Dynamo可視化編程在預(yù)制裝配式構(gòu)件中的應(yīng)用

程 霄， 王 輝

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400000)

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling)的技術(shù)理論逐步推廣于各類工程項(xiàng)目，應(yīng)運(yùn)而生的是工程領(lǐng)域全生命周期對應(yīng)的各類BIM應(yīng)用[1]，這是一個(gè)以數(shù)據(jù)信息為核心，對工程項(xiàng)目分析模擬、三維可視化、二維出圖、施工模擬、運(yùn)維管理的過程。目前，Revit是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的主流三維軟件平臺，有著數(shù)據(jù)兼容、構(gòu)件參數(shù)化、模型信息化、二維圖自動(dòng)生成等特點(diǎn)。然而Revit在異形建模、鋼筋設(shè)置等方面存在短板[2]。Dynamo作為Revit平臺下的編程工具，在開源、參數(shù)化、可視化等方面有明顯優(yōu)勢，方便設(shè)計(jì)師在其簡練的操作環(huán)境中編寫邏輯節(jié)點(diǎn)，解決普通三維建模中出現(xiàn)的問題，或是縮短建模步驟，提高效率。

裝配式建筑是指按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建筑部品規(guī)格將混凝土及鋼筋構(gòu)件制作成房屋單元或部件，然后運(yùn)至施工現(xiàn)場裝配就位而生產(chǎn)的建筑。這種建筑有著工程完成質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、資源利用率高、安全管理、環(huán)保節(jié)能等突出優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，國內(nèi)學(xué)者作出了少許基于BIM技術(shù)在裝配式建筑產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究。齊寶庫、李長福針對BIM技術(shù)在裝配式建筑全生命周期中的管理及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析討論[4]；周文波等通過預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，以Tekla鋼結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，證實(shí)了BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用于裝配式建筑的可行性[5]；白庶等分析了在裝配式建筑各階段的應(yīng)用價(jià)值[6]。

鑒于此，本文在總結(jié)前人對裝配式建筑與BIM技術(shù)結(jié)合的研究基礎(chǔ)上，解析了基于Dynamo的參數(shù)化設(shè)計(jì)，探討了Dynamo與Revit的軟件交互方式，進(jìn)行裝配式構(gòu)件參數(shù)化建模，并擴(kuò)展到相關(guān)工程運(yùn)用，旨在推動(dòng)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展。

1 基于Dynamo的參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 Dynamo概述

Dynamo是一個(gè)開源可視化編程平臺，能作為獨(dú)立的“沙箱”模式或作為其他軟件的插件運(yùn)行。它可以讓工程師自行定制腳本的邏輯行為,使用各種文本和腳本編程語言(C#、JAVA、Python等)。對于不善于編程的用戶，透過可視化編程界面與人機(jī)接口，只需掌握一定的編程邏輯知識，并且針對處理問題的思路來設(shè)置一套解決方案，經(jīng)過輸入、處理、輸出三個(gè)階段創(chuàng)建目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和算法解決問題。作為Revit的輔助橋梁，Dynamo可以幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)信息分析和復(fù)雜異形體設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了Revit可視化方式處理模型與管理數(shù)據(jù)信息的空缺，二者相輔相成，將BIM技術(shù)運(yùn)用提高到更高的層次。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

參數(shù)化實(shí)質(zhì)為協(xié)同理念，組成物體的各部分相互約束相互協(xié)同，是一種不可或缺的共存關(guān)系，這個(gè)過程也許是可逆的[7]。Revit平臺中的“參數(shù)性”主要表現(xiàn)為族的參數(shù)化，在規(guī)則范圍內(nèi)控制類型屬性中的各項(xiàng)參數(shù)。在這之上是Revit自適應(yīng)族，它可以自行匹配項(xiàng)目模型，使參數(shù)控制以三維幾何意識的形式表達(dá)。

Dynamo基于其可視化的特點(diǎn)，使參數(shù)在邏輯關(guān)系之下的表現(xiàn)形式十分清晰。Dynamo有明確的輸入節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)控制著整個(gè)程序的邏輯關(guān)系和處理結(jié)果。對于裝配式建筑，預(yù)制構(gòu)件(Precast Concrete)為組成完整模型的基本單位，構(gòu)件外形規(guī)格的不同決定著建筑最終形態(tài)。本文結(jié)合具體項(xiàng)目案例，以Dynamo編程的邏輯思維，參數(shù)化地控制裝配式預(yù)制構(gòu)件的混凝土及鋼筋參數(shù)，能有效地提升裝配式建筑模型建立效率。

