20世纪70年代“BIM之父”Chuck Eastman教授提出BIM(建筑信息模型,Building Information Modeling,简称BIM)理念 ^[1],21世纪初被Autodesk公司正式定义。作为建筑业新技术,以参数化3D仿真建模为核心的BIM在业内爆发“二次革命”。

　　 作为装配式结构的代表,钢结构亟待与BIM技术结合来优化产业模式。空间网架是钢结构中极具代表的结构之一,有关空间网架3D仿真建模的研究,张维锦 ^[2]提出通过提取CAD二维图纸网架信息,将二维图形转换成三维模型;龙全 ^[3]根据有限元网格划分的栅格法思想,在PKPM的SPASCAD建模软件基础上编程实现平板网架的建模;李忠富 ^[4]利用网架BIM模型工程估价时提出,结合Revit常规模型和自适应构件建立网架BIM模型;薛忠华 ^[5]利用Revit API二次开发的方法参数化建立网架结构模型。尽管上述学者对网架建模进行了大量研究,但仍无法将建模与BIM结合,建模是BIM的核心,但BIM不等于建模,BIM模型集成了“仿真”和“信息化”两大要点。

　　 遍历国内外研究成果,并无任何有关空间网架BIM“仿真”建模的有效研究,多数模型仅做外观处理,并无细节可言。鉴于此,本文根据国内BIM市场的需求,围绕“仿真”和“信息化”,利用Revit及Revit ^[6]二次开发技术建立钢结构空间网架的BIM模型,填补了Revit在钢结构空间网架BIM仿真建模上的空缺。

　　 Revit“族”作为软件核心功能,为设计师建模提供自主性选择,用户可根据建模需求选择不同方法建立相应族库来提高建模效率。目前Revit缺少空间网架建模所需的族,笔者认为首先需建立如图1所示的空间网架零部件族库。

　　 Revit参数化建模功能首先解决了BIM模型的“信息化”标准,其次根据参数标准对模型进行三维参数化驱动,使模型与实体1∶1对应,细部尺寸的参数化满足了“仿真”要求。

　　 空间网架节点零部件包括螺栓球、焊接球(无肋焊接球、单肋焊接球、双肋焊接球)、锥头、封板、套筒、网架高强螺栓(图2)和紧固销钉等。基于钢结构工业生产的特点,每种零部件都有各自特有的零件类型,参数化建模首先考虑零部件的参数化关系,Revit提供两种方法:1)创建类型目录,2)查找表格。

　　 下文针对网架螺栓球锥头说明建模过程。网架锥头工业常用类型将近200种,根据设计优化大型工程项目所用锥头类型不过几十种,过多的构件类型载入不但没有用处而且会增加BIM软件运算负担。借助钢结构工厂提供的零件数据(表1),在创建类型目录的基础上将如图3所对应的参数按顺序存入csv文件表格中,利用size_lookup函数进行查找表格,同时利用数学公式关联相关几何关系来实现标准参数对零件建模的参数化驱动(图4)。

　　 细节决定BIM模型的仿真度,处理模型细部尺寸成为仿真建模的难点。经多次验证并查实, Revit内部为降低软件运算负担将建模精度调整为0.8mm,任何小于0.8mm的相关尺寸均会报错,经权衡,采用不改变构件整体规格类型,微调构件局部的方式来解决此报错,同时并不影响整个模型的仿真要求,锥头接口位置的钢管定位台阶高度过小(图3),利用Revit无法建立该位置尺寸,采用将该处与接口其余位置齐平来完成锥头整体模型的建立。

　　 族样板的选择决定零件族的适配程度。螺栓球节点、焊接球节点属于点插入式模型,建族开始选择单点定位的常规模型;网架高强螺栓、网架套筒、紧固螺钉依附于杆件端部,这些零件相互之间面面相联,选择基于面的公制常规模型可以使零件间在下一步构件拼装过程中更好地适配。

　　 高强螺栓的螺纹是建模中最细致的部分,类比Revit弹簧建模的方法:利用放样融合的方法完成高强螺栓一周螺纹的建模 ^[7,8],对一周完整螺纹建模后利用阵列关联成组并添加参数,同时与螺杆长度关联,完成螺栓螺纹建模。

　　 通过上述方法对网架零部件完成“族”库建模,结果如图4所示,对比图2可以看出,这种建模方法可以得到与实物基本一致的“族”库模型。

　　 现有空间网架BIM模型并未区分螺栓球节点和焊接球节点,对两种节点也未进行细节处理。BIM建模中几乎所有BIM网架模型均利用幕墙嵌板族样板,建立如图5所示的网架结构单元,结合Revit幕墙功能完成网架模型的建立,所得模型节点与实物完全不同,缺乏BIM“仿真”的要点,无法将模型应有的信息传递到施工、运维阶段,使BIM后期操作变得无力。处在钢结构建模核心地位的Tekla在网架处理上也略显疲惫。

　　 空间网架完全符合装配式结构的特点,工厂预拼装成为网架加工制造中的重要环节。利用Revit完成所有网架零件族的建立后需仿照加工车间对网架零件进行拼装。图6即为网架螺栓球节点预拼装原理图。

