基于Revit的BIM模型參數化建模研究

常盛杰

（沈陽鐵道勘察設計院有限公司建筑及電氣化設計所，遼寧沈陽 110012）

0 引言

BIM技術是一種應用于工程設計、施工、運營維護的數據化工具，通過整合數據化、信息化模型，為各參與方提供協同的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面將發揮重要作用。隨著鐵路BIM 聯盟的成立以及BIM 技術在鐵路工程建設項目各階段的不斷應用，BIM技術在鐵路行業的應用成為發展的必然趨勢［1-2］。建立鐵路工程建設項目各專業實體BIM 模型，并在建模過程中進行修改與優化，是BIM 技術應用于鐵路行業的第一步。由于BIM 建模平臺內置模型的局限性，需要在實踐中建立新族對BIM 模型進行擴充，擴充的模型多以無參數約束的自由造型方式建立［3］。然而，對于結構形式較固定的實體，可預先設定一組對應關系和約束關系，再通過一組不大的關鍵參數集對實體進行描述，實體其他參數通過對應關系與約束關系得出，以實現參數驅動，大幅簡化實體模型的建立與修改過程，模型準確率也大大提升［4］。

目前，占據BIM 軟件市場絕大部分份額的Autodesk、Bentley、Dassault等3家公司均根據基礎設施建設領域的需求，提出針對自身軟件的解決方案，并展現出不同的優勢［5］。其中，Autodesk 公司的Revit 以其強大功能得到廣大工程設計人員的認可［6］，并憑借其在建筑行業的優異表現逐步成為市場占有率較高、應用范圍較廣的BIM 建模軟件［7］。以鋼結構避雷針塔為研究對象，通過Revit 二次開發，對實體BIM 模型參數化建模的實現方式進行研究。

1 Revit二次開發

通過對Revit 進行二次開發，將幾何參數與關鍵參數的對應關系和幾何參數間的約束關系與Revit 對接，實現基于Revit 平臺對新族的參數化建模。Revit API 提供了用戶與Revit 的接口，可實現訪問BIM 模型參數、創建UI 界面等功能［8］。需要說明的是，由于Revit API是Autodesk Revit 的類庫，在使用時除了要保證Revit 處于運行狀態，還要將建模過程中涉及的所有模型在Revit 環境下運行。對Revit 二次開發過程中使用的初始化與程序注冊、UI 界面創建、幾何圖元繪制3個關鍵部分簡述如下。

1.1 初始化與程序注冊

基于Visual Studio 2012 實現對Revit 的二次開發，在新建工程時需添加RevitAPI.dll（用戶與Revit 對接接口）、RevitAPIUI.dll（UI 界面開發）、Windowsbase.dll（UI 界面開發）等3個動態鏈接庫。如調用外部插件，需要對插件在Revit 環境下進行注冊，Revit 以.addin 文件實現對外部插件的注冊。在Revit 啟動時，會對指定路徑下的.addin 文件（路徑名：C：ProgramDataAutodeskRevitAddins2016）進行逐個讀取，并根據.addin文件記錄的外部插件路徑對外部插件進行加載。.addin文檔的格式要求不予贅述。

1.2 UI界面創建

Revit 允許用戶通過Revit API 在附加模塊面板上定制Ribbon 控件，并通過控件觸發相應的Revit 外部插件。在實現外部插件的過程中，必須實現IExternalCommand 接口，其接口內的抽象函數Excute 將作為外部插件的主函數調用［9］。另外，由于Revit API 提供UI 界面的局限性，以Windows窗體補充外部插件所需的界面其他功能，窗體本身作為外部插件的一部分被觸發執行。

1.3 幾何圖元繪制

Revit 對幾何圖元的繪制可通過對二維圖形進行拉伸、融合、旋轉、放樣及放樣融合等5種操作完成，在Revit API 中，對應提供 Extrusion、Blend、Revolution、Sweep、SweptBlend 等5種方法實現上述操作，具體實現流程將在下文詳述。

