秦龍飛， 董華林

（1.河南華北水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000）

1 引言

目前BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)階段主要的應(yīng)用方式是通過(guò)創(chuàng)建三維模型來(lái)排除圖紙錯(cuò)誤、 形成設(shè)計(jì)成果、提供項(xiàng)目演示。 這種“翻模”形式的使用前提是設(shè)計(jì)圖紙已完成， 這并沒(méi)有真正讓設(shè)計(jì)人員使用BIM 技術(shù)[1]，甚至額外的BIM 翻模工作會(huì)加重設(shè)計(jì)任務(wù)， 增加設(shè)計(jì)費(fèi)用， 延長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)而激發(fā)業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工等各方的矛盾，不利于行業(yè)技術(shù)革新，向前發(fā)展。

基于AutoRevit 的BIM 正向設(shè)計(jì)技術(shù)綜合了系統(tǒng)工程理論和方法， 依托過(guò)程模型滿(mǎn)足不同階段的實(shí)際需求， 對(duì)于BIM 技術(shù)的普及有非常重要的推動(dòng)作用。 BIM 正向設(shè)計(jì)會(huì)暴露傳統(tǒng)的二維逆向設(shè)計(jì)難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，減少二維設(shè)計(jì)盲區(qū)，將以往在施工階段發(fā)現(xiàn)、 優(yōu)化的問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行預(yù)處理[2]。 通過(guò)對(duì)過(guò)程模型的參數(shù)加載使得模型服務(wù)后期施工和投產(chǎn)運(yùn)維成為可能，為實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”工程打下了基礎(chǔ)，這也是BIM 正向設(shè)計(jì)的最終目的。

本文針對(duì)水工建筑物構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 提出基于AutoRevit 的BIM 正向設(shè)計(jì)方法，研究總結(jié)了適合行業(yè)應(yīng)用的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計(jì)一體化解決方案, 并通過(guò)AutoRevit 二次開(kāi)發(fā)編制插件實(shí)現(xiàn)矩形渡槽槽身設(shè)計(jì)，解決AutoRevit 環(huán)境下參數(shù)化BIM 建模、BIM 模型基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)計(jì)算和計(jì)算書(shū)編制三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。

得益于BIM 正向設(shè)計(jì)技術(shù)可視性、集成性、聯(lián)動(dòng)性、信息化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案完成不同的設(shè)計(jì)成果， 這為前期場(chǎng)地分析與方案設(shè)計(jì)、中期方案的深化設(shè)計(jì)、后期施工圖以及詳圖設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

2 基于AutoRevit 的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計(jì)一體化解決方案

一體化解決方案要切實(shí)服務(wù)設(shè)計(jì)階段， 滿(mǎn)足協(xié)同設(shè)計(jì)的需要，增加施工應(yīng)用的接口，其中許良梅等研究了正向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程與施工結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)難題，提出了需要深度探究的技術(shù)要點(diǎn)。 本解決方案采用在“母版”設(shè)計(jì)階段以BIM 模型作為橋梁和紐帶將各設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)互通， 通過(guò)相互引用關(guān)聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)由BIM 模型輸出設(shè)計(jì)成果，再由設(shè)計(jì)成果將數(shù)據(jù)反饋給BIM 模型的正向設(shè)計(jì)一體化解決方案。

這其中包括在AutoRevit 環(huán)境下參數(shù)化BIM建模、BIM 模型基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)計(jì)算和計(jì)算書(shū)編制、基于BIM 模型的CAD 出圖這三大部分的信息互動(dòng)和設(shè)計(jì)交互， 利用BIM 技術(shù)的信息化能力將設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息系在模型這一實(shí)現(xiàn)單位上， 并依靠模型信息的可視化來(lái)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。 由此組成的正向設(shè)計(jì)一體化解決方案。

2.1 技術(shù)要點(diǎn)

