空間網架網殼結構Revit參數化建模方法

李浩

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 概述

1.1 BIM技術與Revit平臺

目前，建筑信息模型（BIM）技術在建筑領域興起［1］，與傳統建筑設計方式相比具有明顯優勢，主要體現在以下幾個方面：

（1）可視化：所見即所得，模型中各構件和組成部分與建筑實體映射，模型包含建筑實際信息。

（2）協調性：建筑設計涉及多方，業主提供需求、設計方給出方案、施工單位建成實體，在此過程中接口眾多。傳統設計流程和方式難以做到實時協調，項目管理難度極大。BIM技術提供了一整套協同工作方案，便于建筑設計各方溝通協作，提高建筑設計的效率和質量。

（3）模擬性：建筑設計考慮的技術因素極多，BIM模型是三維實體模型，在該模型的基礎上進行一系列模擬試驗，如節能試驗、日照研究等，可進一步提高建筑設計的品質。

（4）優化性：BIM三維實體模型是現實建筑的計算機數據反映，在此基礎上方便各方溝通，有利于設計、施工和運營的綜合優化。

（5）可出圖性：傳統建筑設計依靠設計師對建筑的理解和把控，依次完成建筑分析和設計，最終大量時間用于繪制圖紙上，效率較低；BIM技術可實現自動化出圖，而且圖紙專業程度極高。

BIM建筑設計流程見圖1。建筑專業根據業主需求提供初始模型，結構、機電等輔助性專業在初始模型的基礎上進行深化設計，最終向業主提交深化模型，深化模型用于后期建筑施工及運維?？梢?，BIM技術的主體就是模型。但由于技術極其復雜，涉及因素極多，實際BIM建筑設計應用程度與之還存在較大差距。BIM技術可應用于土木工程各領域，其中也包括鐵路工程，如鐵路設計施工［2］、鐵路建設管理［3］與鐵路橋梁施工運維［4］等。

圖1 BIM建筑設計流程

目前在建筑設計領域，Revit是比較典型的BIM平臺之一，相比其他BIM平臺，它具有眾多優勢，主要體現在以下幾個方面：

（1）可重復性建模：Revit平臺采用“族模型”的建模方法，相同類型的族可重復應用在其他模型中，隨著族庫規模的發展，Revit建模速度和質量必將得到質的飛躍。

（2）多專業協同平臺：Revit提供了多種協同工作模式，將BIM協同工作理念落到實處，且非常適用于實際建筑設計。

（3）后處理功能強大：可自動導出構件尺寸和體積等數據，便于概預算算量。

（4）視圖聯動：平、立、剖、明細表多向聯動，修改1處其余各處自動更新。

1.2 空間網架網殼結構

空間網架網殼結構［5］是常用的鋼結構體系，主要分為網架和網殼（球面、柱面）2種類型（見圖2、圖3），非常適用于大跨結構，常作為體育館、會堂、展廳、車站等的結構選型。由于BIM應用的不斷推廣，且空間網架網殼的大量使用，可以預見未來對空間網架網殼結構BIM建模的需求極大。

圖2 空間球形網殼

圖3 空間柱面網殼

1.3 參數化建模

參數化建模［6-8］是一種計算機輔助設計方法，具體指通過關鍵參數驅動生成結構模型的技術。常用的結構設計軟件，如同濟大學3D3S鋼結構設計軟件、盈建科結構設計軟件（YJK）和Midas Gen結構設計軟件等，均包含空間網架網殼結構的參數化建模模塊。3D3S參數化建模界面見圖4，Midas Gen參數化建模界面見圖5。

但是，Revit平臺未包含類似空間網架網殼參數化建模功能，因此，對空間網架網殼結構Revit參數化建模方法進行研究并提供解決思路。

圖4 3D3S參數化建模界面

圖5 Midas Gen參數化建模界面

2 網架網殼建模方法

在Revit中建立空間網架網殼模型通常有3種方法：直接建模、體量建模和模型互導。

2.1 直接建模

空間網架網殼由節點和桿件組成，坐標定位可以建立節點，根據節點連接關系可以建立桿件。直接建模法是指人工建立節點和桿件，利用Revit的修改編輯技巧建模。直接建模步驟見圖6。

直接建模法可準確定位節點坐標，空間結構建模精準。但僅適用于規模較小的空間結構，對于較大規模的結構，直接建模法的工作量極大。

圖6 直接建模步驟

2.2 體量建模

體量建模是Revit自帶的建模功能，其理念是“整體→局部”建模。采用該方式建立空間網架網殼模型時，首先建立網殼或網架的表面，根據網格劃分技術得到網格，在網格上布置桿件完成建模。體量建模步驟見圖7。其優勢在于，從整體到局部建模，速度有所提升；其不足在于，Revit自帶的網格劃分功能單一，僅適用于規則單層網殼結構，對于復雜結構建模較為困難。

