BIM技術下的裝配式建筑斜支撐可裝配性設計研究

夏振華

井岡山大學 江西 井岡山 343009

隨著建筑行業對高效、可持續和經濟的建筑方式的需求增加，裝配式建筑作為一種先進的建筑技術逐漸受到關注。然而，裝配式建筑斜支撐作為建筑結構中重要的構件，其設計過程面臨著一些挑戰和復雜性，受制于傳統理念，以往的設計方法往往依賴于經驗和直覺，缺乏可使用的系統性優化方案和智能化工具[1]?；贐IM技術的智能化軟件開發為裝配式建筑斜支撐的設計提供了新的思路和可能性。通過將BIM技術與參數化設計和智能化分析方法相結合，可以實現斜支撐的幾何形狀優化和裝配性能分析，并支持設計人員快速、準確和可靠地開展工作。

1 建筑技術系統在可裝配性設計中的發展概述

可裝配性設計（Design for Assembly，簡稱DFA）是一種設計方法，旨在最大程度地簡化產品的裝配過程，從而提高生產效率和質量。DFA方法將產品的裝配設計與制造過程緊密結合在一起，通過綜合考慮產品的結構設計、裝配順序、裝配工具和裝配工藝等因素，以最小化裝配過程中需要的操作步驟、時間和成本。

由計算機輔助的建筑技術系統在DFA中的發展經歷了以下幾個階段：

（1）初期模型化方法（1980年代）：在早期，研究人員主要致力于開發基于規則和模板的方法，以幫助設計師評估裝配性。通過確定產品的結構和組件之間的聯系，設計師可以分析裝配的順序、步驟和時間[2]。然而，這些方法通常需要手工計算和圖形化表示，限制了它們的應用范圍。

（2）可視化方法（1990年代）：隨著計算機圖形學和多媒體技術的發展，研究人員開始探索基于圖形化表示和可視化的方法。這種方法結合了三維建模和虛擬現實技術，使設計師能夠更直觀地理解產品的裝配性，并通過虛擬裝配檢查裝配過程的合理性和可行性。

（3）基于知識的方法（2000年代）：隨著人工智能和專家系統的進一步發展，研究人員開始將知識表示和推理技術應用于DFA系統中。這種方法可以將領域專家的經驗和知識整合到系統中，通過推理和決策支持幫助設計師進行裝配設計。例如，通過規則引擎和專家系統，系統可以自動識別和規避可能的裝配沖突和問題。

（4）集成化和優化方法（2010年代至今）：近年來，隨著信息技術的飛速發展，DFA系統趨向于與其他計算機輔助工程（CAE）系統和生產管理系統進行集成。這種集成化的方法可以在產品設計階段就考慮裝配性，并與其他工程和管理系統進行聯動，實現全生命周期的裝配優化。

計算機輔助系統在可裝配性設計中的應用領域，經歷了從初期模型化到可視化、基于知識和集成化優化的發展歷程，不斷提高了裝配性設計的效率和精確度。隨著技術的不斷發展，DFA系統將繼續演化和創新，為設計師提供更強大、智能化的工具和支持。本文基于DFA理念提出預制構件的可裝配性設計思路，探究斜支撐DFA的具體實現方法。

2 斜支撐族庫的參數化創建

2.1 Revit中族的定義與類型

Autodesk Revit是基于族（Family）而演變來的BIM型軟件。其中，每個元素都被歸類為一種特定類型的族，這些族可以是預定義的（如墻、門、窗等）或用戶自定義的。Revit中的族有以下幾種類型：

（1）系統族（System Family）：這些族是Revit的預定義族，例如墻、樓板、窗等。系統族包含了一組默認屬性和參數，不能進行修改或添加新的屬性或參數，但是可以通過類型屬性進行一些常見參數的調整[3]。

（2）系統族的幾何類型（System Family Geometry Type）：系統族的幾何類型決定了該族的基本形狀和尺寸。例如，墻族的幾何類型可以是直線、弧形、矩形等，窗戶族的幾何類型可以是矩形、多邊形等。用戶可以根據需要選擇不同的幾何類型。

（3）嵌套族（Nested Family）：嵌套族是指將一個族嵌入到另一個族中，以創建更復雜的元素。例如，在一個墻體中添加一個嵌套的窗戶族。嵌套族可以是Revit預定義的系統族，也可以是用戶自定義的。這種嵌套的結構可以提高建筑元素的靈活性。

（4）無類族（In-Place Family）：無類族是一種僅適用于特定項目的族。用戶可以根據需要創建這些族，并添加自定義的屬性和參數，與系統族不同，無類族不會生成獨立的Revit族文件，而是保存在當前項目中[4]。

（5）載入族（Loaded Family）：這是Revit中最常見的族類型。載入族是指從磁盤上加載的外部Revit族文件，用戶可以在項目中直接使用這些族，并對其進行修改和自定義。

（6）參考族（Reference Family）：參考族是一種特殊的族類型，用于在建模過程中提供參考或輔助信息。例如，可以創建一個幾何空心的輔助柱族，用于在模型中定位元素。

Revit中的族是將建筑元素組織和管理的一種方式，可以是預定義的系統族或用戶自定義的族。族的類型包括系統族、嵌套族、無類族、載入族和參考族，每種類型都有其特定的屬性和參數。這種基于族的建模方法使得Revit能夠更靈活、高效地創建和修改建筑模型。本文的斜支撐族構件依據載入族創建。

