淺析某機場屋面鋼結(jié)構(gòu)深化BIM模型的參數(shù)化設(shè)計

奚春林

【摘要】某國際機場屋頂鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼基于曲面布置弧形構(gòu)件，所有構(gòu)件的板厚、螺栓選擇、配筋的類型等根據(jù)自身或者周邊進行計算后，選取不同的類型及規(guī)格。因此深化難度大、定位困難，傳統(tǒng)手動建模效率低、出錯率高。本文介紹一種通過Rhino軟件進行曲面、控制線建立，通過開發(fā)自定義Grasshopper組件與Tekla Structures進行參數(shù)化交互式BIM建模的一種程序設(shè)計思路，從而達到簡化BIM建模流程、提高建模效率。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計;BIM;Rhino;Grasshopper;Tekla Structures;參數(shù)化設(shè)計;交互式建模

1.屋面鋼結(jié)構(gòu)深化概況

某國際機場采用三角形狀設(shè)計，屋面覆蓋面積約30萬平方米，屋面結(jié)構(gòu)有40跨弧形單元，每跨中包含4～5個網(wǎng)殼單元，每個單元中包含136～510個網(wǎng)殼盒子組成。網(wǎng)殼盒子采用鋼板組合1.5～4.5米大小的盒子，盒子底部澆筑160mm的混凝土，盒子之間采用螺栓連接后組成結(jié)構(gòu)體系，鋼板盒子總數(shù)達到40000多個。由于組成盒子的底部需要按照建筑造型切割為弧形，造型又為雙曲漸變，因此每個構(gòu)件相似但又不相同。盒子的板厚由垂直方向的長度進行控制，連接螺栓數(shù)量按照連續(xù)跨設(shè)計（連接板左右二個單元的跨度尺寸進行控制），盒子底部設(shè)置混凝土配筋體系，同時單元中間部分盒子又開有天窗孔洞。參照國際慣例設(shè)計圖紙僅提供了控制點坐標(biāo)以及節(jié)點的計算原則，需要按照控制點位及計算原則搭設(shè)LOD400精度等級的BIM深化加工模型進行生產(chǎn)、安裝。

2.本工程屋面鋼結(jié)構(gòu)深化BIM模型的實施思路

2.1 深化模型軟件分析

在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段BIM搭建使用最為廣泛的軟件為Tekla Structures軟件，該軟件能夠在材料或結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的情況下，實現(xiàn)準(zhǔn)確細致、極易施工的三維模型建模和管理。對深化加工圖紙、加工數(shù)據(jù)及CNC加工銜接度高。在搭建模型均基于BIM對象（如：梁、板、螺栓對象），但對曲面不規(guī)則適用性差。需要其他軟件在三維空間中創(chuàng)建點、線導(dǎo)入后作為建模參考，才能創(chuàng)建BIM對象。

對于曲面造型建筑領(lǐng)域使用最廣泛的為Rhino軟件，Rhino軟件是基于NURBS為主三維建模軟件。能通過點、線精確創(chuàng)建NURBS曲面，快速便捷的通過曲面創(chuàng)建構(gòu)件的基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)點。但Rhino是基于點、線、面的三維建模軟件，并非基于BIM對象，后期出圖、管理、材料數(shù)據(jù)提取較為困難。

Grasshopper是基于Rhino軟件下可視化程序設(shè)計建模的插件，通過編寫建模邏輯算法，機械性的重復(fù)操作可被計算機的循環(huán)運算取代。程序設(shè)計簡單、快捷，與Rhino模型指令結(jié)合度高，能提供復(fù)雜的建模以及大幅度提高工作效率，同時邏輯計算模塊可以自主進行二次開發(fā)。

結(jié)合本項目的特點，通過對目前行業(yè)內(nèi)使用最為成熟、廣泛的軟件進行分析、選取，本工程屋面鋼結(jié)構(gòu)深化最終確定使用Rhino、Grasshopper與Tekla Structures各自優(yōu)點進行結(jié)合使用。

