计有限公司，郑州 450000；2.华北水利水电大学，郑州 450000）

1 引言

目前BIM 技术在设计阶段主要的应用方式是通过创建三维模型来排除图纸错误、 形成设计成果、提供项目演示。 这种“翻模”形式的使用前提是设计图纸已完成， 这并没有真正让设计人员使用BIM 技术[1]，甚至额外的BIM 翻模工作会加重设计任务， 增加设计费用， 延长设计时间进而激发业主、设计、施工等各方的矛盾，不利于行业技术革新，向前发展。

基于AutoRevit 的BIM 正向设计技术综合了系统工程理论和方法， 依托过程模型满足不同阶段的实际需求， 对于BIM 技术的普及有非常重要的推动作用。 BIM 正向设计会暴露传统的二维逆向设计难以发现的问题，减少二维设计盲区，将以往在施工阶段发现、 优化的问题在设计阶段进行预处理[2]。 通过对过程模型的参数加载使得模型服务后期施工和投产运维成为可能，为实现“数字孪生”工程打下了基础，这也是BIM 正向设计的最终目的。

本文针对水工建筑物构件的结构设计， 提出基于AutoRevit 的BIM 正向设计方法，研究总结了适合行业应用的水工建筑物构件正向设计一体化解决方案, 并通过AutoRevit 二次开发编制插件实现矩形渡槽槽身设计，解决AutoRevit 环境下参数化BIM 建模、BIM 模型基础上的结构计算和计算书编制三个关键技术难题。

得益于BIM 正向设计技术可视性、集成性、联动性、信息化的特点，设计人员可在短时间内根据不同设计方案完成不同的设计成果， 这为前期场地分析与方案设计、中期方案的深化设计、后期施工图以及详图设计提供坚实支撑。

2 基于AutoRevit 的水工建筑物构件正向设计一体化解决方案

一体化解决方案要切实服务设计阶段， 满足协同设计的需要，增加施工应用的接口，其中许良梅等研究了正向设计的设计流程与施工结合的关键技术难题，提出了需要深度探究的技术要点。 本解决方案采用在“母版”设计阶段以BIM 模型作为桥梁和纽带将各设计成果数据互通， 通过相互引用关联在一起，实现由BIM 模型输出设计成果，再由设计成果将数据反馈给BIM 模型的正向设计一体化解决方案。

这其中包括在AutoRevit 环境下参数化BIM建模、BIM 模型基础上的结构计算和计算书编制、基于BIM 模型的CAD 出图这三大部分的信息互动和设计交互， 利用BIM 技术的信息化能力将设计过程中的信息系在模型这一实现单位上， 并依靠模型信息的可视化来进行三维设计。 由此组成的正向设计一体化解决方案。

2.1 技术要点

2.1.1 预设BIM 模型

采用“母子版”的设计思路，预设好“母版”建筑物构件的三维模型，加载参数，形成BIM 模型。

2.1.2 “模-图”联动

对“母版”模型进行剖切形成细部图纸，形成“模-图”联动，确保修改模型设计数据时图纸随之更新。

2.1.3 参数引用

采取寻址ID 值的方法，进行数据追踪，读取模型参数并带入计算程序进行水工建筑物构件的结构计算。

2.1.4 数据交互

利用端口实现AutoRevit 与Office 的对接，实现数据互通， 将数据带入计算书模板， 编制计算书。

2.2 技术优势

图1 水工建筑物构件正向设计一体化解决方案流程图

在水工建筑物构件正向设计一体化解决方案中BIM 模型与设计方案为相互促进的关系， 这具体表现在随着设计的深入，模型信息化逐渐加深，而模型的数字信息又会反过来辅助设计。 相比于传统的逆向设计， 能有效的解决由于设计深度不足而导致的返工问题。 将极大程度的减少开展重复性的工作， 进而缩短设计所耗时间， 为方案比选，论证优化提供充足的时间。

