BIM技术下的装配式建筑斜支撑可装配性设计研究

夏振华

井冈山大学 江西 井冈山 343009

随着建筑行业对高效、可持续和经济的建筑方式的需求增加，装配式建筑作为一种先进的建筑技术逐渐受到关注。然而，装配式建筑斜支撑作为建筑结构中重要的构件，其设计过程面临着一些挑战和复杂性，受制于传统理念，以往的设计方法往往依赖于经验和直觉，缺乏可使用的系统性优化方案和智能化工具[1]。基于BIM技术的智能化软件开发为装配式建筑斜支撑的设计提供了新的思路和可能性。通过将BIM技术与参数化设计和智能化分析方法相结合，可以实现斜支撑的几何形状优化和装配性能分析，并支持设计人员快速、准确和可靠地开展工作。

1 建筑技术系统在可装配性设计中的发展概述

可装配性设计（Design for Assembly，简称DFA）是一种设计方法，旨在最大程度地简化产品的装配过程，从而提高生产效率和质量。DFA方法将产品的装配设计与制造过程紧密结合在一起，通过综合考虑产品的结构设计、装配顺序、装配工具和装配工艺等因素，以最小化装配过程中需要的操作步骤、时间和成本。

由计算机辅助的建筑技术系统在DFA中的发展经历了以下几个阶段：

（1）初期模型化方法（1980年代）：在早期，研究人员主要致力于开发基于规则和模板的方法，以帮助设计师评估装配性。通过确定产品的结构和组件之间的联系，设计师可以分析装配的顺序、步骤和时间[2]。然而，这些方法通常需要手工计算和图形化表示，限制了它们的应用范围。

（2）可视化方法（1990年代）：随着计算机图形学和多媒体技术的发展，研究人员开始探索基于图形化表示和可视化的方法。这种方法结合了三维建模和虚拟现实技术，使设计师能够更直观地理解产品的装配性，并通过虚拟装配检查装配过程的合理性和可行性。

（3）基于知识的方法（2000年代）：随着人工智能和专家系统的进一步发展，研究人员开始将知识表示和推理技术应用于DFA系统中。这种方法可以将领域专家的经验和知识整合到系统中，通过推理和决策支持帮助设计师进行装配设计。例如，通过规则引擎和专家系统，系统可以自动识别和规避可能的装配冲突和问题。

（4）集成化和优化方法（2010年代至今）：近年来，随着信息技术的飞速发展，DFA系统趋向于与其他计算机辅助工程（CAE）系统和生产管理系统进行集成。这种集成化的方法可以在产品设计阶段就考虑装配性，并与其他工程和管理系统进行联动，实现全生命周期的装配优化。

计算机辅助系统在可装配性设计中的应用领域，经历了从初期模型化到可视化、基于知识和集成化优化的发展历程，不断提高了装配性设计的效率和精确度。随着技术的不断发展，DFA系统将继续演化和创新，为设计师提供更强大、智能化的工具和支持。本文基于DFA理念提出预制构件的可装配性设计思路，探究斜支撑DFA的具体实现方法。

2 斜支撑族库的参数化创建

2.1 Revit中族的定义与类型

Autodesk Revit是基于族（Family）而演变来的BIM型软件。其中，每个元素都被归类为一种特定类型的族，这些族可以是预定义的（如墙、门、窗等）或用户自定义的。Revit中的族有以下几种类型：

（1）系统族（System Family）：这些族是Revit的预定义族，例如墙、楼板、窗等。系统族包含了一组默认属性和参数，不能进行修改或添加新的属性或参数，但是可以通过类型属性进行一些常见参数的调整[3]。

（2）系统族的几何类型（System Family Geometry Type）：系统族的几何类型决定了该族的基本形状和尺寸。例如，墙族的几何类型可以是直线、弧形、矩形等，窗户族的几何类型可以是矩形、多边形等。用户可以根据需要选择不同的几何类型。

（3）嵌套族（Nested Family）：嵌套族是指将一个族嵌入到另一个族中，以创建更复杂的元素。例如，在一个墙体中添加一个嵌套的窗户族。嵌套族可以是Revit预定义的系统族，也可以是用户自定义的。这种嵌套的结构可以提高建筑元素的灵活性。

（4）无类族（In-Place Family）：无类族是一种仅适用于特定项目的族。用户可以根据需要创建这些族，并添加自定义的属性和参数，与系统族不同，无类族不会生成独立的Revit族文件，而是保存在当前项目中[4]。

（5）载入族（Loaded Family）：这是Revit中最常见的族类型。载入族是指从磁盘上加载的外部Revit族文件，用户可以在项目中直接使用这些族，并对其进行修改和自定义。

（6）参考族（Reference Family）：参考族是一种特殊的族类型，用于在建模过程中提供参考或辅助信息。例如，可以创建一个几何空心的辅助柱族，用于在模型中定位元素。

Revit中的族是将建筑元素组织和管理的一种方式，可以是预定义的系统族或用户自定义的族。族的类型包括系统族、嵌套族、无类族、载入族和参考族，每种类型都有其特定的属性和参数。这种基于族的建模方法使得Revit能够更灵活、高效地创建和修改建筑模型。本文的斜支撑族构件依据载入族创建。