2.2 斜支撐族構件的參數化創建

運用Revit進行斜支撐族構件的參數化創建，首先需要創建一個族文件，然后在族文件中設置所需的參數和幾何形狀。以下是創建斜支撐族構件的參數化步驟：

（1）打開Revit軟件，選擇新建項目，并在創建新項目對話框中選擇“族”選項。

（2）在族模板對話框中，選擇“自定義家族模板”選項，并選擇合適的結構類別，如“結構框架”。

（3）在族編輯環境中，通過繪圖工具創建一條傾斜的線，表示斜支撐的軸線。

（4）使用繪圖工具在軸線兩端繪制需要的幾何形狀，如連接節點、支座等。

（5）選擇“創建”選項卡中的“參數”工具，在“添加參數”對話框中定義所需的參數，如長度、角度、寬度等。根據需要，可以選擇不同的參數類型，如實數、角度、長度等[5]。

（6）調整幾何形狀和參數之間的關系，通過選擇幾何形狀并關聯到相應的參數，使得幾何形狀能夠根據參數的變化而自動改變。

（7）繼續添加其他所需的參數和幾何形狀，并設置它們之間的關系，以實現斜支撐族構件的完整定義。

（8）完成族文件的編輯后，選擇“保存”選項保存族文件，并命名為適當的名稱。關閉族編輯環境并返回到項目中，即可在項目中使用參數化創建的斜支撐族構件。

通過以上步驟，便可以利用Revit實現斜支撐族構件的參數化創建，使得該構件可以根據參數的變化自動調整幾何形狀，提高設計效率和靈活性[6]。本文的研究采用載入族，創建了斜撐用墻面鋼片族、帶插筋螺母族、螺栓族、斜撐用地面拉環族、斜支撐桿族等，如圖1所示。

圖1 斜支撐族庫的創建

3 基于BIM的斜支撐智能化設計框架

本文所設計的基于BIM的斜支撐智能化設計框架包括設計人員輸入準備板塊和智能化設計分析板塊（見圖2）。以下是框架的具體細節：

圖2 基于BIM的斜支撐智能化設計框架

3.1 設計人員輸入準備板塊

在這個板塊中，設計人員應該輸入斜支撐的基本參數和要求，如施工進度計劃、施工定位信息等，再根據實際情況，配合資質文件，確定衍生數據的變化，如材料規格、設計標準、結構類型、加載條件、支撐長度等。此外，設計人員還應提供建模平臺的信息，并將建模環境設置為BIM軟件，以便在設計過程中進行智能化分析。

3.2 智能化設計分析板塊

在這個板塊中，利用BIM軟件實現基于參數化的斜支撐智能化設計。

（1）根據設計人員輸入的參數，利用BIM軟件中的參數化工具創建斜支撐族構件?？梢酝ㄟ^調整參數值，實現幾何形狀的自動變化，接下來利用BIM軟件中的分析工具對所創建的斜支撐族構件進行力學分析。然后，根據加載條件和支撐長度等參數，進行荷載計算、應力分析和變形分析等。在分析的基礎上，利用BIM軟件輸出分析結果，如受力狀態、變形量等，其結果可以通過圖形表示或表格形式展示。

（2）設計人員可以根據分析結果進行優化設計，如果需要，可以進行多次迭代，進一步優化智能布設斜支撐的流程[7]。

通過這個基于BIM的斜支撐智能化設計框架，設計人員能夠通過輸入參數和要求，利用參數化構件和智能化分析工具進行設計和分析。這樣的設計框架能夠提高設計效率和準確性，并為設計人員提供更準確的設計決策依據。

4 Revit的二次開發

Revit是一種通過BIM技術進行建筑設計和施工的軟件，它是一種為各種領域的建筑專業人員提供了強大的建模、協作和文檔管理功能的工具。而Revit二次技術開發則指在Revit軟件的基礎上，通過編程開發額外的功能、插件或應用程序，以滿足特定的需求或增強軟件的功能性[8]。Revit API是用于與Revit軟件進行交互的編程接口。開發人員可以使用Revit API中提供的命名空間、類和方法，來訪問和操作Revit模型的各個元素和屬性。通過編寫代碼，可以實現自定義的功能和操作，如自動化建模、數據導入導出、參數設置等。

本研究基于Revit API，開發了一款裝配式建筑多功能插件，以幫助相關從業者實現智能化的可裝配性設計。

（1）打開預先創建完成的斜支撐族庫，載入外部族；

（2）通過遍歷用戶拾取的元素以進行判定[9-10]，如：判斷是否為墻，若判定結果為否，則繼續進行元素選擇，判定結果為是，則獲取墻實例的各項參數信息；

（3）確定載入外部族的定位點，并激活外部族，根據定位點，創建族實例、調整角度、布設斜支撐；

（4）最后，自動獲取斜支撐的時間和空間信息，進行沖突檢查，為相關項目提出智能化的解決方案。具體的開發流程示意圖，如圖3所示。

5 結語

通過本研究提供的自動化建模和智能化分析工具，設計人員可以快速、準確地生成斜支撐的模型，并進行裝配性能的分析和優化。這有效地縮短了設計周期，減少了設計錯誤和沖突，提升了裝配式建筑的可靠性和可持續性。然而，本研究還存在一些局限性和改進的空間。首先，應進一步完善軟件的功能和界面，以更好地滿足用戶的需求。其次，應進一步探索與其他設計軟件和系統的數據交換和集成，實現更廣泛的應用。此外，還需要加強與實際工程項目的對接，進一步驗證該軟件在實踐中的可行性和效果。

綜上所述，本研究通過基于BIM技術的智能化軟件開發，為裝配式建筑斜支撐的可裝配性設計提供了一種創新的方法和工具。它不僅可以提高設計效率和設計質量，也為裝配式建筑的發展和應用提供了一定的理論和實踐指導。希望本研究能夠對相關領域的研究和實踐產生積極的影響，推動裝配式建筑技術的進一步發展。