張維錦，陳五琴

基于Revit的樁基承臺(tái)自動(dòng)設(shè)計(jì)算法

張維錦，陳五琴

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

針對(duì)Revit自有的功能構(gòu)建建筑信息模型(BIM)效率較低等問(wèn)題，基于Revit二次開(kāi)發(fā)，在沒(méi)有樁基承臺(tái)平面布置CAD圖的情況下，通過(guò)識(shí)別由結(jié)構(gòu)分析軟件生成的柱(墻)底內(nèi)力圖的圖元信息，提出了一種樁基承臺(tái)自動(dòng)設(shè)計(jì)算法。該方法以Revit制作單樁豎向承載力特征值計(jì)算表為基礎(chǔ)，在C#中編寫(xiě)算法程序。根據(jù)樁基承臺(tái)的構(gòu)造和上部結(jié)構(gòu)的要求自動(dòng)設(shè)計(jì)出樁基承臺(tái)，并將滿(mǎn)足承載力要求的樁基承臺(tái)準(zhǔn)確地布置在相應(yīng)的柱(墻)下，其顯著地提高了樁基工程建模效率，且為后續(xù)工程量計(jì)算以及不同樁基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性比較提供便利。

Revit二次開(kāi)發(fā)；CAD；樁基承臺(tái)；工程量

國(guó)家越來(lái)越注重綠色節(jié)能，提倡綠色建筑，從而達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染的目的。建筑信息模型(building information model, BIM)技術(shù)[1]的產(chǎn)生為這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能，BIM強(qiáng)大的信息集成和共享優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在整個(gè)建筑生命周期中。Revit作為三維參數(shù)化BIM軟件，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模的強(qiáng)大功能，為結(jié)構(gòu)分析軟件提供雙向連接的可編程API接口[2]，但是Revit仍存在建模效率較低，涉及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域不全的缺點(diǎn)。因此許多學(xué)者和第三方開(kāi)發(fā)者對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[3]，橄欖山快模借助于一個(gè)中間文件，存儲(chǔ)二維CAD圖紙信息，再導(dǎo)入到Revit中快速完成三維模型的重建[4]。相比傳統(tǒng)手工建模顯著提高了建模效率，目前Revit二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用插件已有不少，但還未應(yīng)用于樁基工程領(lǐng)域的相關(guān)軟件或插件。本文提出的樁基承臺(tái)自動(dòng)設(shè)計(jì)算法是在沒(méi)有樁基承臺(tái)平面布置CAD圖紙的情況下，通過(guò)識(shí)別由結(jié)構(gòu)軟件生成的柱(墻)底內(nèi)力圖的信息設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足抗沖切、抗剪切、抗彎和上部結(jié)構(gòu)要求的樁基承臺(tái)，并自動(dòng)地將樁基承臺(tái)布置在柱(墻)下。其為工程前期設(shè)計(jì)圖紙不成熟，迫切需要為施工提供了便利，以便于后續(xù)計(jì)算樁基工程算量等工作的開(kāi)展提供了可能。

1 單樁豎向承載力特征值計(jì)算

1.1 單樁承載力特征值計(jì)算公式

單樁的豎向承載力主要取決于2個(gè)方面：①土層對(duì)樁的支撐阻力，包括樁側(cè)阻力和樁端阻力；②樁自身的材料強(qiáng)度。單樁豎向承載力特征值按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[5]計(jì)算，即

其中，Q為單樁豎向極限承載力標(biāo)值；為安全系數(shù)，?。?。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為

按照樁自身的材料強(qiáng)度，承載力為

其中，1為安全系數(shù)。

1.2 單樁承載力特征值計(jì)算表

根據(jù)上述公式，單樁豎向承載力特征值的計(jì)算主要分為3個(gè)部分：樁側(cè)阻力、樁端阻力以及按混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算的承載力。運(yùn)用C#語(yǔ)言編程創(chuàng)建窗體，并對(duì)窗體布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)圖1可以實(shí)現(xiàn)圖2單樁承載力特征值計(jì)算表的生成。

