基于Revit-Dynamo的坑底加固自动计算及绘图研究郑涵滨

基于Revit-Dynamo的坑底加固自动计算及绘图研究郑涵滨

郑涵滨1田永泽2

郑涵滨1田永泽2

1.上海斯涵福信息科技有限公司上海200000

2.新疆昱天建设工程项目管理有限公司乌鲁木齐830000

摘要：本文以实际工程项目为例，为解决设计过程中的实际痛点，以Dynamo为算法语言，Revit作为三维布尔运算器，研究坑底加固自己计算及绘图的可行性，并且自主编写开发程序，成功实现了研究的目的，并且成功将此程序推广应用到其他类似设计项目之中。

关键词：BIM，Revit，Dynamo，坑底加固，自动计算

1.概述

1.1BIM与Revit

BIM是近年来在国内外工程领域内都比较火热的技术，虽然其基本概念由CharlesM.Eastman[1]等人于上世纪70年代提出，但受限于当时的硬件限制，此概念一直未被推广。直到本世纪初，由欧特克公司的发表了名为“BuildingInformationModeling”的白皮书[2]，BIM的概念才开始推广到各软件厂商之中，广泛研究应用开来。

Revit是软件AutodeskRevit的简称，是欧特克（Autodesk）公司的BIM三维建模软件产品。Revit是目前市场上，应用较多，入门门槛较低的一款BIM软件。Revit作为欧特克公司的核心BIM产品之一，在全世界各类工程项目的BIM应用和研究中，都占据了重要的位置。

1.2Dynamo与Python

Dynamo的官方定义是Community-driven，Opensourcegraphicalprogrammingfordesign[3]（即社区主导型的专为（建筑）设计而生的开源图形设计程序）。DynamoForRevit通过将Revit里的功能模块做成相应的可视化节点，实实在在的将设计（算法）与建模功能分离，让设计师只需在简单的学习下，自己编织算法，串联建模功能，产生参数化设计的效果，将Revit更好的运用到设计中去。

Dynamo还提供了Python脚本的接口，让设计师可以更加自由的发挥思路，借由目前非常实用的编程语言Python来解决复杂算法的设计，以实现更加复杂的逻辑操作，能够更加自由和灵活的控制建模过程。而Python语言正是目前大热的科学技术：大数据技术与AI技术领域内，应用最广泛的编程语言。

1.3现阶段设计行业的问题

由于当前国内建筑项目周期短，前期考虑不周全，功能需求更新速度快的特点，设计师重复修改图纸的现象相当普遍。我国大多数大型设计院内，设计师的受教育程度都相当高，主要由硕士与博士群体构成。原本设计师的工作应当着重在研究和设计之上，但这种重复修改图纸的事情，却占用了他们70%以上的工作时间，严重影响了经受过高等教育的设计师们的价值体现，对企业与设计师本人，甚至社会来说，都是一种极大的浪费。既然无法从源头（周期短变化快）上解决问题，那就只好在如何快速的解决无意义重复劳动上下文章了。

重复劳动必然有其内在规律，而有规律的事情，就有条件将其程序化，体现计算机自动化的价值了。也正因如此，Revit（BIM）与Dynamo在设计领域内才有了巨大的用武之地。

2.坑底加固自动计算及绘图研究

2.1本项目的由来

某全球大型家具家居用品企业在国内某市的大型商场的设计过程中，由于上部建筑功能变化问题，导致基坑底部集水井与电梯井的位置不断发生变化，增减近疏的变化非常多。每次变化，都需要重新对坑底深井的加固作出对应的调整。由于项目体量大，工作范围大，每次的调整都相应带来巨大的修改工作量，加上部分深井的位置相对接近且深度较深，根据规范来设计深坑底板与加固时，存在三维形状令设计师难以假想的问题，进而导致设计师花费了更多的精力在图纸修改的过程中，令人苦不堪言。

因此，设计院在思考是否存在可以利用BIM技术，根据上部图纸变化以及相应规范原则进行自动设计的可能性。

考虑到上述工作的重复性劳动较多，但规则较为单一，加上本问题的一大难点是三维形状的难以假想问题，所以基于BIM技术进行三维设计，结合Revit和Dynamo进行参数化编程设计，正好契合应对本项目的所有问题，是具有实现其功能需求的可能的。

2.2程序设计思路

2.2.1程序设计原则

（1）编写程序的应用范围应该是可延展性的，兼容以后的所有项目，不能仅为本设计项目服务；

（2）尽可能减少设计人员工作量，加大计算机自动完成工作的比例；

（3）遵循规范，选取必要的默认值，但同时也可开放让设计师根据不同项目，自由定义；

（4）让设计师使用简单易上手。

程序设计原则的主要问题在于原则（1）。作为基坑项目的设计应用，设计条件受上部建筑信息的影响，而由于各家设计院分工的问题，上部建筑信息的来源（图纸）存在有各家设计院不用绘图规范的问题。所以在使用上部建筑信息时，既然无法统一各家设计院的绘图规范，就需要程序使用者对数据源进行规范化。这样做不仅可以确保输入项的准确性，同时可以通过简单的比对工作，对上部建筑图纸的绘图错误进行初步检查与复核。

2.2.2程序设计时的其他考虑

当前Dynamo的版本号已进入2.0时代，早起的1.0版本存在延续的可能性已经不长，加上Revit版本每年一版更新的速度，2017以后版本的Revit才支持Dynamo2.0，因此，本此软件编程将以2017版Revit和Dynamo2.0作为基础环境进行设计编程。