　　 拼装初期笔者提出两种拼装假设:1)利用嵌套将球节点和锥头端部做在一起,利用系统钢管族和嵌套节点完成网架拼接;2)将钢管和锥头等零部件做在一起,建模时期分别放置球和杆件,然后处理杆件和球之间的关系。第一种可通过设置空间角度参数,根据杆件与锥头的空间角度关系变换锥头与螺栓球相对位置,但会导致参数过多且无法保证杆件整体性,同时与工程实际构件预拼装顺序不同。对比两种假设,第二种更符合实际操作,图7即为网架螺栓球杆件的连接细节。

　　 类比Revit Architecture中梁式单元建模方法,经过多样板比对,最终选择“公制结构框架-梁和支撑”族样板作为建立网架杆件族的基板。与梁不同的是,网架杆件端部并没有在插入点,需在原有梁式样板端部添加尺寸约束并设置如图8所示参数公式,根据节点球径的变化来控制杆端位置。这种人为控制端部位置的方法经笔者多次验证具有实用性,可以为以后此类问题提供参考。

　　 上述过程完成了整个网架族库的创建,填补了Revit系统族库中网架族的空白,为将来业内建模提供了共享资源。

　　 Revit传统建模方法采用单梁三维捕捉的方式建模,相比梁式结构的建模,网架建模多出了许多细节处理,其中最主要的细节处理是:螺栓球节点的劈面成型和焊接球节点的焊缝连接。

　　 本文采用后处理的方法完成节点连接后的劈面和焊缝处的细节。在原有的螺栓球杆件端部附着空心体,当项目中杆件和球节点连接时即可利用空心体剪切完成劈面成型;在焊接球杆端预设焊缝,利用实体连接形成焊缝。图9即为最终模型节点处理结果,通过实物比对,模型符合“仿真”要求。

　　 空间网架节点众多、杆件规格繁杂,且各节点参数异同,建模过程中极易导致对个别节点劈面和焊缝处理的遗漏。利用Revit API对Revit进行二次开发 ^[9],使杆件自动获取节点数据进行劈面和焊缝的生成,进而简化建模过程、提高工作效率。

　　 网架建模主要是根据以下信息决定:节点球类型、节点球球径、高强螺栓型号及杆件规格。通过判断节点球类型选择杆件类型,根据节点球球径计算杆件端部距离,根据高强螺栓型号和杆件尺寸决定锥头或封板型号,通过以上信息创建相对应杆件后进行相应的细节处理得到最终网架模型。

　　 利用Revit API中Family,FamilyInstance,Parameter等方法编写代码片段1进行杆件的创建及相应参数的赋值。

　　 代码片段1:空间网架螺栓球杆件族实例创建及赋值

　　 利用Revit API中的InstanceVoidCutUtils(剪切)和JoinGeometryUtils(连接)方法编写代码片段2对网架模型细部进行后处理。

　　 代码片段2:空间网架节点剪切、连接后处理

　　 整合以上代码片段组成完整建模程序完成网架节点及杆件半自动化建模。

　　 MSTCAD进行网架设计后生成数据接口文件,这些文件记录了所有节点及杆件的数据,利用代码将数据转换成Revit可识数据供Revit读取,Revit通过对数据拾取实现自动化建模。处理MSTCAD数据文件(.Log)建模系统方案流程如图10所示。

　　 创建网架建模系统前首先需建立网架数据文件。MSTCAD设计网架结束后,导出包含网架基本数据的Log文件,涵盖了节点球类型、节点球球径、高强螺栓型号、杆件规格及节点坐标等模型信息。通过编写程序对Log文件进行读取和筛选,将所需数据存储于csv文件供Revit读取。读取节点数据和杆件信息,整合C#和Revit API编制的网架节点后处理的程序模块,最终完成网架自动建模系统的创建。表2为以上三种方法建模的比较。

　　 以某艺术文化主题度假酒店项目中一舞台屋盖上部网架结构为例来说明该建模系统。屋盖上部采用典型的网架结构,整体尺寸68 400×42 000,约占地28 700m²,网架底部标高18.80m,网架上弦起坡5.6%,屋盖网架采用焊接球和螺栓球杆件组成,见图11。

　　 将该网架MSTCAD的命令行文件(*Log)导出,利用程序让Revit读取并处理该数据文件。Revit内部处理算法存在局限,当软件处理大量数据会出现不同程度的延迟或卡顿,考虑到计算机硬件及使用习惯的不同,利用代码片段3赋值图12的窗体,从而控制网架模型零部件单次生成数量。根据设置建立如图13所示的空间网架模型。

　　 代码片段3:网架建模单次构件生成数量控制

　　 通过对钢结构空间网架BIM仿真建模进行研究,扩展了BIM在钢结构领域的功能,并且完成了空间网架仿真建模,重新诠释了钢结构BIM模型的意义,为今后钢结构BIM网架部分的建模提供参考和理论依据。

　　 (1)在Revit原有系统标准族库的基础上完成了对空间网架族库的补充。

　　 (2)通过Revit API对Revit网架建模的二次开发解决了空间网架建模过程中节点处理问题,大大减少了网架建模的工作量,避免了因工作繁杂带来的不必要误差。

　　 (3)以空间网架族库和Revit二次开发为基础,通过对MSTCAD接口数据文件的处理,使Revit自动获取网架设计参数从而完成空间网架的自动建模。