3 AutoRevit 环境下矩形渡槽槽身参数化BIM 建模

三维模型只有加载上信息数据才能发挥BIM技术的优势， 正向设计技术的本质就是对BIM 三维信息模型的深度挖掘和拓展。 目前的从业人员中BIM 技术人才较少，且呈现会设计不懂BIM，懂BIM 不会设计， 会设计懂BIM 但不会管理的分散态势， 所以采取必要的方式标准化三维信息模型是首先要解决的问题。 鉴于此采用“参数化建模+AutoRevit 二次开发” 的方式， 让建模过程变得简单、快速，只需要控制关键参数，即可在改变母版模型后快速派生出个人化的子版模型， 省去了建模过程， 避免了因BIM 模型参数设置不足而导致数据、信息无法加载的问题。

3.1 技术要点

为了避免设计人员对BIM 模型中冗杂参数的错误修改，降低使用难度，故采取在AutoRevit 软件的功能面板中创建矩形渡槽选项卡，由AutoRevit 二次开发代替手动对模型参数的修改， 实现数据可视化的目标。 如图2 所示。

3.1.1 参数化建模

参数化建模更加侧重参数。 要保证参数的设置既能满足设计需求， 更要满足后期二次开发对数据的读取、引用，这就要求参数设置的更加全面保证参数对模型的整体控制。

在AutoRevit 中参数的属性分为类型参数和实例参数。 正向设计的思路是由“母版”推出“子版”所以，所有参数均设置为实例参数，确保将模型载入项目中后，依靠寻址模型ID 值的方式能收集、读取参数。

模型加载到项目中后， 原有的实例参数需要关联相应的全局参数才能将数据显示在项目模型中， 而在后期的数据读取时也包括对针对全局参数的检索。 图2 填写基本数据界面中输入基本数据的TextBox 的名称与全局参数的名称一致，使得用户在能将数据和模型一一对应。全局参数如图3所示。

图3 参数化建模

3.1.2 外部命令

AutoRevit 软件提供的外部命令接口为IExternalCommand，可以通过此接口与模型对接，读取模型参数、修改参数数据。 在AutoRevit 软件的定义中，每一个活动的页面即为一个Document（doc）文档，所执行命令的目标也必须在此活动文档中。 参数是加载到三维模型上的从属于三维模型， 所以只有先锁定到三维模型才能在三维模型的doc 中检索参数。 如图4 所示。

图4 修改参数代码关系图

依托于Document 中每一部分均对应唯一的ID 号，故可利用三维模型的ID 值锁定目标，读取文档，完成对参数的提取。 三维模型中加载的参数有两个要素：参数名称、参数值，修改参数的过程也围绕着这两个要素展开， 首先通过参数名称锁定参数，然后赋予相应的数值修改参数。

4 基于矩形渡槽槽身BIM 模型的CAD 出图

得益于正向设计中工程图纸都出自于同一个BIM 模型所以不论是初步设计阶段、 深化设计阶段还是施工图阶段BIM 设计出图的成果完全保证了各协同设计部分之间设计图纸的平、立、剖节点的一致性， 彻底消除了逆向设计时代图纸中存在的“错、漏、碰、缺”问题，设计质量大步提升。 且依托于BIM 技术“图-模”联动的技术特点，为后期的设计修改、更新带来更多的便利，质量得到更充足的保证。

4.1 技术要点

BIM 技术出图有其先天优势， 不同于传统CAD 出图需要设计人员针对性的绘图并调整各节点使之达成一致性， 在正向设计中平面图、 立视图、 剖面图等均是三维模型以不同角度进行投影的成果并且拥有准确无误、数量齐全、符合标准、能联动修改的特点。 作为母版项目中预先创建好的图纸分类， 在实际使用中设计人员只需要对槽底高程进行设置，即可得到完成的图纸。 图纸如图5 所示。

图5 落地槽槽身图纸

4.1.1 设定项目基点

AutoRevit 项目文件中是以坐标定位模型的，且采用的是项目基点和测量点的双重坐标原点定位模式。 本解决方案采用控制项目基点和测量点之间的距离并将其读取为槽底高程进而其他高程点随之变化的方式实现图纸高程自动化输入。

4.1.2 数据引用

使用上文提到的AutoRevit 软件的数据对接方式，写入设计人员输入的高程数据，并且需要同时将信息写入到注释族中。 图5 所示对钢筋混凝土的注释， 需要根据用户在图2 所示对话框中选定的钢筋混凝土强度而定， 由于注释族不同于参数族属于模型的基本信息， 所以需要首先获得注释族的值，而后再修改成目标数据。

