面向钢筋工程的参数化设计工具对比研究＊

陈 珂，段未珣，余 璟

(1.华中科技大学土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉市城市建设投资开发集团有限公司)

0 引言

钢筋工程是工程项目建设中的重要一环。现阶段，钢筋工程的设计主要利用传统CAD 软件完成，设计结果以二维形式呈现。在二维设计图纸中，钢筋构件为几何图素（点、线、圆等）的堆叠，其细化布局及更新往往需要大量人工调整，且无法直接从图纸中获取用于生产的设计数据，严重影响了钢筋工程的整体效率。

随着计算机技术的进步，参数化设计工具应运而生，为钢筋工程设计提供了新的解决方案。相比于传统CAD软件，参数化设计工具可以使设计过程保持从始至终的逻辑性，加强钢筋构件间的联动性，简化钢筋建模流程，具有高效率和精确性。王艺霖等利用参数化设计工具Dynamo，根据轮廓线完成隧道主体及钢筋模型的快速创建[1]。文志彬等将参数化理念与预制构件深化设计相结合，实现了叠合板钢筋模型的一键生成[2]。M.Li 建立了基于梁参数的纵向钢筋布局方法，通过更改参数值可以直接生成对应的钢筋布局[3]。R.Rempling 等研发了基于集合的参数化设计方法，能自动完成桥梁钢筋排版并开展结构分析[4]。

当前，市面上参数化设计工具的种类和数量正在逐渐增多。相关从业人员在选择工具时往往依赖直观感受和使用习惯，而不是根据设计任务以及不同工具的特点进行综合选取。因此，本文分析了钢筋工程主要使用的参数化设计工具，对比了各个工具的功能特点。分析结果有利于从业人员选择合适的工具，促进参数化设计工具在工程设计中的有效应用。

1 参数化设计工具分类

根据参数化设计工具是否提供直观的设计操作界面，将其分成两大类。第一类是数字化设计软件，其拥有参数化操作界面；第二类是脚本技术，即控制软件程序的脚本语言，能够对程序进行编码操作及下达指令。

1.1 数字化设计软件

应用于钢筋工程的数字化设计软件通常自带参数化的钢筋布置功能。例如广联达GTJ、PKPM-PC、ProStructures 等，可对矩形柱、梁等基本建筑构件直接进行参数化配筋，通过调整参数实现钢筋等级、形状、排布的修改。另外，Tekla Structures 为用户提供双T型梁、倒T型梁等特殊形状构件的钢筋自动布置功能，提高了钢筋建模的精度和效率。

数字化设计软件除提供常规构件参数化配筋功能外，也为用户提供自定义参数化功能，以提高模型重用性。如Microstation、OpenBuildings Designer、ProStructures 等软件均内含约束功能，可对几何体进行参数约束和几何约束。Autodesk Revit 可通过族编辑器自定义形状、性质、属性，独立地对模型进行编辑，并将其加载到各类项目中。PKPM 可以对自定义异形构件图元的相对位置和尺寸进行约束。同样在Tekla Structures 中，用户可以自定义零件、节点、细部和结合，这些均被称为自定义组件。Digital Project（简称DP）可以创建复杂的参数化组件，同时具备曲面造型功能。

除独立软件外，数字化设计软件也包含建立在相关软件平台上的插件，如Autodesk Revit 平台的Dynamo、Rhino 平台的Grasshopper 以及MicroStation平台的Generative Components（简称GC）等[5]。这三款可视化编程插件让用户可以直观地编写控制程序，处理对象不局限于模型，还包括各类数据，从而为用户提供了新的钢筋深化设计方式，降低了软件操作的门槛。

1.2 脚本技术

部分数字化设计软件自带参数化编辑脚本程序。例如，Rhino 提供的RhinoScript 可以通过对布筋算法的编程，实现钢筋的参数化自动建模。Planbar 提供的PythonPart 功能则是利用Python 编程语言描述参数化构件，用户可按照自己的需求进行定制化开发。Autodesk Revit也提供了相应的API，让用户可以通过Python、C#等编程语言自定义参数化构件[6]，并运用坐标法或投影法建立预应力钢筋，完成钢筋的设计建模工作。

2 参数化设计工具功能

现阶段用于钢筋设计的参数化设计工具所具备的功能主要包括创建钢筋宿主、深化设计、生产数据、可视化展示以及软件交互等五类。本文围绕这五类功 能，选 取 了Autodesk Revit2022、Dynamo 2.5、Grasshopper for Rhino5.0、Digital ProjectV1R4、Planbar2018、Bentley ProStrucutresCE Update5.2、Generative Components v8i、Tekla Structures2022、PKPM-PC2022、广联达GTJ2022等十款参数化设计工具进行分析。这些工具的功能信息来自官方提供的用户手册以及作者开展的用户调研。