1.3 Dynamo-Revit結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢

Dynamo在以獨(dú)立的沙盒模型運(yùn)行時(shí)，其自身的建模與擴(kuò)展能力十分有限，模型數(shù)據(jù)屬性缺乏多樣性，無法同目前BIM平臺下各建模軟件相比，而附托于Revit之后，其能力則顯現(xiàn)出來，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)在Dynamo利用自身節(jié)點(diǎn)建立的模型可以與Revit進(jìn)行無縫鏈接，可以隨用戶意向更改節(jié)點(diǎn)參數(shù)來放置目標(biāo)模型。

(2)Dynamo可拾取Revit中的元素，包括項(xiàng)目或族中的曲線、曲面、實(shí)體等，同時(shí)也能提取當(dāng)前工程文件下的模型種類，如門、柱、板等，更能瀏覽任一可輸入格式的文件，方便數(shù)據(jù)的錄入。

(3)通過Dynamo建立的輔助模組，不僅能實(shí)現(xiàn)相關(guān)構(gòu)件的快速自動(dòng)生成，還能幫助從CAD到三維模型的信息提取與快速建模。

(4)Dynamo同樣能夠傳遞Revit的數(shù)據(jù)信息，幫助統(tǒng)計(jì)工程信息量，并輸出以表格和二維圖的形式。

2 預(yù)制裝配式構(gòu)件建模實(shí)踐

本文欲結(jié)合重慶羅賓森廣場項(xiàng)目，闡述Dynamo平臺參數(shù)化可視編程設(shè)計(jì)在預(yù)制(PC)構(gòu)件上的運(yùn)用。該項(xiàng)目超高層建筑要求上部結(jié)構(gòu)輕、抗震性能高、建筑品質(zhì)好的特點(diǎn)，加上混凝土料送漿等施工難點(diǎn)，響應(yīng)重慶市對裝配式建筑實(shí)施要求，項(xiàng)目的四棟塔樓部分采用裝配式預(yù)制構(gòu)件，以裝配式樓梯構(gòu)件為例，開展應(yīng)用研究工作。

2.1 參數(shù)化構(gòu)件信息模塊構(gòu)建

2.1.1 混凝土模型參數(shù)化建立

結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)，匹配住宅建筑要求，本次選用單跑樑式裝配式樓梯，包括了梯板、平臺板、橫梯梁、走道板、梯間梁等主要構(gòu)件，以裝配式建筑樓層層高為主要自變量，得到相應(yīng)樓梯模型的可控制參數(shù)化變量(如階梯數(shù)、階梯寬度、單個(gè)階梯長度高度等)，參數(shù)個(gè)數(shù)依據(jù)具體的模型設(shè)計(jì)而設(shè)置。以確定的控制變量為輸入?yún)?shù)，通過拖動(dòng)參數(shù)條改變輸入變量從而控制樓梯模型的整體形狀。由于不同樓梯構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和模型組成部分各不相同，需要在建模前將其拆分，單獨(dú)定義各部分的幾何位置，由此建立其空間的模型控制幾何點(diǎn)，再由點(diǎn)—線—面—體的思路逐步建立樓梯三維模型。在此參數(shù)化模型構(gòu)建過程中，除了參數(shù)變量輸入模塊外，還包括坐標(biāo)變換及函數(shù)關(guān)系模塊、圖形處理模塊、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)模塊(圖1)。

圖1 樓梯構(gòu)件生成邏輯步驟

2.1.2 鋼筋建模處理

不同于混凝土樓梯或是其他形態(tài)的模型，鋼筋屬于依附在混凝土內(nèi)部的構(gòu)件，有著附著體量大、布置規(guī)范繁瑣等問題，一直是BIM建模工作中比較棘手的難點(diǎn)。筆者使用建立鋼筋自定義節(jié)點(diǎn)的方法，以dyf外部文件創(chuàng)建鋼筋形狀資源庫，依照混凝土構(gòu)件鋼筋布置規(guī)范調(diào)用鋼筋節(jié)點(diǎn)。在Dynamo鋼筋自定義節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建中，需要設(shè)置相關(guān)輸入?yún)?shù)類型以及其默認(rèn)值，包括鋼筋直徑、旋轉(zhuǎn)角度、彎曲半徑、各鋼筋段長度等，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同數(shù)值的連接運(yùn)算，則可得到相應(yīng)的鋼筋構(gòu)件，輸出形式除了以Solid(實(shí)體)外，還增加了Polycurve(多段線)，利于后續(xù)擴(kuò)展調(diào)用。對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同數(shù)值的連接運(yùn)算，則可得到相應(yīng)數(shù)據(jù)規(guī)格的鋼筋構(gòu)件，接著如同混凝土構(gòu)件建模一樣，依據(jù)布置規(guī)范設(shè)置圖形處理模塊并關(guān)聯(lián)變量數(shù)據(jù)，使鋼筋符合設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下匹配裝配式預(yù)制構(gòu)件(圖2)。