2.2 BIM模型搭建的實施思路

本工程屋面鋼結(jié)構(gòu)深化先由Rhino建立控制面，通過Grasshopper編制邏輯程序模塊，由建模參數(shù)計算后通過基準(zhǔn)面建立控制線、同時建立實體模型，由二次開發(fā)組件與Tekla Structures進行交互式建模，最終由Tekla Structures進行出圖、加工Grasshopper數(shù)據(jù)、CNC數(shù)據(jù)提取。二個軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，Rhino實體模型導(dǎo)入并不能夠進行后期出圖和數(shù)據(jù)提取，交互式建模采用位置信息、構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)的傳遞，為保證Tekla Structures的模型準(zhǔn)確性，后期把Rhino實體模型導(dǎo)入Tekla Structures對形體進行一次校對、復(fù)核。最終在Tekla Structures中以BIM模型對象形式呈現(xiàn)，與其他主體結(jié)構(gòu)體系軟件保持一致性，保證整個項目的銜接性及可靠性。

3.鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化深化設(shè)計

3.1 核心組件的二次開發(fā)介紹

為打通Rhino與Tekla Structures之間的數(shù)據(jù)交互，通過C#開發(fā)Grasshopper的自定義組件。對本次屋頂鋼結(jié)構(gòu)深化節(jié)點進行盤點，需要開發(fā)的Tekla Structures的建模功能有直梁、折梁、多邊形邊、螺栓以及物體切割。結(jié)合Grasshopper提供的SDK開發(fā)幫助、Tekla Structures的OpenAPI_Reference幫助文件進行二次開發(fā)。Grasshopper自定義組件開發(fā)的架構(gòu)如下：

提取Rhino中的參考線、參考點的數(shù)據(jù)來建立Tekla Structures中的對象，以直梁為例：

由于Grasshopper一旦數(shù)據(jù)輸入完整會即時計算，為防止不必要的運算和構(gòu)件重復(fù)創(chuàng)建，我們在開發(fā)模塊中設(shè)置了Eanble開關(guān)，僅在確認Rhino中的輔助線無誤時才會對Tekla Structures進行交互建模。

本工程的構(gòu)件是基于雙曲曲面，大部分構(gòu)件在三維空間中存在角度偏轉(zhuǎn)，在參數(shù)化建模時雖然可以對偏轉(zhuǎn)角度進行設(shè)置，但角度的計算對數(shù)學(xué)邏輯要求極高、難度極大。為解決角度偏轉(zhuǎn)問題，在完成輔助線時引入與構(gòu)件對齊的Plan與Tekla Structures中的用戶坐標(biāo)系進行匹配。在Tekla Structures建模前先建立與Rhino中Plan一致的用戶坐標(biāo)系，傳遞物體的控制點前先使用矩陣向量從世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)系（TransformationMatrixToLocal.Transform）后再進行賦值創(chuàng)建。在局部坐標(biāo)系中創(chuàng)建的物體僅需對坐標(biāo)Plan進行控制，基于世界坐標(biāo)系的角度偏轉(zhuǎn)，軟件自動完成計算。通過局部坐標(biāo)系有效的統(tǒng)一了不同構(gòu)件的三維空間位置。

建立完的Tekla Structures物體提取Guid值作為參數(shù)進行輸出，Guid值在Tekla Structures是唯一編碼，為后期再次查詢、操作物體提供查找依據(jù)（如：在該物體上創(chuàng)建螺栓、切割）。

3.2 參數(shù)化建模程序設(shè)計

3.2.1 深化逆向搭建控制面、控制線

在創(chuàng)建屋頂鋼結(jié)構(gòu)BIM模型前先逆向建立控制曲面，通過曲面進行控制生成控制線來進行控制物體的位置。從設(shè)計圖紙中提取坐標(biāo)點至Excel，同樣編制Grasshopper的程序讀取Excel的坐標(biāo)點進行展點，展點的同時對點的U、V值進行編號，后期網(wǎng)殼盒子的構(gòu)件編號與U、V值進行對應(yīng)，防止相似不相同的構(gòu)件查找困難。點通過Grasshopper安裝坐標(biāo)位置（X、Y值）進行排序后連成成為曲線，由網(wǎng)格曲線群來進行控制曲面。網(wǎng)殼盒子的板件、鋼筋位置均由網(wǎng)格曲線及曲面來進行位置控制。