2.1.1 預(yù)設(shè)BIM 模型

采用“母子版”的設(shè)計(jì)思路，預(yù)設(shè)好“母版”建筑物構(gòu)件的三維模型，加載參數(shù)，形成BIM 模型。

2.1.2 “模-圖”聯(lián)動(dòng)

對(duì)“母版”模型進(jìn)行剖切形成細(xì)部圖紙，形成“模-圖”聯(lián)動(dòng)，確保修改模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)圖紙隨之更新。

2.1.3 參數(shù)引用

采取尋址ID 值的方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤，讀取模型參數(shù)并帶入計(jì)算程序進(jìn)行水工建筑物構(gòu)件的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

2.1.4 數(shù)據(jù)交互

利用端口實(shí)現(xiàn)AutoRevit 與Office 的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通， 將數(shù)據(jù)帶入計(jì)算書(shū)模板， 編制計(jì)算書(shū)。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

圖1 水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計(jì)一體化解決方案流程圖

在水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計(jì)一體化解決方案中BIM 模型與設(shè)計(jì)方案為相互促進(jìn)的關(guān)系， 這具體表現(xiàn)在隨著設(shè)計(jì)的深入，模型信息化逐漸加深，而模型的數(shù)字信息又會(huì)反過(guò)來(lái)輔助設(shè)計(jì)。 相比于傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)， 能有效的解決由于設(shè)計(jì)深度不足而導(dǎo)致的返工問(wèn)題。 將極大程度的減少開(kāi)展重復(fù)性的工作， 進(jìn)而縮短設(shè)計(jì)所耗時(shí)間， 為方案比選，論證優(yōu)化提供充足的時(shí)間。

3 AutoRevit 環(huán)境下矩形渡槽槽身參數(shù)化BIM 建模

三維模型只有加載上信息數(shù)據(jù)才能發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)， 正向設(shè)計(jì)技術(shù)的本質(zhì)就是對(duì)BIM 三維信息模型的深度挖掘和拓展。 目前的從業(yè)人員中BIM 技術(shù)人才較少，且呈現(xiàn)會(huì)設(shè)計(jì)不懂BIM，懂BIM 不會(huì)設(shè)計(jì)， 會(huì)設(shè)計(jì)懂BIM 但不會(huì)管理的分散態(tài)勢(shì)， 所以采取必要的方式標(biāo)準(zhǔn)化三維信息模型是首先要解決的問(wèn)題。 鑒于此采用“參數(shù)化建模+AutoRevit 二次開(kāi)發(fā)” 的方式， 讓建模過(guò)程變得簡(jiǎn)單、快速，只需要控制關(guān)鍵參數(shù)，即可在改變母版模型后快速派生出個(gè)人化的子版模型， 省去了建模過(guò)程， 避免了因BIM 模型參數(shù)設(shè)置不足而導(dǎo)致數(shù)據(jù)、信息無(wú)法加載的問(wèn)題。

3.1 技術(shù)要點(diǎn)

為了避免設(shè)計(jì)人員對(duì)BIM 模型中冗雜參數(shù)的錯(cuò)誤修改，降低使用難度，故采取在AutoRevit 軟件的功能面板中創(chuàng)建矩形渡槽選項(xiàng)卡，由AutoRevit 二次開(kāi)發(fā)代替手動(dòng)對(duì)模型參數(shù)的修改， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的目標(biāo)。 如圖2 所示。

3.1.1 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模更加側(cè)重參數(shù)。 要保證參數(shù)的設(shè)置既能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求， 更要滿(mǎn)足后期二次開(kāi)發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、引用，這就要求參數(shù)設(shè)置的更加全面保證參數(shù)對(duì)模型的整體控制。

在AutoRevit 中參數(shù)的屬性分為類(lèi)型參數(shù)和實(shí)例參數(shù)。 正向設(shè)計(jì)的思路是由“母版”推出“子版”所以，所有參數(shù)均設(shè)置為實(shí)例參數(shù)，確保將模型載入項(xiàng)目中后，依靠尋址模型ID 值的方式能收集、讀取參數(shù)。