2.3 模型互導

目前，一些軟件可將模型導入Revit，如YJK結構設計軟件，其導出模型的流程見圖8。要使用該導出功能，需要另外安裝較為龐大的轉換程序，且導出過程會生成用戶不需要的冗余信息；軟件版本管理較為復雜，不同版本YJK軟件需要安裝對應版本的轉換程序；且軟件費用高昂，比較適用于需求較大的大型設計單位。

目前可用的空間網架網殼建模方法都有局限性，其參數化建模的解決方案亟待提出，相應方法亟待具體實現。

3 參數化建模方案

為實現空間網架網殼結構Revit參數化建模，有2種可行的方案，一種是建立參數族（見圖9），另一種是調用Revit平臺的編程接口制作建模插件。參數族是Revit擴展自身功能的重要手段，但對于空間網架網殼這種復雜結構，無法通過常規族來建立其模型。

圖7 體量建模步驟

圖8 YJK導出Revit模型流程

圖9 Revit參數族示例

通過編程調用Revit應用程序接口（API）進行二次開發［9-10］可實現更為復雜的功能，這種方式與AutoCAD軟件二次開發類似。傳統建模方式是通過鼠標和鍵盤進行建模，Revit API接口中的每條命令均對應1個操作。通過編程調用接口可以實現間接操作Revit建模，這種方式建模精準，且效率極高。空間網架網殼結構Revit參數化建模思路見圖10。

圖10 Revit參數化建模思路

4 參數化建模實現

二次開發建模插件的實現主要包括2個要點：代碼組織和建模算法，前者是指代碼的結構布局，后者是指建模思路和策略。

4.1 代碼組織

代碼組織對于本插件極其重要，原因在于空間網架網殼結構非常靈活，類型極多而且新的結構形式容易被發明，因此本建模插件應該具備良好的擴展功能，便于后期添加新的建模功能。同時，用戶界面的目的是引導用戶輸入參數，良好的輸入區劃分也很重要。

在本建模插件的建模界面中，插件輸入區劃分及含義見圖11，用戶依次選擇結構類型、設置主要的建模參數、輸入插入點坐標、選擇不同部位桿件的類型，就可以把建模參數輸入至程序。值得注意的是，主要建模參數的含義會隨著結構類型的選擇而變化，每種類型結構的主要參數含義在界面左上角圖片中有所說明。節點是預先定義的自適應節點族，桿件是預先定義的自適應桿件族，前者通過坐標定義，后者通過2個結點定義，且長度會隨著節點坐標而自適應。

圖11 插件輸入區劃分及含義

用戶在建模界面上輸入建模數據后，程序會根據結構類型的不同將建模參數傳遞到不同的建模函數（CreateWangjia系列函數或CreateWangqiao系列函數）中，在每個函數中實現1種網架或網殼的建模（見圖12）。因此，當需要增加新的結構類型時，只需要稍加修改建模界面中的結構類型，并添加新的建模函數，具有非常好的擴展性能。

圖12 建模數據傳遞

4.2 建模算法

不同建模函數建立不同的空間結構，而在單一建模函數中，模型的建立依靠建模算法。建模的主要任務是定位節點，進而連接節點形成桿件。定位節點坐標時，應根據結構特點選擇相應的坐標系統，對于空間網架結構，采用直角坐標系進行定位；對于柱面網殼，采用柱坐標系；對于球面網殼，采用球坐標系。建模順序同樣會影響建模難度，在本插件中采用“先主干，后枝葉”“先規律，后特殊”的建模思路。例如，對于單層凱威特型球面網殼（見圖13），圖中m為球面網殼環向分割數；n為球面網殼豎向分割數；L為球面網殼跨度；f為球面網殼矢高。整個球面網殼呈現出“總體規律，區域內部漸變”的特點，在建立單層凱威特型球面網殼的模型時，先完成環向和豎向骨干桿件的繪制，然后以此為基準點繪制各個區域中的桿件。

圖13 單層凱威特型球面網殼建模思路

5 案例分析

為檢驗提出的空間網架網殼結構Revit參數化建模方法的有效性，針對單層凱威特型球面網殼，采用直接建模、體量建模、模型互導和參數化建模4種方法分別建模，并統計每種方法中節點定位、桿件連接和其他處理的用時，對比結果見圖14?？梢钥闯?，參數化建模效率最高，其建模成果見圖15；直接建模用時最長，效率最低；體量建模和模型互導效率居中，但各自局限性較大。

圖14 建模效率對比

圖15 參數化建模成果

6 結束語

目前空間網架網殼結構在Revit BIM平臺中缺乏行之有效的建模方法，因此提出空間網架網殼結構參數化建模方法，可以得到以下結論：

（1）通過調用Revit二次開發接口實現空間網架網殼結構的自動化建模，可極大提升建模質量和效率；

（2）本參數化建模插件具有良好的代碼組織，擴展性良好，便于后期添加新的建模模塊；

（3）Revit二次開發可以訂制個性化功能，是BIM正向設計的必由之路，所提方法也是對該方向的一個探索。