2 參數化建模

2.1 鋼結構避雷針塔結構

選取鋼結構避雷針塔為實現BIM 模型參數化建模的研究對象。依照國家建筑標準設計圖集《防雷與接地》［10］（D501-1～D501-4，簡稱圖集），將鋼結構避雷針塔分為角鋼避雷針塔（GFL 塔）、鋼管桿避雷針塔（GH 塔）和避雷線塔（GFW 塔）。擬選取GFL1 系列鋼結構避雷針塔（簡稱GFL1 塔）為BIM 模型參數化建模的實現樣式，高度范圍20～40 m。

GFL1 塔的結構可劃分為塔尖、塔身和基礎，各部分通過螺栓連接。塔尖為圖集定義的標準樣式A01 塔尖，長度范圍1.5～3.5 m，為鋼管結構，管間通過螺栓連接，針尖采用焊接，底部法蘭盤與塔身通過螺栓連接，與底部鋼管通過加強肋焊接。塔身為塔架式鋼結構，以塔段為單位，塔段間以橫撐分隔，每塔段設4根角鋼柱和若干斜撐，角鋼柱與斜撐通過螺栓連接，塔段間橫撐及角鋼柱間通過螺栓、背板及包鐵連接。圖集將塔身各塔段由上至下定義為A—G 段，A 段為3 m，其他各段均為5 m。角鋼柱與基礎通過塔腳板和預埋于基礎的地腳螺栓連接。

依照圖集定義，避雷針塔的基礎可分為獨立基礎（JA）和聯合基礎（JB）。JA全塔4根角鋼柱共用1套基礎，JB 全塔每根角鋼柱配置1 套基礎。圖集提供JA-1～JA-8 型（25 m 及以下避雷針塔使用）以及JB-1～JB-8型（25～40 m避雷針塔使用）基礎供設計選用。需要說明，圖集定義了20、25、30、35、40 m 共5種塔型的塔尖、塔身和基礎的選取及詳細做法，而對于其他高度的非標準避雷針塔，則需對圖集中所定義的塔尖或部分塔段進行修改。

2.2 模型粒度

多層次細節（Level of Detail/Development，LOD）原用于定義同一實體在視點距離不同時，對模型粒度的不同要求，亦用于通過模型的非幾何信息累積程度定義模型所屬項目的發展階段。美國國家BIM 標準第3版（NBIMS V3）依照LOD將BIM模型劃分為5個粒度等級，即LOD100～LOD500［11］。具體劃分原則見表1。

引入LOD 對幾何信息粒度的等級劃分以對模型幾何信息的粒度進行定性描述，并作為建立鋼結構避雷針塔BIM模型的基本粒度原則。結合鋼結構避雷針塔的結構特點、參數化建模實現研究的深度要求和LOD對模型粒度的等級劃分，選擇LOD300即施工圖等級作為實現鋼結構避雷針塔參數化建模的粒度等級。

表1 模型等級定義

2.3 關鍵參數及非標準塔建模原則

設置鋼結構避雷針塔的目的是保護處于塔下的設備免受雷擊過電壓的侵入。根據被保護設備的幾何特點和功能特性，確定鋼結構避雷針塔在被保護設備各高度下所應提供的保護半徑，是鋼結構避雷針塔最基本的設計要求，也是設計的第一步。根據《工業與民用供配電設計手冊》對避雷針塔保護半徑的計算方法，設避雷針塔塔高為h，避雷針塔保護半徑隨h增加而減小，并以h/2 為界分別滿足不同的對應關系［12］。總之，避雷針塔保護半徑與設備高度成反相關，與塔高成正相關。綜上所述，塔高h是鋼結構避雷針塔的唯一關鍵參數。如前文所述，圖集已對幾種標準塔高的型制作了詳細規定，而非標準塔高的鋼結構避雷針塔在型制上需對圖集所提供的標準塔型進行微調。A01塔尖的可調高度范圍為1.5～3.5 m，如使用標準塔段組合，僅調整塔尖高度即可滿足塔高要求時，無需對塔段鋼結構進行任何調整；如不能滿足，需將A塔段由3 m向上延伸至5 m，再根據塔高和塔段高度調整A01 塔尖高度，此時改用直徑189 mm 塔尖法蘭盤、底邊80 mm 寬加強肋。如仍不滿足要求，需將底段（即X1 段，X 取D—G）由5 m 延伸至6 m，并相應調整塔尖。鋼結構避雷針塔幾何邏輯關系見圖1，依照塔高選取塔段、基礎及針尖的原則見表2。