模型加載到項(xiàng)目中后， 原有的實(shí)例參數(shù)需要關(guān)聯(lián)相應(yīng)的全局參數(shù)才能將數(shù)據(jù)顯示在項(xiàng)目模型中， 而在后期的數(shù)據(jù)讀取時(shí)也包括對(duì)針對(duì)全局參數(shù)的檢索。 圖2 填寫(xiě)基本數(shù)據(jù)界面中輸入基本數(shù)據(jù)的TextBox 的名稱(chēng)與全局參數(shù)的名稱(chēng)一致，使得用戶(hù)在能將數(shù)據(jù)和模型一一對(duì)應(yīng)。全局參數(shù)如圖3所示。

圖3 參數(shù)化建模

3.1.2 外部命令

AutoRevit 軟件提供的外部命令接口為IExternalCommand，可以通過(guò)此接口與模型對(duì)接，讀取模型參數(shù)、修改參數(shù)數(shù)據(jù)。 在AutoRevit 軟件的定義中，每一個(gè)活動(dòng)的頁(yè)面即為一個(gè)Document（doc）文檔，所執(zhí)行命令的目標(biāo)也必須在此活動(dòng)文檔中。 參數(shù)是加載到三維模型上的從屬于三維模型， 所以只有先鎖定到三維模型才能在三維模型的doc 中檢索參數(shù)。 如圖4 所示。

圖4 修改參數(shù)代碼關(guān)系圖

依托于Document 中每一部分均對(duì)應(yīng)唯一的ID 號(hào)，故可利用三維模型的ID 值鎖定目標(biāo)，讀取文檔，完成對(duì)參數(shù)的提取。 三維模型中加載的參數(shù)有兩個(gè)要素：參數(shù)名稱(chēng)、參數(shù)值，修改參數(shù)的過(guò)程也圍繞著這兩個(gè)要素展開(kāi)， 首先通過(guò)參數(shù)名稱(chēng)鎖定參數(shù)，然后賦予相應(yīng)的數(shù)值修改參數(shù)。

4 基于矩形渡槽槽身BIM 模型的CAD 出圖

得益于正向設(shè)計(jì)中工程圖紙都出自于同一個(gè)BIM 模型所以不論是初步設(shè)計(jì)階段、 深化設(shè)計(jì)階段還是施工圖階段BIM 設(shè)計(jì)出圖的成果完全保證了各協(xié)同設(shè)計(jì)部分之間設(shè)計(jì)圖紙的平、立、剖節(jié)點(diǎn)的一致性， 徹底消除了逆向設(shè)計(jì)時(shí)代圖紙中存在的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問(wèn)題，設(shè)計(jì)質(zhì)量大步提升。 且依托于BIM 技術(shù)“圖-?！甭?lián)動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)，為后期的設(shè)計(jì)修改、更新帶來(lái)更多的便利，質(zhì)量得到更充足的保證。

4.1 技術(shù)要點(diǎn)

BIM 技術(shù)出圖有其先天優(yōu)勢(shì)， 不同于傳統(tǒng)CAD 出圖需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)性的繪圖并調(diào)整各節(jié)點(diǎn)使之達(dá)成一致性， 在正向設(shè)計(jì)中平面圖、 立視圖、 剖面圖等均是三維模型以不同角度進(jìn)行投影的成果并且擁有準(zhǔn)確無(wú)誤、數(shù)量齊全、符合標(biāo)準(zhǔn)、能聯(lián)動(dòng)修改的特點(diǎn)。 作為母版項(xiàng)目中預(yù)先創(chuàng)建好的圖紙分類(lèi)， 在實(shí)際使用中設(shè)計(jì)人員只需要對(duì)槽底高程進(jìn)行設(shè)置，即可得到完成的圖紙。 圖紙如圖5 所示。