2.2 Dynamo—Revit模型交互方式

在Dynamo可視化界面中可以看到的一系列圖形，都是以Dynamo內(nèi)置的圖形數(shù)據(jù)格式存在的，與Revit中的圖形數(shù)據(jù)格式截然不同，因此，需要以合適的方式對二者進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2.1 導(dǎo)入符號

導(dǎo)入符號(Importinstance)輸入數(shù)據(jù)為Dynamo中的單個(gè)或多個(gè)幾何圖形，輸出到Revit的幾何體幾乎可以保留完整的圖形信息，如遇復(fù)雜的異形幾何體則可能出現(xiàn)模型缺失的情況。導(dǎo)入符號除此外并無其他附加信息數(shù)據(jù)，如同Revit中導(dǎo)入的CAD圖紙，無法對其進(jìn)行二次編輯，管理與運(yùn)用都較為不便。對于外形結(jié)構(gòu)單一規(guī)整的模型，導(dǎo)入Revit后可通過分解功能使其在常規(guī)模型族樣板中轉(zhuǎn)化為族文件，此時(shí)可以進(jìn)行簡單的圖形調(diào)整和信息添加。

2.2.2 形狀端口

形狀端口(DirectShape)是由Dynamo創(chuàng)建的某些幾何圖形、類別、材質(zhì)和名稱信息導(dǎo)入Revit項(xiàng)目文件的半智能構(gòu)件，相比導(dǎo)入符號，多提供了一些信息數(shù)據(jù)和操作管理，它的圖形列表在Revit模型中被細(xì)分為多個(gè)部分，導(dǎo)入之后便無法更改其圖形信息，因此缺乏一些關(guān)鍵構(gòu)件元素使之無法參與受Revit約束的進(jìn)程。

2.2.3 族端口

族端口(FamilyInstance)是通過Dynamo在Revit中創(chuàng)建一個(gè)自定族的符合節(jié)點(diǎn)，使導(dǎo)入的圖形數(shù)據(jù)以族的形式展現(xiàn)出來，這也是較為理想的轉(zhuǎn)換方式。該過程需要在Dynamo的資源庫中下載SpringNodes軟件包，輸入?yún)?shù)除基本的圖形信息外，需要一個(gè)族模板的文件路徑，作為數(shù)據(jù)載體傳遞Dynamo中的圖形數(shù)據(jù)信息，因此能夠運(yùn)用族的優(yōu)勢特征構(gòu)建模型(圖3)。

圖3 三種交互方式表達(dá)

2.3 擴(kuò)展應(yīng)用

研究結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目情況，由以上方式建立的裝配式樓梯構(gòu)件鋼筋與混凝土模型還達(dá)不到項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)要求，構(gòu)件所涵蓋的信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不止模型本身。在完成模型導(dǎo)入后，Dynamo還能結(jié)合基本模型圖形信息，傳遞多層級擴(kuò)展信息的相關(guān)性，以及參數(shù)化三維表達(dá)的運(yùn)用，旨在搭建起Dynamo運(yùn)用于裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的平臺架構(gòu)。

2.3.1 構(gòu)件算量統(tǒng)計(jì)

裝配式預(yù)制構(gòu)件的材料用量信息是項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)和施工階段的重點(diǎn)，它能清晰地分解出混凝土和鋼筋的用料類型和體量能夠幫助業(yè)主進(jìn)行成本規(guī)劃控制。以鋼筋算量統(tǒng)計(jì)為例，在Dynamo中根據(jù)構(gòu)件算量表需求，設(shè)置數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與算量清單模塊，在輸入端引入各類型鋼筋的信息數(shù)據(jù)，在模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和列表轉(zhuǎn)換，最后導(dǎo)出至已建立好的目標(biāo)文件表格。該過程以用戶的編程思路為引導(dǎo)，依據(jù)項(xiàng)目情況輸出有效工程用量信息、整理數(shù)據(jù)格式等等(圖4)。