圖1 制作特征值計(jì)算表流程圖

圖2 單樁豎向承載力特征值計(jì)算表

2 確定樁基承臺(tái)中樁的根數(shù)

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的樁基計(jì)算公式可初步確定樁基礎(chǔ)中樁的根數(shù)，當(dāng)樁基為軸心受壓時(shí)，可按其計(jì)算為

當(dāng)已知單樁的承載力特征值，還需要獲取柱(墻)底內(nèi)力，方法是將含有柱(墻)底內(nèi)力圖的CAD圖紙導(dǎo)入到Revit中，通過(guò)框選得到柱或墻的截面信息和柱(墻)底的內(nèi)力。一般通過(guò)相關(guān)結(jié)構(gòu)分析軟件得到的柱底內(nèi)力CAD圖有2種形式，如圖3(a)和(b)所示，墻底內(nèi)力如圖3(c)所示。

(a) 柱底內(nèi)力 CAD圖1(b) 柱底內(nèi)力 CAD圖2(c) 墻底內(nèi)力 CAD圖

對(duì)截面輪廓模型端點(diǎn)的和坐標(biāo)取平均值，計(jì)算柱截面的中心坐標(biāo)。根據(jù)文字注釋判斷位于柱截面中心軸力、剪力和彎矩的位置方向，并分別存儲(chǔ)在鏈表中。由于已知的單樁豎向承載力特征值，根據(jù)樁基規(guī)范給出的公式通過(guò)計(jì)算初步確定樁基礎(chǔ)中樁的數(shù)量。

3 樁基承臺(tái)的設(shè)計(jì)與模型生成

本文依據(jù)樁的根數(shù)、柱(墻)的截面尺寸以及承臺(tái)的構(gòu)造要求編譯出能夠自動(dòng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)要求的樁基承臺(tái)的功能程序，通過(guò)不斷地調(diào)整樁基承臺(tái)參數(shù)來(lái)保證生成的樁基承臺(tái)滿(mǎn)足抗沖切、抗剪切和抗彎承載力要求。

由于柱截面的幾何形狀較為簡(jiǎn)單，程序可以自動(dòng)判斷其幾何形狀，而墻的幾何形狀往往較為復(fù)雜，需要人工干預(yù)確定。根據(jù)樁基上部結(jié)構(gòu)的布置形式和承臺(tái)的構(gòu)造要求初步確定承臺(tái)平面的幾何形狀，然后設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)要求的樁基承臺(tái)。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果在Revit中創(chuàng)建族文檔，添加樁基承臺(tái)參數(shù)，建立樁基承臺(tái)族，最終生成樁基承臺(tái)的三維模型。

根據(jù)樁基設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，圖4列舉了單柱、雙柱以及墻下樁基承臺(tái)截面類(lèi)型常見(jiàn)的幾種形式，包括了單樁和多樁的情況，其中樁數(shù)為6根以上的布置形式與其類(lèi)似，在此不做詳述，圖4(d)為某工程電梯井下樁基承臺(tái)的布置形式。

本文假定初步確定的樁基承臺(tái)類(lèi)型為等腰三樁承臺(tái)，如圖5(a)所示，圖中的，，1和2分別為樁的直徑、樁軸心之間的水平距離、等腰三樁承臺(tái)頂部樁的軸心到承臺(tái)形心的水平距離、等腰三樁承臺(tái)底部樁的軸心到承臺(tái)形心的距離在方向的投影，2種承臺(tái)類(lèi)型的平面幾何形狀比較簡(jiǎn)單，不做贅述，假設(shè)通過(guò)程序判斷出等腰三樁承臺(tái)適用于其上部結(jié)構(gòu)，如何生成其平面圖形是后續(xù)生成三維模型的關(guān)鍵。

圖4 常見(jiàn)樁基承臺(tái)類(lèi)型

(2) 連接1，3可得到2點(diǎn)的距離，根據(jù)承臺(tái)構(gòu)造要求，點(diǎn)1到射線(xiàn)5的距離要求為，通過(guò)直角三角形可求解角來(lái)確定5的方向向量。再根據(jù)點(diǎn)3的位置就可以生成射線(xiàn)5，同理根據(jù)4和射線(xiàn)6的方向向量生成射線(xiàn)6，并根據(jù)平臺(tái)構(gòu)造要求，作一條與軸平行且距離軸為2+的線(xiàn)段7，分別與射線(xiàn)5，6相交于點(diǎn)5，6，即可得出剩下的2個(gè)端點(diǎn)，如圖5(c)所示，圖5(d)為圖5(c)左下角的放大圖。