圖5 落地槽槽身圖紙

4.1.1 設(shè)定項(xiàng)目基點(diǎn)

AutoRevit 項(xiàng)目文件中是以坐標(biāo)定位模型的，且采用的是項(xiàng)目基點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的雙重坐標(biāo)原點(diǎn)定位模式。 本解決方案采用控制項(xiàng)目基點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)之間的距離并將其讀取為槽底高程進(jìn)而其他高程點(diǎn)隨之變化的方式實(shí)現(xiàn)圖紙高程自動(dòng)化輸入。

4.1.2 數(shù)據(jù)引用

使用上文提到的AutoRevit 軟件的數(shù)據(jù)對(duì)接方式，寫(xiě)入設(shè)計(jì)人員輸入的高程數(shù)據(jù)，并且需要同時(shí)將信息寫(xiě)入到注釋族中。 圖5 所示對(duì)鋼筋混凝土的注釋?zhuān)?需要根據(jù)用戶(hù)在圖2 所示對(duì)話框中選定的鋼筋混凝土強(qiáng)度而定， 由于注釋族不同于參數(shù)族屬于模型的基本信息， 所以需要首先獲得注釋族的值，而后再修改成目標(biāo)數(shù)據(jù)。

5 矩形渡槽槽身BIM 模型基礎(chǔ)上的模型計(jì)算和計(jì)算書(shū)編制

結(jié)構(gòu)計(jì)算是判斷設(shè)計(jì)方案是否滿(mǎn)足需求的重要方式之一， 水工建筑物的結(jié)構(gòu)計(jì)算包括內(nèi)力計(jì)算和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算， 計(jì)算過(guò)程十分繁雜且各計(jì)算式之間的聯(lián)系緊密， 一個(gè)關(guān)鍵數(shù)值的改動(dòng)即可影響到整部分計(jì)算結(jié)果。 在逆向設(shè)計(jì)中，如若改動(dòng)關(guān)鍵數(shù)值設(shè)計(jì)人員除了要對(duì)圖紙進(jìn)行修改更要花費(fèi)大量的時(shí)間精力在修改計(jì)算書(shū)上， 一旦發(fā)生計(jì)算疏漏的情況便會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果前后銜接不上，增加在重復(fù)性工作上耗費(fèi)的時(shí)間，不利于設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化升級(jí)。

基于AutoRevit 的水工建筑物正向設(shè)計(jì)技術(shù)采用“計(jì)算書(shū)模板+AutoRevit 二次開(kāi)發(fā)”的模式將計(jì)算說(shuō)明、計(jì)算公式、計(jì)算結(jié)果表格等編寫(xiě)進(jìn)Word計(jì)算書(shū)模板中省去了設(shè)計(jì)人員手動(dòng)編寫(xiě)的時(shí)間。通過(guò)AutoRevit 二次開(kāi)發(fā)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力代替了人工計(jì)算，有效的縮短計(jì)算所需時(shí)間，減少計(jì)算出錯(cuò)率。

5.1 使用方法

（1） 設(shè)計(jì)人員在圖2 所示對(duì)話框中輸入完基本數(shù)據(jù)后點(diǎn)擊“內(nèi)力計(jì)算”按鈕，然后切換到內(nèi)力計(jì)算頁(yè)面查看內(nèi)力計(jì)算結(jié)果， 如若計(jì)算結(jié)果不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求則返回基本數(shù)據(jù)頁(yè)面修改基本數(shù)據(jù)從新進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。

（2）內(nèi)力計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求后，點(diǎn)擊鋼筋截面積計(jì)算按鈕， 分別計(jì)算在滿(mǎn)槽水深和設(shè)計(jì)水深時(shí)鋼筋截面積的參考值。 而后據(jù)此參考值輸入選配使用的鋼筋根數(shù)、單根截面積、選配鋼筋截面積。

