基于BIM技术的梁柱节点全三维深化设计

陆海燕 张 怡 崔 琨 宁宝宽

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

引言

钢筋混凝土结构梁柱节点包括梁柱相交的节点核心区以及与核心区相连的梁端、柱端，是框架结构的关键构件，起着传递、分配内力和保持框架结构整体性的作用。所以节点部位的钢筋配置在整个建筑工程中占有极其重要的地位，影响着工程质量。目前采用的平法绘图在复杂的工程中无法清晰地表明设计师的意图，图纸的可读性不高，因此，在钢筋工程施工图中融入 BIM 技术，把钢筋放样图清晰的呈现出来，既简单又直观，大大提高布筋的准确度，从而提高施工人员的工作效率。现阶段国内外很多学者对基于BIM的钢筋参数化问题进行了研究，Yang等[1]针对装配式住宅的建筑构件深化设计阶段，建立标准化、模块化的模型库，

提出了实现装配式住宅与BIM设计组合的思路与方法。MACIELAR等[2]研究利用钢筋详细定位模块实现具有搭接长度和锚固长度的平板三维钢筋自动配置； Atul[3]分析利用BIM技术可以更加合理地进行钢筋配置，从而节约钢筋成本； Li等[4]通过针对是否运用BIM技术管理对两个实际工程进行对比，指出在建筑物工程量计算与解决建筑物钢筋碰撞问题等方面，BIM技术具有较大优势； Kensek[5]等运用Arduino，Dynamo和Revit API等技术软件将传感器与BIM技术进行结合，并在工程实际中得到应用； 陆海燕等[6]通过分析剪力墙结构体系中边缘构件的配筋情况，结合 BIM 软件Revit的参数化建模功能与 Revit API 开发接口，研究了几种常见规则构件的参数化； 张祥等[7]通过分析古建筑的构件尺寸规律，结合BIM软件Revit Architecture和Object ARX 技术实现其参数化； 罗远峰等[8]通过分析装配式建筑构件的钢筋排布规律，运用Revit实现装配式建筑中部分构件钢筋的参数化排布； 赵岩等[9]对Revit进行二次开发，编制数据读取程序并自动对读入数据进行参数化建模； 刘飞虎等[10]研究利用 CATIA 快速创建结构复杂桥墩内不同型号的钢筋，较传统的三维建模方法更加方便快捷； 舒欣等[11]运用BIM技术在南通政务中心停车综合楼项目中从标准化设计、可视化设计、构件模型深化、碰撞检查和施工模拟等方面进行了深入的研究； 林树枝等[12]通过BIM协同平台进行项目各阶段的衔接及各参建方的信息交互，实现项目的智能化管理； 魏晨康等[13]利用 BIM的虚拟技术解决了超高层建筑中钢结构构件与钢筋冲突碰撞问题。

以上针对BIM技术在钢筋建模方面的研究很多，但大多数钢筋建模采用Revit软件自带的钢筋族，不便于单根钢筋的修改且钢筋与钢筋之间容易发生碰撞，可操作性差，效率低。为更好地解决钢筋碰撞及锚固不足等问题，本文依据节点部位的钢筋排布规律及规范要求，提出不同于现有Revit钢筋族的新型参数化自建族方法，通过建立基于Revit族的梁柱节点全三维参数化设计模型，解决了适用于梁柱节点的钢筋建模问题； 同时，应用Revit二次开发将自建族放置在梁柱节点处，实现梁柱节点处钢筋的自动生成，并在实际项目进行了验证。

1 梁柱节点的多维参数化模型

节点参数化设计首先面临的问题是如何进行数字化的描述，对于常见的框架结构，结合规范及设计图集的要求按照如图1所示的全三维参数化设计流程进行设计。首先，根据节点连接的构件关系，将节点描述为单个三维钢筋参数化模型、内嵌钢筋的基本构件参数化模型、节点参数化模型及典型节点四个维度。其中三维钢筋参数化模型为基本模型，并以构件模型为载体，各维度模型通过维度参数相互制约构成节点族的层层嵌套模型。