5 矩形渡槽槽身BIM 模型基础上的模型计算和计算书编制

结构计算是判断设计方案是否满足需求的重要方式之一， 水工建筑物的结构计算包括内力计算和钢筋混凝土结构计算， 计算过程十分繁杂且各计算式之间的联系紧密， 一个关键数值的改动即可影响到整部分计算结果。 在逆向设计中，如若改动关键数值设计人员除了要对图纸进行修改更要花费大量的时间精力在修改计算书上， 一旦发生计算疏漏的情况便会导致计算结果前后衔接不上，增加在重复性工作上耗费的时间，不利于设计流程的优化升级。

基于AutoRevit 的水工建筑物正向设计技术采用“计算书模板+AutoRevit 二次开发”的模式将计算说明、计算公式、计算结果表格等编写进Word计算书模板中省去了设计人员手动编写的时间。通过AutoRevit 二次开发利用计算机强大的计算能力代替了人工计算，有效的缩短计算所需时间，减少计算出错率。

5.1 使用方法

（1） 设计人员在图2 所示对话框中输入完基本数据后点击“内力计算”按钮，然后切换到内力计算页面查看内力计算结果， 如若计算结果不能满足设计需求则返回基本数据页面修改基本数据从新进行内力计算。

（2）内力计算结果满足设计需求后，点击钢筋截面积计算按钮， 分别计算在满槽水深和设计水深时钢筋截面积的参考值。 而后据此参考值输入选配使用的钢筋根数、单根截面积、选配钢筋截面积。

（3） 选配钢筋数据输入完成后点击结构计算按钮， 进行正截面承载力计算和抗裂及裂缝宽度计算。 若选配的钢筋满足承载力和抗裂及裂缝宽度要求则导出计算书， 若不满足则返回上一步骤重新选配钢筋，输入钢筋数据，进行结构计算。 本文是以矩形断面渡槽侧墙底部界面钢筋混凝土结构计算为例的， 底板端部钢筋混凝土结构计算以及底板跨中钢筋混凝土结构计算操作方法同上。

（4）计算完成后导出计算书，具体操作为返回图2 所示基本资料页面， 点击导出计算书按钮即可把计算结果输出到计算书模板中， 导出计算成果。

5.2 技术要点

结构计算及计算书编制是数据交互最频繁的一部分，它涉及到模型和计算程序的数据互通，涉及到计算程序和Office 的数据引用。在编写计算程序时需要时刻注意数据的来源、 引用方式以及输出位置，实现计算结果的交叉使用，见图6。

图6 结构计算及计算书编制流程图

5.2.1 Word 计算书模板编制

Word 计算书是最终的交付成果之一， 在编制计算书模板时计算过程、 计算公式均需依照SL191-2008《水工结构设计规范》保证计算的完整性。

计算过程是由计算机程序完成的，Word 只作为计算结果的载体由程序将计算结果带入计算式的过程中， 所以首先要解决怎样锁定写入位置这一关键技术。 Office 软件中设置“书签”是一种让字符可被查询、定位的的方式，所以采用在计算书模板编写时计算式输出的结果先用书签代替， 在通过后期的二次开发让程序计算出的数值代替标签，实现计算结果的带入。

5.2.2 数据交互

BIM 正向设计技术信息化的优势是建立在数据无障碍交互的基础上的， 但AutoRevit 和Office软件是两个独立的个体，信息只能在其内部传递，所以只有通过二次开发搭建一个信息交互的桥梁，才能实现设计一体化的目标，充分发挥BIM 技术集成性的优势。 数据交互的代码关系图如图7所示。

图7 数据交互代码关系图

6 结语

基于AutoRevit 的水工建筑物构件正向设计一体化解决方案是充分发挥BIM 技术优势的最新研发成果，实现了高效参数化建模、结构计算及计算书自动化编制和自动出图， 极大程度上降低了BIM 技术的使用门槛，将有力的推动设计阶段的技术革新。 对于处理批量性的设计任务优势明显，相应的能减少设计人员投入，增加设计收入，提升设计院效益。 □