2.1 创建钢筋宿主

钢筋宿主通常为三维形体模型，其模型建立逻辑顺序是由点连接成线，再生成面和体。Autodesk Revit、DP、PKPM-PC 等参数化设计工具已包含各类建筑构件库，可以通过属性设置高效地创建常规建筑构件。对于非常规构件，Autodesk Revit、PKPM-PC 可通过拉伸、放样等方式创建；Tekla Structures 提供螺旋梁、放样板等非常规构件；Prostructure通过Microstation 平台建立异形形体；广联达GTJ 通过在网格中绘制异形截面，生成异形构件。DP将点线面的建模逻辑由树形层级结构串联创建形体。可视化编程插件按照建模流程编辑算法建立模型，通过节点的方式实现了编程可视化，节点包括点线面体的创建、修改、查询等。对于设计师来说，可视化编程几何控制性好，但从点开始的几何形体绘制步骤相对繁琐。

2.2 深化设计

钢筋深化设计是对钢筋的排布、连接方式等进行深化，是后期工厂进行钢筋加工以及施工人员进行钢筋排布绑扎的依据。各类参数化设计工具提供了多样化布筋方法，可智能高效地布置各类复杂钢筋构件，提高设计效率。广联达GTJ 和PKPM-PC 提供基本构件柱、梁、板的钢筋参数化布置，可直接输入钢筋参数生成三维钢筋实体。Planbar、ProStructures 和PKPM-PC 可以直接把绘制的三维线条转化为钢筋构件，也可以按路径、延曲面批量布置钢筋。Tekla Structures 的横穿钢筋和纵向钢筋可以直接通过选择面来生成与建筑体拟合的钢筋，钢筋肢面功能方便钢筋的批量修改。另外，Dynamo 通过节点输入元素曲线、钢筋宿主、钢筋弯折角度、方向等信息，将曲线转化为钢筋且可设置钢筋之间的逻辑关系，以便节点程序的多次使用。

2.3 生产数据

用于生产的钢筋数据多以钢筋明细表形式统计，包括构件名称、构件数量、钢筋图、钢筋根数、长度、重量等。可以直接生成钢筋实体的参数化设计工具大多能自定义输出钢筋属性信息。例如，Autodesk Revit 可根据项目情况，在明细表中编辑相应公式，对各型号的钢筋进行总量汇总。Planbar 可为钢筋加工设备提供需要的生产数据，包括钢筋弯折机需要的BundesvereinigungBausoftware（BVBS）数据[7]。但是，部分参数化设计工具只能通过线条生成非实体的钢筋形体，因此无法输出全面的生产数据。例如，Grasshopper、GC 等建立的模型大多只包含模型的几何信息，缺少物理、功能等非几何信息，因而需要将设计模型导入到其他软件中进行完善。

2.4 可视化展示

为了实现钢筋模型精确可视化，使模型更加接近实物的质感和纹理，使建筑场景精细化，在模型骨架创建完后需利用软件将材质贴图、光线布置等与模型贴合。Rhino常用其他渲染器进行渲染，如Vary、Enscape、Lumion 等。Autodesk Revit 自带Autodesk Raytracer渲染引擎，基于物理无偏差的渲染，使不同材料的曲面显示真实自然。Tekla Structures 配置的DirectX 渲染为对象添加了细微阴影效果，使得三维可视化更清晰、轮廓更鲜明。DP 集成的Photo Studio 提供了光线追踪技术，具有真实的阴影计算和反射效果。Planbar和PKPM-PC则集成了CINEMA 4D渲染引擎。

2.5 软件交互

在钢筋工程中，设计软件需要与有限元分析软件、钢筋碰撞检查软件等进行数据互通，这要求软件能够提供多种文件格式，不发生数据丢失[8]。现阶段软件交互方式有直接调用模式、中间翻译交互模式和间接交互模式三类。直接调用模式是软件双方的一种理想化交互方式。为此，建筑领域制订了国际通用的面向对象的三维建筑产品数据标准IFC。中间翻译交互模式，即通过插件等方式对文件进行格式转换，使文件能够被识别，但数据之间在提取过程中容易出现信息的丢失与错误，准确性和传递效率不高。间接交互模式，即模型信息需要进行一定程度的处理和转化才能被识别。表1展示了十款软件可保存的典型文件格式。