图1 全三维参数化设计流程

1.1 全三维参数化模型设计

框架结构中钢筋分为纵筋和箍筋，纵筋根据节点的情况可采用弯锚、直锚或机械锚固等形式，同时为了满足避让需求可能会有水平和竖向弯折。为此对于做水平避让和竖向避让的钢筋提出如图2所示的参数化模型，并对应表1中模型的六个参数，六个参数的含义分别为：a为起端弯锚长度，b为起端深入支座长度，c为起端水平偏移距离，d为末端水平偏移距离，e为末端深入支座长度，f为末端弯锚长度。通过参数的变化可构成不同形状的纵筋。

图2 纵筋参数化模型

表1 参数与钢筋形状

箍筋可以根据对规范的理解提出如图3所示的钢筋参数化模型。首先创建轮廓线，得到纵筋位置上的圆心坐标点P1(x0，y0)点P2(x1，y1)点P3(x2，y2)点P4(x3，y3)，分布钢筋半径r，箍筋直径d，弯钩长度L0，弯钩角度α，保护层厚c，柱长a，宽b，根据参数设定，可得到10个点的参数化坐标，通过坐标可确定箍筋。

图3 箍筋参数化模型

1.2 基本构件维度参数化模型

梁和柱是框架结构的主要构件，梁构件模型如图4所示，梁构件分为箍筋加密区和非加密区，参数分为钢筋形状参数及构件维度参数(钢筋在构件中的定位参数)。

柱构件模型如图5所示，柱钢筋分为角部钢筋、边部钢筋，箍筋分为加密区箍筋和非加密区箍筋，参数分为钢筋形状参数及构件维度参数。

图4 梁构件参数表及模型图

图5 柱构件参数表及模型图

1.3 节点维度参数化模型

几何参数化建模以主控参数的驱动力为基础，首先建立主控参数的模型，主控参数模型由梁和柱组成，梁柱相对位置通过中心线确定，如图6所示为一维参数化模型，其中涉及参数为梁的长度、宽度、厚度，柱的长度、宽度、高度以及每根梁相对于柱的位置，根据参数表确定构件的几何参数，通过修改几何参数确定构件几何尺寸。

图6 节点参数化模型

图7 典型节点参数化模型

2 基于Revit的梁柱节点的多维参数化族

2.1 多维参数化族的创建

对前面提出的多维参数化模型，目前Revit 软件无法直接实现，为此通过Revit 中自建族的方案，如图7为通过自建族创建的四种参数化模型，分别为一字型节点、L型节点、T型节点和十字型节点。采用公制常规模型，结构板块设置为结构连接，族参数选择钢属性，这样使族在各个项目中的视图显示钢特性，通过Revit软件中拉伸功能绘制钢筋在XY轴上的二维平面图，接着在立面图中拉伸Z轴方向的三维图形，形成纵向钢筋，梁部钢筋采用放样的方式创建弯锚钢筋，弯锚钢筋分为向上弯锚、向下弯锚。锚固长度根据规范要求设置为15d。利用放样功能，绘制箍筋路径，选取工作平面绘制箍筋轮廓，形成箍筋。将钢筋族载入梁柱构件中，形成嵌套族，将钢筋在梁柱中设置位置参数，通过阵列设置钢筋数量参数。设置箍筋数量时通过锁定将钢筋与柱边和梁边锁定，使钢筋长度随着梁柱长度参数的变化而变化，箍筋数量通过钢筋长度/箍筋间距设定，当箍筋间距一定时，可通过梁柱长度的变化同时改变纵向钢筋和箍筋。梁部钢筋通过设置每根纵向钢筋与梁边距离控制钢筋位置，确保梁柱相对位置发生改变时，钢筋随之改变。

2.2 节点深化设计

节点深化设计主要是通过可视化操作解决钢筋碰撞问题，如图8所示。

图8 钢筋碰撞图

节点部位钢筋复杂，碰撞问题很难避免，在此基础上，提出可视化方法解决此问题，钢筋避让分为水平避让和垂直避让，水平避让可避免梁部钢筋与柱钢筋碰撞，垂直避让可避免梁部钢筋碰撞。