圖1 鋼結構避雷針塔幾何約束的邏輯關系

表2 塔段、基礎及針尖選取原則

2.4 參數化建模實現

在實現鋼結構避雷針塔參數化建模的過程中，仍使用圖集所定義的各塔段和塔段連接關系，僅在必要時對A 段和X1 段在保持原有結構形狀的基礎上進行長度延伸。因此，在實現參數化建模時，分別預先繪制出表2 中的塔段及基礎，根據表2 序號命名并建立族文檔。在進行參數化建模時，要保證各族文檔在Revit 環境下始終處于運行狀態。由此可見，對族文檔的選取是實現鋼結構避雷針塔參數化建模的第一步，根據鋼結構避雷針塔參數化建模的塔段選取原則，列舉關鍵代碼如下：

完成塔段與基礎的選取后即可繪制塔尖。塔尖高度范圍為1.5～3.5 m，基于Revit 二次開發完成對塔尖的繪制。塔尖由法蘭、加強肋、鋼管、針尖、螺栓和鋼管封口組成，鋼管根數和長度的設置由塔尖高度和鋼管間幾何約束關系確定；法蘭的直徑和加強肋的底邊長度由A 塔段的頂部尺寸確定，法蘭厚度采用圖集標準尺寸10 mm，加強肋尺寸則基于圖集尺寸并依法蘭尺寸與圖集標準法蘭尺寸的比例進行縮放；針尖高度設置為200 mm，底部直徑與塔尖最頂部鋼管直徑相同。具體的塔尖裝配關系及尺寸間約束關系見圖2，塔尖鋼管選取原則見表3。

圖2 塔尖裝配關系與尺寸約束關系

表3 塔尖鋼管選取原則

基于Revit 二次開發實現塔尖繪制時，首先應建立幾何平面（geometryPlane）與工作平面（SketchPlane）。然后，在工作平面的基礎上，根據不同零部件的幾何特點，結合Revit API 提供的幾何圖形操作方式繪制零部件，最終將繪有塔尖的鋼結構避雷針塔族文檔進行保存并載入項目。法蘭的繪制以法蘭盤立面輪廓為繪制輪廓，經旋轉操作生成，法蘭孔的繪制方法與法蘭基本一致，僅將繪制屬性由實心改為空心；鋼管的繪制方法也與法蘭基本一致，但鋼管間應保留400 mm 重疊部分用于螺栓連接，鋼管空心部分和鋼管孔的繪制方法與法蘭孔一致，應注意鋼管壁厚大于3 mm；針尖的繪制以最頂部鋼管半徑為橫直角邊，以200 mm 為豎直角邊，繪制直角三角形輪廓并旋轉生成；加強肋的繪制采用拉伸生成；螺栓的繪制以法蘭孔、鋼管孔圓心為基準點，螺栓桿繪制方法與法蘭相同，六角螺母則采用拉伸六角形輪廓的方法繪制；鋼管間封口部采用融合方法繪制，不予贅述。需要說明，由于塔尖各零部件的繪制代碼存在較大共性，以B段鋼管為例，通過列舉其關鍵代碼，對塔尖各零部件基于Revit 二次開發的實現過程進行舉例說明，關鍵代碼如下：

如前文所述，信息輸入界面是基于Windows窗體繪制（見圖3），最終繪制成果見圖4。

圖3 信息輸入界面

圖4 成果展示

3 結束語

以鋼結構避雷針塔為研究對象，以Autodesk Revit為實現平臺，以Revit 二次開發為實現手段，對BIM 模型參數化建模的實現方式進行研究。在實現參數化建模的過程中，闡述在Revit 二次開發過程的部分關鍵內容，并針對鋼結構避雷針塔結構對其參數化建模的設計與實現方式進行研究。實踐表明，實現BIM模型的參數化建模可減少因模型重建而造成的時間浪費，提高設計準確率與靈活性。鋼結構避雷針塔參數化建模的實現流程可為其他設備的參數化建模實現流程提供參考。