表1 各款软件可保存的典型文件格式

3 参数化设计工具选择建议

钢筋作为受力结构，不同形态的建筑承载的钢筋形状和布置方式不同。因此，在选择钢筋参数化设计工具时，需要考虑不同的项目类型，才能有效提高钢筋设计建模效率，最大限度地发挥设计工具的作用。本文根据各个工具所具备的功能列举了适用于不同设计用途及建筑形态的参数化设计工具，如图1所示。

图1 参数化设计工具选择参考

从模型的实际应用出发，用于项目展示的模型需要建模速度快、不卡顿，各个构件更接近其真实质感，以便精确地分辨实体特征，因此要求设计工具几何引擎强，能保证模型运算速度和渲染效果。若该模型需与施工阶段对接，则要求其能够及时提供生产数据，参数化设计工具应能快速创建钢筋实体，且具备导出完整料单的功能。

从模型的建筑形态出发，钢筋形状、布置方法需与建筑形态相适应。线性建筑形态中的线条几乎可以用一阶方程进行模拟，建筑面大多为四四方方的平面，即由矩形的柱梁板墙等构件形成建筑体。这类建筑建模不需要软件提供丰富的非线性形体的几何处理功能，主要看重软件自身所具备的钢筋创建和布置功能，或较强的软件交互能力，能够在导入其他平台时保证数据的完整性。非线性建筑形态是指隧道、桥梁、管廊等基础设施或是由复杂曲线和复杂曲面所构成的大型场馆等建筑。这类建筑的曲线往往需要用到二阶甚至更高阶的方程表示[9]。针对采用曲率变化的形体，钢筋需要满足相应复杂变化情况，可能无法直接使用软件所提供的钢筋形状和构件钢筋参数化排布方式，因而需要自定义参数或使用特殊功能以人工方式批量创建钢筋。非线性空间曲面建模更看重背后的合理性与逻辑性[10]，所以对参数化设计工具的参数定制和参数之间的关联性要求更高。

Autodesk Revit、Planbar、PKPM-PC、TeklaStructures、广联达GTJ、ProStructures 等都含有常规建筑构件，适合用于线性建筑形态模型。Autodesk Revit、Planbar、Tekla、PKPM配置了专门的渲染引擎，渲染操作方便且渲染纹理清晰，适用于线性模型的项目展示。Grasshopper、GC、DP 建立的模型不包含建筑信息，但模型运算速度快、设计逻辑清晰、模型联动性好，可用于建立非线性模型项目展示的钢筋形体。Autodesk Revit、Planbar、TeklaStructures 软件配置了钢筋库，有常规钢筋形状；广联达GTJ、PKPM-PC、ProStructures也可以对常规构件钢筋直接进行参数化布置，因此这些软件适合用于线性模型的深化设计。Dynamo 作为逻辑构建和表现的工具，可以将设计过程的每一步可视化，并与下一步进行关联，强化了Autodesk Revit的参数化设计功能。ProStructures 异形形体可通过Microstation+GC 平台绘制，并针对异形构件设置由路径生成钢筋、由面生成弧形钢筋等批量生成异形钢筋功能。这两者不仅可以直接通过曲线生成钢筋实体，而且可通过可视化编程工具创建、修改并展示钢筋设计过程中的每一步逻辑关系，适用于非线性建筑形态的钢筋深化设计。

4 结论

本文对比了不同参数化设计工具在创建钢筋设计模型中的主要功能，并从设计模型应用场景、建筑形态等角度研讨了参数化设计工具应当具备的功能以及需要侧重考虑的需求。本文结论如下：

⑴参数化设计工具提高了钢筋工程从业人员的工作效率，优化了钢筋深化设计方式。具有相关参数的三维钢筋模型能够提升精准算量和设计结果可视化水平，有利于支持钢筋设计的精细化管理。

⑵针对项目展示需求，需要模型运算速度快、渲染效果好的参数化设计工具。目前部分参数化设计工具创建的模型不含建筑信息，运算速度较快，并且可对模型进行简单的着色，未来可以提升模型渲染的质感和光影效果。

⑶针对深化设计需求，需要具有钢筋实体建模以及导出钢筋料单功能特点的参数化设计工具。目前部分参数化设计工具已经提供了创建基本构件和钢筋排布功能，可以快速、高效完成钢筋深化设计。未来可进一步完善异形构件自定义参数化钢筋排布功能。