钢筋避让是在Revit可见性的基础上操作，首先在直钢筋的基础上绘制出向上、向下偏移钢筋，并设置偏移距离参数。

选中偏移钢筋对其可见性进行设置，并关联参数，关联后的参数在族类型表中可见，设置三种族类型，分别对应每一种可见性钢筋，载入项目中后可在三维视图下通过对族类型的选择实现钢筋形状的选择，实现钢筋弯折，从而避免碰撞，如图9所示，为避让后的配筋图。

图9 钢筋避让效果图

3 钢筋的快速生成

自动生成三维钢筋首先将BIM建筑模型建立好，通过使用Revit API和C#中的编码识别模型信息，判断模型类型，将现有钢筋族载入模型中，实现三维钢筋的自动创建，具体思路如图10所示。

图10 创建钢筋流程图

首先过滤图形中的所有结构梁，将所有梁看作一条直线，提取粱线坐标，创建集合，提取所有梁线交点，将每根梁与其对应节点进行编号，通过交点坐标判断节点类型。

(1)若交点坐标等于两条粱线的两个端点坐标，则节点为L型节点；

(2)若交点坐标等于其中一条粱线的端点坐标，则节点为T型节点；

(3)若交点坐标不等于任何一条粱线的端点坐标，则节点为十字型节点。

通过交点坐标确定放置节点位置，从节点族中调取相应节点，根据对应节点放置形式，对节点族进行旋转，梁位于柱左侧定义为-1，右侧+1，梁位于柱上侧定义为+1，下侧-1，通过坐标轴方向将节点钢筋族旋转90°、180°、270°，可以完成节点放置。

如图11所示为框架结构单元，采用上述方法运用Revit API自动放置节点钢筋族，一键生成如图12所示的节点配筋图，实现了节点的快速配筋。

图11 框架结构模型

图12 节点配筋图

4 某办公楼基于Revit的深化设计

本工程为某六层框架结构办公楼，本地区抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类场地。基本风压0.30kN/m，基本雪压0.30kN/m，采用现浇钢筋混凝土结构，本工程设计时，采用本文提出的参数化设计方法进行梁、柱及节点深化设计。

4.1 实施方案

为了实现节点全三维参数化设计，采用面向对象的程序设计方法，对Revit进行二次开发，完成梁柱参数化节点的自动生成，在通过可视化的交互设计完成节点深化设计，在通过Revit二次开发将节点深化设计结果与梁柱全参数化模型实现参数自动连接，进而完成构件深化设计。实施方案见流程图13，具体步骤如下：

图13 实施方案流程图

(1)针对本项目的特点，建立梁、柱及节点构件全三维参数化族。

(2)对项目中的梁柱构件进行参数化类型定义，完成本项目的如图15所示的Revit建模。

(3)对Revit进行二次开发，确定出各节点所连接的梁柱构件，并根据构件的位置关系，结合节点参数化模型，自动生成节点参数化模型。

(4)通过可视化的交互设计对节点钢筋进行钢筋避让及钢筋锚固设计、完成节点深化设计。

(5)对Revit二次开发，提取BIM模型中节点深化设计结果与梁柱全参数化模型实现参数自动连接，进而完成构件深化设计。

(6)通过Revit二次开发，编程提取BIM模型中构件信息，完成施工图设计。

4.2 实施结果

通过对节点的运用以及深化设计的研究，针对上述办公楼进行参数化设计，得到如图14所示的三维布置图。

图14 节点布置三维图

5 结论

(1)基于Revit参数化族的方法建立了梁柱节点的全三维参数化设计模型，将复杂的梁柱节点配筋设计转化为多维钢筋模型、节点模型及典型构件模型，解决了复杂节点部位钢筋的建模难题，拓展了BIM技术在结构深化设计中的应用，为梁柱节点钢筋深化设计提供了模型基础；

(2)基于族参数的变化提出了一种解决梁柱节点钢筋锚固及避让的方式，实现了节点的三维可视化交互设计，为梁柱节点钢筋锚固及避让问题带来了新的解决办法；

(3)通过C#编程的方法，调取设计模型并载入到项目中，实现了梁柱节点处钢筋的自动化生成，某工程的验证证明了该方法是可行的，通过BIM技术的二次开发为节点参数化族的应用提供技术支持。