圖4 算量統(tǒng)計(jì)模塊輸出表格

2.3.2 構(gòu)件二維出圖

現(xiàn)階段構(gòu)件加工圖紙還只是停留在二維平面上，預(yù)制構(gòu)件生成廠家無法依托于三維模型加工構(gòu)件，由此需要在二者間進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)件模型設(shè)計(jì)到二維圖紙加工的轉(zhuǎn)變。Revit平臺內(nèi)置了二維圖紙生成板塊，能夠在圖紙模板的基礎(chǔ)上將三維模型以不同平面視角與剖切面表達(dá)，加以繪圖編制可獲取二維信息數(shù)據(jù)。因此，將鋼筋以Curve形態(tài)輸入，同時(shí)設(shè)置鋼筋模型線轉(zhuǎn)置模塊，使構(gòu)件中的鋼筋模型為Revit中的模型線，通過二次編輯與出圖處理，滿足構(gòu)件二維出圖要求。

2.3.3 參數(shù)窗口控制運(yùn)用

Dynamo作為Revit平臺下新興的可視化參數(shù)編程工具，需要獨(dú)立附加運(yùn)行dyn編程文件，在操作界面中的輸入端控制調(diào)試變量數(shù)據(jù)，得到Revit信息模型。基于該流程的參數(shù)化設(shè)計(jì)操作無疑顯得累贅。2017版本Revit平臺內(nèi)嵌了dyn運(yùn)行插件——“DynamoPlayer”，它的出現(xiàn)省去了對編譯完整的參數(shù)化dyn文件多余的調(diào)試，類似于二次開發(fā)端口，要求編譯的自定義節(jié)點(diǎn)dyf與dyn文件放置于同一路徑下，選定目標(biāo)dyn文件后，即可更改輸入?yún)?shù)設(shè)置(圖5、圖6)。

圖5 DynamoPlayer參數(shù)控制

圖6 樓梯構(gòu)件組合與渲染效果

3 結(jié)束語

裝配式建筑在我國的發(fā)展已悄然起步，結(jié)合建筑信息模型的設(shè)計(jì)運(yùn)用手段，更能有助于裝配式建筑的發(fā)展優(yōu)勢，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)鏈良性運(yùn)作。本文闡述了前人對裝配式建筑與建筑信息模型關(guān)聯(lián)性的總結(jié)，以Revit平臺下的可視化編程工具Dynamo為切入點(diǎn)，討論了其參數(shù)化設(shè)計(jì)的可行性與優(yōu)勢，建立了參數(shù)化預(yù)制構(gòu)件模型框架。在項(xiàng)目實(shí)踐中，以裝配式樓梯構(gòu)件為例，整合了混凝土與鋼筋模型的處理方式，選取最優(yōu)的平臺交互方式，并設(shè)置算量統(tǒng)計(jì)模塊、二維圖紙生成模塊輔佐項(xiàng)目施工運(yùn)用，提出以“DynamoPlayer”窗口插件進(jìn)行便捷參數(shù)化控制。結(jié)果表明，基于Dynamo平臺的可視化編程能夠有效地適用于裝配式建筑各項(xiàng)預(yù)制構(gòu)件模型生成，增強(qiáng)建模人員對于構(gòu)件參數(shù)化的把控，實(shí)現(xiàn)Revit與Dynamo平臺互通的同時(shí)，減少后期預(yù)制構(gòu)件建模工作量。可見在不遠(yuǎn)的將來，可視化與參數(shù)化的編程利器定會(huì)應(yīng)用在更廣泛的工程領(lǐng)域。

[1] 孫曉峰, 魏力愷, 季宏. 從CAAD沿革看BIM與參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 建筑學(xué)報(bào), 2014(8):41-45.

[2] 靳銘宇. 淺析Autodesk Revit在中國的發(fā)展及局限性[J]. 華中建筑, 2008, 26(1):83-84.

[3] 向庭薇,黃秀秀,姜又丹.中國建筑行業(yè)生產(chǎn)方式的變革——裝配式建筑在國內(nèi)的發(fā)展趨勢[J]. 四川建材,2017,43(3) : 48-49.

[4] 齊寶庫, 李長福. 基于BIM的裝配式建筑全生命周期管理問題研究[J]. 施工技術(shù), 2014(15):25-29.

[5] 周文波, 蔣劍, 熊成. BIM技術(shù)在預(yù)制裝配式住宅中的應(yīng)用研究[J]. 施工技術(shù), 2012, 41(22):72-74.

[6] 白庶, 張艷坤, 韓鳳,等. BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用價(jià)值分析[J]. 建筑經(jīng)濟(jì), 2015, 36(11):106-109.

[7] Neil L,Yuan P F．Scripting the Future[M]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 2012.