(3) 在Revit中依據(jù)等腰三樁承臺(tái)平面幾何圖形的輪廓線(xiàn)生成承臺(tái)族，沿著截面輪廓線(xiàn)所在平面的法向量方向向下拉伸(為承臺(tái)厚度)距離，則承臺(tái)自動(dòng)生成。將樁布置在1，2，3的位置，并向下平移100 mm的距離，便成功生成圖6等腰三樁承臺(tái)的三維模型。

圖6 等腰三樁承臺(tái)三維模型

(4) 樁基承臺(tái)自動(dòng)生成后不僅要滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)要求，還應(yīng)滿(mǎn)足抗沖切、抗剪切和抗彎承載力要求。不同的承臺(tái)類(lèi)型則根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》使用不同的計(jì)算公式，通過(guò)編程將承臺(tái)參數(shù)代入公式對(duì)承臺(tái)進(jìn)行受彎、受沖切，受剪切承載力計(jì)算。若不滿(mǎn)足要求，則繼續(xù)地調(diào)整參數(shù)，重新計(jì)算，直至設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足承載力要求的樁基承臺(tái)[6]。

4 樁基承臺(tái)的自動(dòng)布置

樁基承臺(tái)的上部結(jié)構(gòu)形式主要分為柱和墻(電梯井與墻類(lèi)似)，要將獨(dú)立的樁基承臺(tái)布置在柱或墻下合適的位置，就得確定樁基承臺(tái)在樁基工程中的位置坐標(biāo)和方位角。

4.1 柱下樁基承臺(tái)的自動(dòng)布置

柱的截面幾何形狀主要有圓形、矩形、L形、T形以及工字形截面等。圓形柱布置樁基承臺(tái)只需要獲取柱截面的圓心坐標(biāo)即可，而其他幾種類(lèi)型的柱截面則需獲得其位置坐標(biāo)和方位角，在此簡(jiǎn)要的對(duì)矩形截面柱進(jìn)行闡述。

(1) 使用軟件的識(shí)別功能獲取矩形柱的截面輪廓線(xiàn)，從有序的柱輪廓線(xiàn)中得到其端點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)所有柱輪廓線(xiàn)端點(diǎn)坐標(biāo)和取平均值得到柱的中心坐標(biāo)，將其作為矩形柱下獨(dú)立樁基承臺(tái)的位置坐標(biāo)，確保獨(dú)立樁基承臺(tái)能在矩形柱下方。

(2) 要保證樁基承臺(tái)轉(zhuǎn)角方位與柱一致，還需要獲取柱的轉(zhuǎn)角，先判斷出矩形截面輪廓線(xiàn)始邊和終邊(圖7(b)中沿逆時(shí)針?lè)较颍?-1是始邊，0-2是終邊)的長(zhǎng)短，然后求出笛卡爾坐標(biāo)系中軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到矩形輪廓線(xiàn)的始邊和終邊中的長(zhǎng)邊夾角。如果θ＜π (圖7(b))，則矩形柱的方位角為θ；如果θ＞π (如圖7(c))，則矩形柱的方位角為θ–2π。由此確定了矩形柱的轉(zhuǎn)角方位，加上已知的柱位置坐標(biāo)，在Revit中創(chuàng)建樁基承臺(tái)族，便可在柱下正確布置樁基承臺(tái)。

(a) 原位(b) θb＜π(c) θc＞π

4.2 墻下樁基承臺(tái)的自動(dòng)布置

墻的截面形式有“一字形”、“L形”和“矩形”等多種類(lèi)型，如圖8所示，截面形式比柱復(fù)雜的多，一般布置墻下樁基承臺(tái)需要人為干預(yù)。針對(duì)“一字形”和“L形”2種墻類(lèi)型，如何確定樁基承臺(tái)位置需作簡(jiǎn)要的描述；“矩形”墻以及電梯井下的樁基承臺(tái)布置方法與其類(lèi)似，通過(guò)圍成的閉合圖形來(lái)找到中心坐標(biāo)和方位角，便可布置好樁基承臺(tái)。