另外软件与硬件是相辅相成的存在，Dynamo作为一款已经广泛应用的软件工具，同样其性能也会收到硬件的约束。设计院的工作软硬件，由于成本问题，一般更新速度都不会很快，因此尽可能满足当前软硬件需求，也是程序设计时的重点考虑内容之一。所以需要在设计程序时，将控制程序步骤（步骤越多，实用性越差；但步骤越短，单次计算硬件需求越高）和硬件性能匹配起来，必要时，通过中间成果输出来确保程序因系统或硬件问题出错时，尽可能降低反复计算的工作量，提供使用者的使用效率。

2.3程序设计

2.3.1数据源格式统一

由于数据源是dwg格式的CAD文件，考虑到各家设计院的出图标准并不一致，因此第一步即是将dwg文件进行数据规范化，创建格式统一的图层，将我们所需要的线段信息保留到对应的图层中去。在规范化图形数据后，删去不需要的内容（避免占用系统资源），使用DATAEXTRACTION指令，将点、线、标注文字等数据，按照固定的格式输出成excel文件。

图2.1DATAEXTRACTION指令部分输出界面

图2.2DATAEXTRACTION指令输出成果界面

2.3.2创建下沉板

（1）创建下沉板边界条件，即承台。

图2.3承台创建

通过图2.3的承台创建路径，完成承台模型的搭建：通过识别闭合曲线确定承台的大小和位置，通过读取承台标识的厚度标注来确定承台构件的厚度，并且移动到对应的标高上。

（2）创建下沉板相关构件

图2.4下沉板创建

通过设定放坡角度，下沉板外扩范围等参数，计算下沉板起坡位置，并延伸到底板。在通过斜坡延伸面与承台的交线位置，判断承台是否需要根据规范同步下沉。需要下沉则将承台下沉，并重新计算斜坡延伸面。最终将计算好的几何面组合起来，生成对应的下沉板相关族。

图2.5截图部分的下沉板三维仰视图

通过这一步计算可以看到，当集水井电梯井分布密集并且较深的情况下，就会出现光靠人脑无法想象的三维场景。这对设计师的空间思维能力是种巨大的挑战，并且会浪费大量的劳动力。而依靠BIM软件（Revit），让计算机进行三维绘图，不仅计算速度相较于人工而言很快，展示效果也是明显直观的。

（3）布尔运算去除重复体量

图2.6三维图形布尔运算

通过上述节点进行布尔运算，可以得到图2.7的合成结果。

图2.7三维图形布尔运算结果（三维仰视）

对比图2.5的结果，效果十分明显，将斜坡交线全面勾勒了出来。如此即已计算得出坑底加固的范围及对应的顶标高了。

2.3.3桩心计算

本项目采用旋喷桩加固，即加固的实体可以认为是一个个单圆心柱体。

图2.8单圆圆心计算

图2.9单圆圆心点阵计算结果

通过取出坑底加固范围，设定好桩心距之后，用图2.8的节点进行单圆圆心定位计算，可以得到如图2.9般的单圆圆心点阵的结果，将此结果作为中间结果输出，形成由xy坐标数值组成的csv文件。

图2.10桩顶标高计算

通过与之前生成的实体面再次进行布尔运算，取得加固桩顶的标高，与平面坐标组合成三维坐标，输出成三维点阵数据的中间成果。

图2.11桩类型归类算法

最后，设定好桩径等必要参数后，根据设计院给出的归类方案，编写图2.11的桩类型归类算法，通过此节点计算得到最终的桩定位和顶标高。由于本项目体量特别庞大，直接生成三维实体桩会占用大量的计算机资源，然而考虑本项目的最终目标成果是dwg格式的桩布置图，因此在输出的时候，采用了一种迂回的方式，直接生成cad中的圆单元生成指令簇，只需要不太大系统资源，即可完成cad绘图工作。同时也保留并冻结了直接生成Revit实例的节点段，在日后遇到小型项目或硬件性能大幅提升后，只需要打开冻结的节点段，也可以直接生成三维实例族成果。

3.结论

（1）通过Revit和Dynamo的组合，可以从计算入手，自动完成建模与绘图工作，解决大量需要设计师重复劳动的问题。并且，Revit与Dynamo的组合，对于类似PC构件码放的问题有着先天性质的应用优势。

（2）三维计算需要有强大的硬件性能做基础，在硬件性能不足时，需要考虑增加工作流程，产生中间结果，降低大量三维计算对硬件的需求与消耗。

（3）Dynamo作为可视化的编程工具，比令人乏味的命令行模式，可以使代码的编写更加简单和有趣。只要逻辑正确，仅仅需要掌握一点语言基础就可以好好的使用起Dynamo了。设计师的逻辑能力不成问题，而Dynamo的工作可以使用Python语言，作为一款目前非常流行的编程语言，个人认为设计师群体有必要进行学习，并且只要设计师愿意学习一下Python语言，对其日后的工作将会起到非常有用的帮助。

（4）专业性高，泛用性小的软件工具，一般软件厂商没有大的意愿会去花精力去制作产品，因此在专业性高的应用需求，往往只有设计师本人体会最深，最优意愿去解决。而这正是Revit与Dynamo的产品优势之一。

参考文献：

[1]Eastman，Charles；Fisher，David；Lafue，Gilles；Lividini，Joseph；Stoker，Douglas；Yessios，Christos.AnOutlineoftheBuildingDescriptionSystem.InstituteofPhysicalPlanning，Carnegie-MellonUniversity，September1974.

[2]SanRafael.BuildingInformationModeling.CA，Autodesk，Inc.laiserin.com.2002.

[3]DynamoBIM（http：//dynamobim.org/）