基于Revit的建筑结构BIM正向设计方法及软件实现

(广东省建筑设计研究院，广州 510010)

1 前言

建筑设计行业的BIM技术应用大都选择了Revit软件作为平台，故基于Revit结构模型实现直接建模、计算和自动出图是大势所趋[1-6]。

目前Revit结构设计功能较弱，尚不满足中国制图规范和设计规范的要求，拖了结构专业BIM应用的后腿。在Revit上开发一套满足中国设计规范要求的结构CAD成了当务之急。基于Revit的结构BIM正向系统正是下一代以BIM技术为基础的结构CAD系统，将有力推动我国BIM技术的落地应用。

BIM技术的应用是一个复杂的系统工程，本文针对建筑结构设计，提出在当前软硬件条件下实现基于Revit的结构BIM正向设计的方法，并且在GSRevit系统开发中，研究总结了适合我国行业应用的结构计算模型BIM数据标准和满足全国各地设计单位习惯的结构施工图BIM数据标准，以解决Revit快速建模、BIM模型计算和BIM出图等三个关键技术。

2 逆向设计和正向设计流程对比

本文所研究的正向设计是以三维BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务，而逆向设计是以“翻模”为特征，在设计的每一个阶段各自根据需要将二维数据转换为三维BIM模型，BIM模型的使用价值较低。

当前大多数工程项目的结构BIM应用属于逆向设计，建造过程中需要多次重复建模。结构设计人员初步设计时绘制一遍模板图，结构计算时输入一遍计算模型，施工图设计时根据初设模板图进行深化，碰撞检查时重新建立三维精确模型。整个结构设计过程重复建了4次模型，虽然个别阶段模型能重复使用，但总体工作效率比较低。

而正向设计可以做到一模多用。设计时只需要建立1个模型，结构设计人员初步设计时建立三维模型，通过平面剖切形成的模板图用于初步设计，在该模型上添加荷载即可用于结构计算，再添加钢筋信息就可绘制施工图，该三维模型可直接用于碰撞检查，最后该模型可用于算量、施工和运营维护，如图1所示。

结构BIM正向设计可实现三个目的：

1)在Revit上直接建模、计算和结构施工图绘制；

2)实现滚动式结构设计：三维结构模型随着设计深度的变化，不断添加需要的信息，譬如加偏心、加荷载、加钢筋信息等；

3)只需要维护一个三维模型，模型中只有一套墙柱梁板数据，即使施工图阶段修改了模型，仍可进行结构计算。

3 结构BIM应用一体化解决方案

Revit的结构设计功能较弱，为实现高效、可靠，且符合工程师习惯的应用，在Revit的主菜单上增加了如图2所示的8个子菜单：模型导入、结构信息、轴网轴线、构件布置、荷载输入、模型导出、钢筋施工图和装配式设计。只要采用Revit代替AutoCAD进行结构方案设计，后续各设计阶段就能实现结构BIM正向设计。

图2 Revit结构BIM正向设计系统子菜单

图3 结构BIM应用一体化解决方案的实现流程图

结构BIM应用一体化解决方案的实现流程如图3所示。其实现过程主要有以下三个关键步骤：

1)在GSRevit中建立BIM模型，输入构件几何信息、结构总体信息、荷载信息、设计属性等，结构计算需要用到的所有信息都录入到BIM模型中；

2)通过BIM模型生成计算数据，无缝对接GSSAP进行结构计算，也可导出模型到SATWE或YJK进行结构计算；

3)读取GSSAP、SATWE或YJK的计算结果，在Revit或AutoCAD中生成结构施工图，GSRevit生成的施工图可导入广联达软件进行钢筋量、混凝土量计算，并可对接广联达BIM5D实现BIM模型的扩展应用。

4 基于Revit的结构快速建模

基于Revit研究结构计算模型BIM数据标准，用于管理结构的几何和非几何信息。非几何信息包括：总信息、各层信息、墙柱梁板设计属性、墙柱梁板荷载等。设计信息的编辑与修改与传统结构设计软件的习惯相同，方便应用。

4.1 族及共享参数

为使GSRevit建立的BIM模型有更好的兼容性，GSRevit尽量采用Revit本身的建模逻辑进行BIM模型建模。结构墙、结构板采用Revit的墙系统族、板系统族，结构梁采用结构框架族，结构柱采用结构柱族。

为了能够在构件中添加结构信息，通过项目参数在结构构件中添加共享参数。

4.2 结构总信息

Revit中缺少关于结构非几何信息的表达方式，结构的非几何信息需要自行开发程序进行输入。

为满足结构计算的需求，GSRevit中通过对话框输入结构设计总信息(见图4)、墙柱梁板设计属性(见图5)，为减少工程师操作新软件时的陌生感，其界面设计为与GSSAP一致。

图4 结构总信息对话框

图5 墙柱梁板设计属性对话框

4.3 轴网输入

GSRevit开发了轴网输入模块，菜单见图6，工程师可通过该模块实现轴网快速输入。

图6 轴网输入模块

4.4 墙、柱、梁、板输入

为方便工程师快速建模，降低工程师使用BIM软件的门槛，GSRevit根据传统结构设计软件的输入习惯，开发了墙、柱、梁、板的输入模块。通过该模块进行结构构件建模，仅需要输入构件截面尺寸，不需要考虑Revit中关于族的定义及相关操作。图7为梁构件截面定义对话框。

4.5 荷载输入

虽然Revit中有输入结构荷载的功能，但其操作方法、显示方式等均与传统习惯差异较大，且在方便性上也不如传统方法。

GSRevit软件在Revit中独立开发荷载输入模块，工程师可通过图8所示对话框输入各种类型的结构荷载，荷载输入后程序将以共享参数和扩展数据形式存于Revit文件中。