(a) 一字形(b) L形(c) 矩形(d) 矩形

(1) 圖9(a)墻的類(lèi)型為“一字形”，通過(guò)3個(gè)點(diǎn)獲取墻的定位信息，簡(jiǎn)化為圖9(b)，2邊尺寸相差較大。首先拾取圖9 (a)墻中的1，2點(diǎn)，即獲得了圖9(b)中0-1線(xiàn)段的信息，將該線(xiàn)段中點(diǎn)坐標(biāo)作為墻下獨(dú)立樁基承臺(tái)的位置坐標(biāo)。0-1線(xiàn)段與笛卡爾坐標(biāo)系中軸的夾角作為墻下獨(dú)立樁基承臺(tái)的轉(zhuǎn)角方位，該夾角的獲取方法與上述矩形柱的長(zhǎng)邊和軸的夾角獲取方法相同。當(dāng)拾取墻3點(diǎn)時(shí)，便可獲取到圖9(b)中0-2線(xiàn)段的信息，即得到墻的寬度，再計(jì)算其向量，并將要布置的樁基承臺(tái)在0-2線(xiàn)段向量的方向上偏移墻寬度的二分之一距離，那么獨(dú)立樁基承臺(tái)軸線(xiàn)與墻的軸線(xiàn)重合，則有利于樁基承臺(tái)受力均勻。

(2) 圖9(c)墻的類(lèi)型為“L形”, 同樣將“L形”墻簡(jiǎn)化成圖9(d)。通過(guò)拾取圖9 (c)中墻的1，2和3點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)獲取圖9 (d)中三角形△012的中心坐標(biāo)，將此坐標(biāo)作為“L形”墻下獨(dú)立樁基承臺(tái)的位置坐標(biāo)。圖9(d)中0-1，0-2這2線(xiàn)段類(lèi)似于上述矩形柱的始邊和末邊，則獲取“L形”墻下獨(dú)立樁基承臺(tái)方位角的獲取方法與獲取矩形柱的樁基承臺(tái)方位角的方法一致，其獲取方法如4.1節(jié)所述，這里就不再重述了。

(a) 一字形(b) 簡(jiǎn)化一字行(c) L形(d) 簡(jiǎn)化L字行

5 樁基工程量的計(jì)算

在Revit中建立起樁基工程的三維模型，如何計(jì)算工程量是一項(xiàng)重要工作。工程量計(jì)算是業(yè)主管理工程建設(shè)、施工企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和確定建設(shè)工程造價(jià)[7]的依據(jù)。本文首先通過(guò)過(guò)濾方法獲得項(xiàng)目文檔中的所有元素，并遍歷出所有元素的族實(shí)例，并保存在一個(gè)鏈表中，通過(guò)樁基承臺(tái)中的樁數(shù)對(duì)樁基承臺(tái)進(jìn)行分類(lèi)；再根據(jù)族名稱(chēng)細(xì)分出相同樁數(shù)但不同類(lèi)族的樁基承臺(tái)，每一種族又有不同的族類(lèi)型，依據(jù)族類(lèi)型再細(xì)分出同一種族類(lèi)型中樁的不同類(lèi)型，通過(guò)該分類(lèi)原理可統(tǒng)計(jì)出樁基承臺(tái)的工程量。

在上述過(guò)程中能夠準(zhǔn)確讀取樁基承臺(tái)族實(shí)例中的承臺(tái)和樁的體積信息是關(guān)鍵一步，由于樁族是被嵌套在承臺(tái)族中的，所以在整個(gè)樁基承臺(tái)族實(shí)例中只能獲取到承臺(tái)實(shí)體的體積。樁族則要從編輯樁基承臺(tái)族的文檔中獲取樁的幾何實(shí)例，并獲得樁的實(shí)體體積，得到單樁混凝土的工程量。并根據(jù)樁基承臺(tái)的數(shù)量及對(duì)應(yīng)的樁的根數(shù)計(jì)算出樁混凝土的總工程量，同時(shí)獲取樁族實(shí)例的直徑和長(zhǎng)度，使得工程量的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)更準(zhǔn)確。圖10為某工程樁基承臺(tái)的工程量計(jì)算表。