3.3.2 參數(shù)化自動建模設(shè)計

雖然Grasshopper做好數(shù)據(jù)匹配，每個單元可以一次性完成建模，但本工程深化設(shè)計時規(guī)格、尺寸、數(shù)量需要計算后由參數(shù)進行驅(qū)動【如：U（V）向板厚由V（U）向的長度確定;節(jié)點板大小、螺栓數(shù)量有左右二邊的二分之一的長度確定;配筋的類型及尺寸有跨度確定;邊跨和中間跨的取值有完全相同】，數(shù)據(jù)匹配難度較大。因此我們在設(shè)計深化程序時簡化設(shè)計流程、同時選取的參數(shù)可以再進行一次人工復(fù)核，自動化建模采用一個網(wǎng)格計算一次，對中間必要條件的參數(shù)進行標(biāo)注顯示，人工復(fù)核時可通過標(biāo)注的參數(shù)進行判定。

Grasshopper特性是一旦有條件輸入或數(shù)據(jù)變更，便立即參與計算或者部分條件計算，我們計算的輸入條件較多（四個網(wǎng)格邊線及底部偏移參考面和周邊的八個網(wǎng)格線等），且工程計算又較為復(fù)雜、耗時較多。在輸入條件中設(shè)置一個計算開關(guān)，輸入時僅對輸入數(shù)據(jù)進行標(biāo)注確認，并不直接參與輔助線、實體模型的計算建立，完成所有參數(shù)輸入后，計算開關(guān)設(shè)置為True后才會開計算和建立模型。計算開關(guān)的建立改善條件輸入時的效率，避免產(chǎn)生不必要的計算。

參數(shù)驅(qū)動我們采用c# Script模塊直接輸入代碼進行計算判定，此部分代碼為本項目專用、無通用性，因此無需編譯單獨的插件模塊。Script模塊優(yōu)點：在計算時即時編譯代碼，可以實時調(diào)整計算代碼，方便調(diào)整參數(shù)及排除Bug。

在設(shè)計參數(shù)化自動建模程序時，為優(yōu)化計算、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、排Bug的便捷性，我們采用模塊化的設(shè)計思路。按照功能打成Group組，如：參考面計算、主構(gòu)件板塊、連接板、檁拖、鋼配筋等。對于一些重復(fù)使用的功能打包成為Cluster族，不但可以簡化主程序，修改功能或除Bug時僅需修改一次即可。

通過上述的程序設(shè)計思路，選用Rhino三維空間建模功能、Grasshopper的參數(shù)化、自動化功能、Tekla Structures 實體化構(gòu)件、加工圖、加工數(shù)據(jù)提取功能，通過開放的軟件接口把三者有機的進行結(jié)合，把各自軟件的優(yōu)點放大、揚長避短，使本次的屋頂鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計達到效率最高、深化更加便捷。

參考文獻

[1] RhinoCommon SDK documentation：Http：//developer.rhino3d.com/api/RhinoCommonWin/html/N_Rhino.htm

[2] TeklaOpenAPI_Reference.chm：軟件安裝文件夾＼Tekla Structures＼18.1＼nt＼help＼enu

[3] Grasshopper SDK ：http：//developer.rhino3d.com/5/guides/#grasshopper

[4]王奕修. Grasshopper 入門&晉級必備手冊. 清華大學(xué)出版社，2013年10月第1版

（作者單位：上海精銳金屬建筑系統(tǒng)有限公司 ）

【中圖分類號】TU318

【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）06-0060-04