（3） 選配鋼筋數(shù)據(jù)輸入完成后點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)計(jì)算按鈕， 進(jìn)行正截面承載力計(jì)算和抗裂及裂縫寬度計(jì)算。 若選配的鋼筋滿(mǎn)足承載力和抗裂及裂縫寬度要求則導(dǎo)出計(jì)算書(shū)， 若不滿(mǎn)足則返回上一步驟重新選配鋼筋，輸入鋼筋數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。 本文是以矩形斷面渡槽側(cè)墻底部界面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算為例的， 底板端部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算以及底板跨中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算操作方法同上。

（4）計(jì)算完成后導(dǎo)出計(jì)算書(shū)，具體操作為返回圖2 所示基本資料頁(yè)面， 點(diǎn)擊導(dǎo)出計(jì)算書(shū)按鈕即可把計(jì)算結(jié)果輸出到計(jì)算書(shū)模板中， 導(dǎo)出計(jì)算成果。

5.2 技術(shù)要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)計(jì)算及計(jì)算書(shū)編制是數(shù)據(jù)交互最頻繁的一部分，它涉及到模型和計(jì)算程序的數(shù)據(jù)互通，涉及到計(jì)算程序和Office 的數(shù)據(jù)引用。在編寫(xiě)計(jì)算程序時(shí)需要時(shí)刻注意數(shù)據(jù)的來(lái)源、 引用方式以及輸出位置，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的交叉使用，見(jiàn)圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算及計(jì)算書(shū)編制流程圖

5.2.1 Word 計(jì)算書(shū)模板編制

Word 計(jì)算書(shū)是最終的交付成果之一， 在編制計(jì)算書(shū)模板時(shí)計(jì)算過(guò)程、 計(jì)算公式均需依照SL191-2008《水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》保證計(jì)算的完整性。

計(jì)算過(guò)程是由計(jì)算機(jī)程序完成的，Word 只作為計(jì)算結(jié)果的載體由程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果帶入計(jì)算式的過(guò)程中， 所以首先要解決怎樣鎖定寫(xiě)入位置這一關(guān)鍵技術(shù)。 Office 軟件中設(shè)置“書(shū)簽”是一種讓字符可被查詢(xún)、定位的的方式，所以采用在計(jì)算書(shū)模板編寫(xiě)時(shí)計(jì)算式輸出的結(jié)果先用書(shū)簽代替， 在通過(guò)后期的二次開(kāi)發(fā)讓程序計(jì)算出的數(shù)值代替標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的帶入。

5.2.2 數(shù)據(jù)交互

BIM 正向設(shè)計(jì)技術(shù)信息化的優(yōu)勢(shì)是建立在數(shù)據(jù)無(wú)障礙交互的基礎(chǔ)上的， 但AutoRevit 和Office軟件是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，信息只能在其內(nèi)部傳遞，所以只有通過(guò)二次開(kāi)發(fā)搭建一個(gè)信息交互的橋梁，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一體化的目標(biāo)，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)集成性的優(yōu)勢(shì)。 數(shù)據(jù)交互的代碼關(guān)系圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)交互代碼關(guān)系圖

6 結(jié)語(yǔ)

基于AutoRevit 的水工建筑物構(gòu)件正向設(shè)計(jì)一體化解決方案是充分發(fā)揮BIM 技術(shù)優(yōu)勢(shì)的最新研發(fā)成果，實(shí)現(xiàn)了高效參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)計(jì)算及計(jì)算書(shū)自動(dòng)化編制和自動(dòng)出圖， 極大程度上降低了BIM 技術(shù)的使用門(mén)檻，將有力的推動(dòng)設(shè)計(jì)階段的技術(shù)革新。 對(duì)于處理批量性的設(shè)計(jì)任務(wù)優(yōu)勢(shì)明顯，相應(yīng)的能減少設(shè)計(jì)人員投入，增加設(shè)計(jì)收入，提升設(shè)計(jì)院效益。 □