Dynamo可视化编程在预制装配式构件中的应用

程 霄， 王 辉

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400000)

近年来，建筑信息模型(Building Information Modeling)的技术理论逐步推广于各类工程项目，应运而生的是工程领域全生命周期对应的各类BIM应用[1]，这是一个以数据信息为核心，对工程项目分析模拟、三维可视化、二维出图、施工模拟、运维管理的过程。目前，Revit是业内公认的主流三维软件平台，有着数据兼容、构件参数化、模型信息化、二维图自动生成等特点。然而Revit在异形建模、钢筋设置等方面存在短板[2]。Dynamo作为Revit平台下的编程工具，在开源、参数化、可视化等方面有明显优势，方便设计师在其简练的操作环境中编写逻辑节点，解决普通三维建模中出现的问题，或是缩短建模步骤，提高效率。

装配式建筑是指按照统一标准的建筑部品规格将混凝土及钢筋构件制作成房屋单元或部件，然后运至施工现场装配就位而生产的建筑。这种建筑有着工程完成质量高、生产效率高、资源利用率高、安全管理、环保节能等突出优点[3]。目前，国内学者作出了少许基于BIM技术在装配式建筑产业中的应用研究。齐宝库、李长福针对BIM技术在装配式建筑全生命周期中的管理及应用前景进行了分析讨论[4]；周文波等通过预制装配式框架结构工程实例，以Tekla钢结构软件进行深化设计，证实了BIM技术在设计阶段应用于装配式建筑的可行性[5]；白庶等分析了在装配式建筑各阶段的应用价值[6]。

鉴于此，本文在总结前人对装配式建筑与BIM技术结合的研究基础上，解析了基于Dynamo的参数化设计，探讨了Dynamo与Revit的软件交互方式，进行装配式构件参数化建模，并扩展到相关工程运用，旨在推动装配式建筑产业在我国的发展。

1 基于Dynamo的参数化设计

1.1 Dynamo概述

Dynamo是一个开源可视化编程平台，能作为独立的“沙箱”模式或作为其他软件的插件运行。它可以让工程师自行定制脚本的逻辑行为,使用各种文本和脚本编程语言(C#、JAVA、Python等)。对于不善于编程的用户，透过可视化编程界面与人机接口，只需掌握一定的编程逻辑知识，并且针对处理问题的思路来设置一套解决方案，经过输入、处理、输出三个阶段创建目标节点和算法解决问题。作为Revit的辅助桥梁，Dynamo可以帮助进行数据信息分析和复杂异形体设计，填补了Revit可视化方式处理模型与管理数据信息的空缺，二者相辅相成，将BIM技术运用提高到更高的层次。

1.2 参数化设计原理

参数化实质为协同理念，组成物体的各部分相互约束相互协同，是一种不可或缺的共存关系，这个过程也许是可逆的[7]。Revit平台中的“参数性”主要表现为族的参数化，在规则范围内控制类型属性中的各项参数。在这之上是Revit自适应族，它可以自行匹配项目模型，使参数控制以三维几何意识的形式表达。

Dynamo基于其可视化的特点，使参数在逻辑关系之下的表现形式十分清晰。Dynamo有明确的输入节点，这些节点控制着整个程序的逻辑关系和处理结果。对于装配式建筑，预制构件(Precast Concrete)为组成完整模型的基本单位，构件外形规格的不同决定着建筑最终形态。本文结合具体项目案例，以Dynamo编程的逻辑思维，参数化地控制装配式预制构件的混凝土及钢筋参数，能有效地提升装配式建筑模型建立效率。

1.3 Dynamo-Revit结合参数化设计优势

Dynamo在以独立的沙盒模型运行时，其自身的建模与扩展能力十分有限，模型数据属性缺乏多样性，无法同目前BIM平台下各建模软件相比，而附托于Revit之后，其能力则显现出来，主要体现在以下几个方面：

(1)在Dynamo利用自身节点建立的模型可以与Revit进行无缝链接，可以随用户意向更改节点参数来放置目标模型。

(2)Dynamo可拾取Revit中的元素，包括项目或族中的曲线、曲面、实体等，同时也能提取当前工程文件下的模型种类，如门、柱、板等，更能浏览任一可输入格式的文件，方便数据的录入。