圖10的表格為DataGridView控件，通過(guò)程序獲取樁基工程的工程量信息寫(xiě)入到DataTable中，并與dataGridView.DataSource綁定，則得到上述數(shù)據(jù)表。但為了方便計(jì)算，需將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，即使用第三方插件NPOI生成Excel文件，并將工程量數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件中，最終生成Excel表格，如圖11所示。

圖10 樁基承臺(tái)工程量計(jì)算表

圖11 樁基承臺(tái)工程量Execl表

6 工程實(shí)例

已知某工程實(shí)例中部分柱(墻)底內(nèi)力圖，如圖12所示。

(a) 柱底內(nèi)力圖(b) 墻底內(nèi)力圖

將建設(shè)工程柱(墻)底內(nèi)力圖的CAD圖紙導(dǎo)入到Revit中，根據(jù)建設(shè)工程場(chǎng)地和地基的工程地質(zhì)條件，在Revit制作單樁豎向承載力特征值的計(jì)算表，為樁計(jì)算豎向承載力特征值和確定樁的長(zhǎng)度。再使用本文樁基承臺(tái)自動(dòng)設(shè)計(jì)和布置算法編寫(xiě)的程序，通過(guò)讀取柱(墻)底內(nèi)力圖中柱(墻)的內(nèi)力以及計(jì)算表中單樁豎向承載力特征值等數(shù)據(jù)信息，為柱(墻)設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足承載力要求的樁基承臺(tái)，并將樁基承臺(tái)自動(dòng)布置在柱(墻)下，圖13為其部分的三維模型圖。

圖13 生成樁基承臺(tái)三維結(jié)構(gòu)模型

布置完樁基承臺(tái)后，再對(duì)其進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)出圖14樁基承臺(tái)工程量計(jì)算表。雖然其樁基承臺(tái)種類(lèi)較少，但也有效的驗(yàn)證了該程序的準(zhǔn)確性和高效性。

圖14 樁基承臺(tái)工程量計(jì)算表

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的樁基承臺(tái)自動(dòng)設(shè)計(jì)算法可以為樁基工程快速生成BIM模型，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)樁基工程中不同類(lèi)型的樁基承臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別得出樁和承臺(tái)的工程量以及相關(guān)信息，該程序功能應(yīng)用于實(shí)際工程中顯著地提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求，但算法在樁基承臺(tái)的配筋及鋼筋[8]生成問(wèn)題方面還需進(jìn)一步的深入研究。

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Automatic Design Algorithm of Pile Foundation Cap Based on Revit

ZHANG Wei-jin, CHEN Wu-qin

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi 330013, China)

The efficiency of constructing building information model by Revit is rather low. Based on Revit’s secondary development, in the absence of the CAD drawings of pile foundation caps, an automatic design algorithm for pile foundation cap is proposed by identifying the primitive information of the internal force diagram of the column (wall) generated by the structural analysis software. The method is based on the calculation of the eigenvalue calculation table of the vertical bearing capacity of the single pile in Revit. The algorithm program is written in C#. Then the pile foundation cap is automatically designed according to the requirements of the structure and the superstructure of the cap, and the pile caps satisfying the bearing capacity requirements are accurately arranged under the corresponding columns (walls), which significantly improves the efficiency of pile foundation engineering modeling, and facilitates the subsequent engineering calculations and economic comparison of different pile foundations.

Revit secondary development; CAD; pile foundation cap; engineering quantity

TU 473.1

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040771

A

2095-302X(2019)04-0771-07

2019-02-25；

定稿日期：2019-04-23

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(150549)

張維錦(1962-)，男，福建永泰人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)槿SCAD及算量軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。E-mail：632634889@qq.com