图7 梁构件截面定义对话框

图8 荷载对话框

5 基于Revit模型的结构计算分析

5.1 构件模型与有限元模型

工程师在GSRevit中建立构件模型，构件模型建模完成后，生成计算模型，首先通过构件剖分形成有限元模型，并生成相应格式标准的计算数据。计算完成后，将有限元模型转换为构件模型，工程师所见的计算结果是构件模型的结果，方便设计使用。

5.2 计算模型和施工图模型的统一

结构设计的过程就是不断深化和反复修改的过程，因此要实现Revit模型直接用于结构计算，需要解决计算模型与施工图模型的统一问题。通过研究分析发现，主要有以下问题要解决，如图9所示：

1)计算模型中主次梁交接处，主梁需要断开，并在交界处新增一个节点，而在施工图模型中，主次梁交接处主梁不需要断开。

2)计算模型中梁墙交接处，墙肢需要断开，并在交界处新增一个节点，而在施工图模型中，梁墙交接处墙肢不需要断开。

因此，在形成有限元模型时GSRevit通过智能判断如何分段来实现施工图模型的直接计算，保证计算模型和施工图模型的统一。

图9 计算模型和施工图模型

5.3 Revit模型和计算模型双向互导

GSRevit结构可实现BIM模型与GSSAP有限元计算双向互导，包括墙柱梁板的几何和非几何信息。

总体信息包括：计算总信息、地震信息、风计算信息、调整信息、材料信息、地下室信息、时程分析信息、砖混信息等。

各层信息包括：结构层高、构件混凝土等级、砂浆强度等级、砌块强度等级、竖向塔块号、标准层号、对应Revit中原有标高等。

设计属性包括：构件抗震等级、计算长度、约束释放情况、施工顺序号、刚域长度等。

荷载类型包括：线荷载、集中荷载、局部线荷载、分布扭矩、集中扭矩、温度变化、曲线变化荷载、风荷载等。

荷载工况包括：重力恒载、重力活载、土压力、水压力、预应力、雪荷载、升温、降温、人防荷载、施工荷载、消防荷载、风荷载等。

6 基于Revit的自动成图技术

众所周知，国内各地设计单位的施工图绘制习惯都不同，GSRevit开发了一套墙柱梁板钢筋标记族和大样族，族参数中增加了相应的绘图习惯选择，满足各地设计单位的需要，形成了适合全国各地设计单位习惯的结构施工图BIM数据标准。

6.1 技术要点

GSRevit自动成图技术主要有以下技术要点：

1)自动读取GSSAP、PKPM、YJK等结构计算软件的计算结果。

2)将构件计算内力、配筋等先作为文字信息存储到对应的结构构件中，再通过标签进行相应信息的显示。

3)根据计算结果实现梁、墙构件的自动分段，对属于同一跨梁或同一墙肢的单元自动合并。

4)板钢筋族包括3个板标记族、3个底筋族和3个面筋族，见图10。

5)梁钢筋族包括12个梁标记族和一个密箍吊筋大样族，见图11。

6)柱钢筋族包括4个柱标记族，见图12。

7)墙钢筋族包括3个墙身标记族和6个暗柱标记族，见图13。

图10 板钢筋族

图11 梁标记族位置

图12 柱标记族

图13 墙身和暗柱标记族

6.2 定制施工图习惯

钢筋施工图一般采用平面表示法，但各地设计单位的绘制方法不完全相同。我们收集了全国各地设计单位的绘图方法，将其贯入自动成图软件功能中。GSRevit软件开发中，根据以往积累的施工图习惯，在Revit中针对墙、柱、梁和板钢筋施工图开发了一套施工图族，可满足施工图习惯的要求。施工图绘制习惯设置对话框见图14。

6.3 模板图和钢筋施工图

GSRevit可读取GSSAP、PKPM、YJK等结构计算软件的计算结果，在Revit中自动生成与AutoCAD中一样的墙柱梁板模板图和钢筋施工图。而且，GSRevit生成施工图时，会将配筋信息输入到结构构件中，方便用户对结构信息的联动修改和二次利用。GSRevit生成的施工图如图15～图17所示。

图14 施工图习惯设置对话框

图15 墙钢筋平面图

图16 梁钢筋平面图

图17 板钢筋平面图

7 工程应用

本项目为白云机场扩建工程噪音安置区的配套公建，包含托儿所、社区少年宫和文化站等功能，旨在为少年儿童提供一个学习和活动的场所。本项目建筑面积5 300m2，共3层。

结构采用GSRevit软件进行建模，完成梁、板、柱的初步方案并提供给建筑专业，与建筑专业、设备专业反复协调并修改模型，直至初步模型确定，之后通过GSRevit将模型深化至施工图阶段。各专业协作流程如图18、图19所示，完成的施工图结构模型如图20所示。

图18 初步设计阶段各专业协作流程图

图19 施工图阶段各专业协作流程图

图20 链接建筑模型的GSRevit结构模型

8 小结

GSRevit是基于Revit的正向设计最新研发成果，实现了直接建模、计算和绘制施工图，大大降低BIM应用门槛，帮助工程师从AutoCAD走向Revit完成BIM结构正向设计，将有力地推动BIM技术在结构设计中应用。

概括来说，使用GSRevit进行结构BIM正向设计有4点优势：1)不改变原有设计流程； 2)不改变原有施工图表达； 3)不改变软件操作习惯； 4)改进了结构设计方法。