(3)通过Dynamo建立的辅助模组，不仅能实现相关构件的快速自动生成，还能帮助从CAD到三维模型的信息提取与快速建模。

(4)Dynamo同样能够传递Revit的数据信息，帮助统计工程信息量，并输出以表格和二维图的形式。

2 预制装配式构件建模实践

本文欲结合重庆罗宾森广场项目，阐述Dynamo平台参数化可视编程设计在预制(PC)构件上的运用。该项目超高层建筑要求上部结构轻、抗震性能高、建筑品质好的特点，加上混凝土料送浆等施工难点，响应重庆市对装配式建筑实施要求，项目的四栋塔楼部分采用装配式预制构件，以装配式楼梯构件为例，开展应用研究工作。

2.1 参数化构件信息模块构建

2.1.1 混凝土模型参数化建立

结合项目设计，匹配住宅建筑要求，本次选用单跑樑式装配式楼梯，包括了梯板、平台板、横梯梁、走道板、梯间梁等主要构件，以装配式建筑楼层层高为主要自变量，得到相应楼梯模型的可控制参数化变量(如阶梯数、阶梯宽度、单个阶梯长度高度等)，参数个数依据具体的模型设计而设置。以确定的控制变量为输入参数，通过拖动参数条改变输入变量从而控制楼梯模型的整体形状。由于不同楼梯构件的结构和模型组成部分各不相同，需要在建模前将其拆分，单独定义各部分的几何位置，由此建立其空间的模型控制几何点，再由点—线—面—体的思路逐步建立楼梯三维模型。在此参数化模型构建过程中，除了参数变量输入模块外，还包括坐标变换及函数关系模块、图形处理模块、数据联动模块(图1)。

图1 楼梯构件生成逻辑步骤

2.1.2 钢筋建模处理

不同于混凝土楼梯或是其他形态的模型，钢筋属于依附在混凝土内部的构件，有着附着体量大、布置规范繁琐等问题，一直是BIM建模工作中比较棘手的难点。笔者使用建立钢筋自定义节点的方法，以dyf外部文件创建钢筋形状资源库，依照混凝土构件钢筋布置规范调用钢筋节点。在Dynamo钢筋自定义节点创建中，需要设置相关输入参数类型以及其默认值，包括钢筋直径、旋转角度、弯曲半径、各钢筋段长度等，对节点进行不同数值的连接运算，则可得到相应的钢筋构件，输出形式除了以Solid(实体)外，还增加了Polycurve(多段线)，利于后续扩展调用。对节点进行不同数值的连接运算，则可得到相应数据规格的钢筋构件，接着如同混凝土构件建模一样，依据布置规范设置图形处理模块并关联变量数据，使钢筋符合设计规范的前提下匹配装配式预制构件(图2)。

2.2 Dynamo—Revit模型交互方式

在Dynamo可视化界面中可以看到的一系列图形，都是以Dynamo内置的图形数据格式存在的，与Revit中的图形数据格式截然不同，因此，需要以合适的方式对二者进行数据交互。

2.2.1 导入符号

导入符号(Importinstance)输入数据为Dynamo中的单个或多个几何图形，输出到Revit的几何体几乎可以保留完整的图形信息，如遇复杂的异形几何体则可能出现模型缺失的情况。导入符号除此外并无其他附加信息数据，如同Revit中导入的CAD图纸，无法对其进行二次编辑，管理与运用都较为不便。对于外形结构单一规整的模型，导入Revit后可通过分解功能使其在常规模型族样板中转化为族文件，此时可以进行简单的图形调整和信息添加。

2.2.2 形状端口

形状端口(DirectShape)是由Dynamo创建的某些几何图形、类别、材质和名称信息导入Revit项目文件的半智能构件，相比导入符号，多提供了一些信息数据和操作管理，它的图形列表在Revit模型中被细分为多个部分，导入之后便无法更改其图形信息，因此缺乏一些关键构件元素使之无法参与受Revit约束的进程。

2.2.3 族端口

族端口(FamilyInstance)是通过Dynamo在Revit中创建一个自定族的符合节点，使导入的图形数据以族的形式展现出来，这也是较为理想的转换方式。该过程需要在Dynamo的资源库中下载SpringNodes软件包，输入参数除基本的图形信息外，需要一个族模板的文件路径，作为数据载体传递Dynamo中的图形数据信息，因此能够运用族的优势特征构建模型(图3)。