2.2 斜支撑族构件的参数化创建

运用Revit进行斜支撑族构件的参数化创建，首先需要创建一个族文件，然后在族文件中设置所需的参数和几何形状。以下是创建斜支撑族构件的参数化步骤：

（1）打开Revit软件，选择新建项目，并在创建新项目对话框中选择“族”选项。

（2）在族模板对话框中，选择“自定义家族模板”选项，并选择合适的结构类别，如“结构框架”。

（3）在族编辑环境中，通过绘图工具创建一条倾斜的线，表示斜支撑的轴线。

（4）使用绘图工具在轴线两端绘制需要的几何形状，如连接节点、支座等。

（5）选择“创建”选项卡中的“参数”工具，在“添加参数”对话框中定义所需的参数，如长度、角度、宽度等。根据需要，可以选择不同的参数类型，如实数、角度、长度等[5]。

（6）调整几何形状和参数之间的关系，通过选择几何形状并关联到相应的参数，使得几何形状能够根据参数的变化而自动改变。

（7）继续添加其他所需的参数和几何形状，并设置它们之间的关系，以实现斜支撑族构件的完整定义。

（8）完成族文件的编辑后，选择“保存”选项保存族文件，并命名为适当的名称。关闭族编辑环境并返回到项目中，即可在项目中使用参数化创建的斜支撑族构件。

通过以上步骤，便可以利用Revit实现斜支撑族构件的参数化创建，使得该构件可以根据参数的变化自动调整几何形状，提高设计效率和灵活性[6]。本文的研究采用载入族，创建了斜撑用墙面钢片族、带插筋螺母族、螺栓族、斜撑用地面拉环族、斜支撑杆族等，如图1所示。

图1 斜支撑族库的创建

3 基于BIM的斜支撑智能化设计框架

本文所设计的基于BIM的斜支撑智能化设计框架包括设计人员输入准备板块和智能化设计分析板块（见图2）。以下是框架的具体细节：

图2 基于BIM的斜支撑智能化设计框架

3.1 设计人员输入准备板块

在这个板块中，设计人员应该输入斜支撑的基本参数和要求，如施工进度计划、施工定位信息等，再根据实际情况，配合资质文件，确定衍生数据的变化，如材料规格、设计标准、结构类型、加载条件、支撑长度等。此外，设计人员还应提供建模平台的信息，并将建模环境设置为BIM软件，以便在设计过程中进行智能化分析。

3.2 智能化设计分析板块

在这个板块中，利用BIM软件实现基于参数化的斜支撑智能化设计。

（1）根据设计人员输入的参数，利用BIM软件中的参数化工具创建斜支撑族构件。可以通过调整参数值，实现几何形状的自动变化，接下来利用BIM软件中的分析工具对所创建的斜支撑族构件进行力学分析。然后，根据加载条件和支撑长度等参数，进行荷载计算、应力分析和变形分析等。在分析的基础上，利用BIM软件输出分析结果，如受力状态、变形量等，其结果可以通过图形表示或表格形式展示。

（2）设计人员可以根据分析结果进行优化设计，如果需要，可以进行多次迭代，进一步优化智能布设斜支撑的流程[7]。

通过这个基于BIM的斜支撑智能化设计框架，设计人员能够通过输入参数和要求，利用参数化构件和智能化分析工具进行设计和分析。这样的设计框架能够提高设计效率和准确性，并为设计人员提供更准确的设计决策依据。

4 Revit的二次开发

Revit是一种通过BIM技术进行建筑设计和施工的软件，它是一种为各种领域的建筑专业人员提供了强大的建模、协作和文档管理功能的工具。而Revit二次技术开发则指在Revit软件的基础上，通过编程开发额外的功能、插件或应用程序，以满足特定的需求或增强软件的功能性[8]。Revit API是用于与Revit软件进行交互的编程接口。开发人员可以使用Revit API中提供的命名空间、类和方法，来访问和操作Revit模型的各个元素和属性。通过编写代码，可以实现自定义的功能和操作，如自动化建模、数据导入导出、参数设置等。

本研究基于Revit API，开发了一款装配式建筑多功能插件，以帮助相关从业者实现智能化的可装配性设计。

（1）打开预先创建完成的斜支撑族库，载入外部族；

（2）通过遍历用户拾取的元素以进行判定[9-10]，如：判断是否为墙，若判定结果为否，则继续进行元素选择，判定结果为是，则获取墙实例的各项参数信息；

（3）确定载入外部族的定位点，并激活外部族，根据定位点，创建族实例、调整角度、布设斜支撑；

（4）最后，自动获取斜支撑的时间和空间信息，进行冲突检查，为相关项目提出智能化的解决方案。具体的开发流程示意图，如图3所示。

5 结语

通过本研究提供的自动化建模和智能化分析工具，设计人员可以快速、准确地生成斜支撑的模型，并进行装配性能的分析和优化。这有效地缩短了设计周期，减少了设计错误和冲突，提升了装配式建筑的可靠性和可持续性。然而，本研究还存在一些局限性和改进的空间。首先，应进一步完善软件的功能和界面，以更好地满足用户的需求。其次，应进一步探索与其他设计软件和系统的数据交换和集成，实现更广泛的应用。此外，还需要加强与实际工程项目的对接，进一步验证该软件在实践中的可行性和效果。

综上所述，本研究通过基于BIM技术的智能化软件开发，为装配式建筑斜支撑的可装配性设计提供了一种创新的方法和工具。它不仅可以提高设计效率和设计质量，也为装配式建筑的发展和应用提供了一定的理论和实践指导。希望本研究能够对相关领域的研究和实践产生积极的影响，推动装配式建筑技术的进一步发展。