图3 三种交互方式表达

2.3 扩展应用

研究结合实际工程项目情况，由以上方式建立的装配式楼梯构件钢筋与混凝土模型还达不到项目施工设计要求，构件所涵盖的信息数据远不止模型本身。在完成模型导入后，Dynamo还能结合基本模型图形信息，传递多层级扩展信息的相关性，以及参数化三维表达的运用，旨在搭建起Dynamo运用于装配式建筑预制构件的平台架构。

2.3.1 构件算量统计

装配式预制构件的材料用量信息是项目前期设计和施工阶段的重点，它能清晰地分解出混凝土和钢筋的用料类型和体量能够帮助业主进行成本规划控制。以钢筋算量统计为例，在Dynamo中根据构件算量表需求，设置数据统计与算量清单模块，在输入端引入各类型钢筋的信息数据，在模块中进行数据处理和列表转换，最后导出至已建立好的目标文件表格。该过程以用户的编程思路为引导，依据项目情况输出有效工程用量信息、整理数据格式等等(图4)。

图4 算量统计模块输出表格

2.3.2 构件二维出图

现阶段构件加工图纸还只是停留在二维平面上，预制构件生成厂家无法依托于三维模型加工构件，由此需要在二者间进行对接，实现三维构件模型设计到二维图纸加工的转变。Revit平台内置了二维图纸生成板块，能够在图纸模板的基础上将三维模型以不同平面视角与剖切面表达，加以绘图编制可获取二维信息数据。因此，将钢筋以Curve形态输入，同时设置钢筋模型线转置模块，使构件中的钢筋模型为Revit中的模型线，通过二次编辑与出图处理，满足构件二维出图要求。

2.3.3 参数窗口控制运用

Dynamo作为Revit平台下新兴的可视化参数编程工具，需要独立附加运行dyn编程文件，在操作界面中的输入端控制调试变量数据，得到Revit信息模型。基于该流程的参数化设计操作无疑显得累赘。2017版本Revit平台内嵌了dyn运行插件——“DynamoPlayer”，它的出现省去了对编译完整的参数化dyn文件多余的调试，类似于二次开发端口，要求编译的自定义节点dyf与dyn文件放置于同一路径下，选定目标dyn文件后，即可更改输入参数设置(图5、图6)。

图5 DynamoPlayer参数控制

图6 楼梯构件组合与渲染效果

3 结束语

装配式建筑在我国的发展已悄然起步，结合建筑信息模型的设计运用手段，更能有助于装配式建筑的发展优势，推动其产业链良性运作。本文阐述了前人对装配式建筑与建筑信息模型关联性的总结，以Revit平台下的可视化编程工具Dynamo为切入点，讨论了其参数化设计的可行性与优势，建立了参数化预制构件模型框架。在项目实践中，以装配式楼梯构件为例，整合了混凝土与钢筋模型的处理方式，选取最优的平台交互方式，并设置算量统计模块、二维图纸生成模块辅佐项目施工运用，提出以“DynamoPlayer”窗口插件进行便捷参数化控制。结果表明，基于Dynamo平台的可视化编程能够有效地适用于装配式建筑各项预制构件模型生成，增强建模人员对于构件参数化的把控，实现Revit与Dynamo平台互通的同时，减少后期预制构件建模工作量。可见在不远的将来，可视化与参数化的编程利器定会应用在更广泛的工程领域。

[1] 孙晓峰, 魏力恺, 季宏. 从CAAD沿革看BIM与参数化设计[J]. 建筑学报, 2014(8):41-45.

[2] 靳铭宇. 浅析Autodesk Revit在中国的发展及局限性[J]. 华中建筑, 2008, 26(1):83-84.

[3] 向庭薇,黄秀秀,姜又丹.中国建筑行业生产方式的变革——装配式建筑在国内的发展趋势[J]. 四川建材,2017,43(3) : 48-49.

[4] 齐宝库, 李长福. 基于BIM的装配式建筑全生命周期管理问题研究[J]. 施工技术, 2014(15):25-29.

[5] 周文波, 蒋剑, 熊成. BIM技术在预制装配式住宅中的应用研究[J]. 施工技术, 2012, 41(22):72-74.

[6] 白庶, 张艳坤, 韩凤,等. BIM技术在装配式建筑中的应用价值分析[J]. 建筑经济, 2015, 36(11):106-109.

[7] Neil L,Yuan P F．Scripting the Future[M]. 上海:同济大学出版社, 2012.