结构专业Revit到PKPM贯通软件的开发

严 旭

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

BIM概念的提出始于上世纪80年代前后，但直至2010年起，BIM技术才在房屋建筑领域逐渐得到广泛使用[1]。作为一种新兴三维设计技术，BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性[2]。Autodesk公司开发的Revit软件，能满足建筑、结构、机电专业的要求，成为房屋建筑业使用最广的BIM软件之一[3]。

基于Revit平台，多位专家和学者对结构专业BIM设计问题进行研究。龙辉元[4]、乔保娟[5]、杨党辉[6]、刘照球[7]等研究并实现Revit三维模型和结构分析软件模型的转换，可用于“翻模”；郝国龙[8]基于Revit建模并创建结构图纸，董爱平[9]基于Revit人工操作建模并完成梁、板、柱、基础平法图。李坤[10]在地铁车站结构设计中采用Revit建模并直接导出至Robot Structrue中进行结构分析；赵华英[11]、王勇[12]等在创建Revit模型和平法图纸后，利用CSIXRevit将模型导出至Etabs中进行结构分析，但均未解决Revit模型和计算模型如何保持动态一致的问题。

国内软件商长沙恩为软件、探索者软件、盈建科软件相继自2011～2014年，基于Revit开发了结构辅助设计软件，技术路线在Revit中读取计算模型后生成Revit三维模型，一键形成各层平面布置图，在Revit中读取计算结果并设置配筋参数，一键形成配筋图和三维钢筋[13]。因BIM数据来源于计算模型，计算模型变更后，无法正确且高效地更新到Revit中，故此方式只适合先计算再绘图的设计方式。

广厦软件在2018年开发了正向设计软件GSRevit[14]，技术路线是在Revit三维模型中输入全部的荷载和参数后，直接输出至广厦结构进行结构计算[15]，可在Revit中一键形成模板图和配筋图。只利用Revit三维模型，与在PDMS、SmartPlant 3D等BIM软件中进行开发没有本质区别。GSRevit看似提供了完整的操作菜单，但又不能完全替代Revit人机界面，直接使用Revit进行的操作可能不被识别。有简单的使用案例[16-17]，但操作过程“一气呵成”，没有体现结构设计期间反复推敲修改的情形。

以Revit和PKPM软件之间贯通软件的开发为例，介绍软件开发和测试的具体过程。利用3个已完工的混凝土框架结构进行SATWE计算结果的对比验证，与原SATWE计算结果进行对比，结果均100%一致。在实际工程中选择了3个中小规模的混凝土框架结构进行BIM正向设计[18]。旨在为BIM平台软件指明亟需升级完善的问题，为第三方软件商规划产品路线指明方向。

1 技术路线

对结构设计的工作内容进行梳理，可划分三个部分：“协同”“图纸”“计算”。“协同”是专业内、专业外的配合；“图纸”是图纸及统计表；“计算”是计算模型、计算过程及计算书[19]。二维CAD设计，“协同”主要依靠二维CAD的反复交互，“图纸”与“计算”是割裂的、需要人工维护二者的一致性[19]。BIM技术的出现，其可视化、协调性、模拟性，是解决专业内外的“协同”的独特优势。通过Revit混凝土框架[20]、Revit钢结构框架[21-22]、Revit埋件[23]的设计出图实例可知，在Revit中，不需要借助任何插件就能解决“图纸”的问题，结构工程师通过人工操作，可以方便地创建和推敲BIM模型，方便地创建Revit平、立、剖布置图，完成结构的布置设计，设计总说明、配筋图、节点详图等与模型无关或关系较小的可以在二维CAD中绘制，也可以逐渐在Revit中积累。可以看出，结构BIM设计，关键问题是如何实现“计算”的问题。Revit中人工创建的三维模型，可以很方便地指定为Revit分析模型，若在Revit中添加全部的荷载和参数，全覆盖地输出为计算软件所需的源数据，甚至直接调用结构计算软件运行结构分析[24]，避免了模型反复传导时的更新问题，能最终解决结构设计的“计算”问题。

故确定本次开发的技术路线：基于Revit分析模型，补充所有荷载和计算所需的参数后，输出为结构计算软件的原始数据文件“.jws”；直接调用结构计算软件运行“结构分析”；在Revit中读取内力和配筋并进行后处理，如图1所示。其实质是在Revit中嵌入结构计算软件的前处理和后处理，最终可实现在Revit中直接调用结构计算软件进行“结构分析”，且只使用“结构分析”功能。

图1 Revit结构设计插件技术路线

我院常用的结构计算软件是PKPM和STAAD.PRO，混凝土结构通常采用PKPM软件的PM+SATWE模块进行计算。PM为前处理模块，SATWE是基于墙元理论的结构高层建筑结构空间有限元分析软件[25]，PM和SATWE的原始数据都存贮在“.jws”文件中。

2017年3月立项开发Revit与PKPM软件PM、SATWE模块的贯通软件，命名为ReviSTRU，只开发在Revit中补全荷载、补全PM和SATWE参数、输出“.jws”文件的功能。Revit中导入PKPM内力和配筋结果，在Revit中生成梁、板、柱配筋图，因现有结构辅助设计软件已有开发，故本次不开发。编程语言采用microsoft公司发布的面向对象的编程语言C#。

ReviSTRU与现有结构辅助设计软件的重要区别在于：

1)结构工程师先在Revit中人工创建Revit三维模型、Revit图纸。不需要读取结构计算软件中的模型，也不需要做自动成图的功能；

2)解析Revit分析模型后，以覆盖的方式输出计算软件的源数据文件，不存在模型数据的更新问题；

3)能够实现在Revit中直接调用结构计算软件并运行结构计算。

2 软件设计

ReviSTRU主界面功能菜单(图2)有如下功能：添加荷载、设计参数(含楼层信息、PM设计参数、SATWE设计参数、角柱设置)、约束释放(钢构件约束对比、砼构件约束对比、约束识别、杆件角度表、材料等级表)、分析设置、上部分析。

图2 ReviSTRU功能菜单主界面

2.1 添加荷载

在Revit中，荷载工况的添加与修改，可以利用Revit内置的“分析→分析模型→结构设置→荷载工况”功能，不需要二次开发。

需要注意，从Revit2012～2022版，Revit一直只有6种荷载工况(图3)。前3种是空间荷载，与构件无关联；后3种主体荷载虽与构件有关联，但仅能表示构件两端的节点荷载、沿构件通长分布的线荷载、整个楼板上的面荷载。Revit不直接支持的荷载，目前只能用空间荷载模拟。故在本次开发中需要对荷载进行“刷新”：当构件被移动时，荷载相应移动；当构件被删除时，荷载相应删除。

图3 Revit内置的6种荷载工况

各荷载工况下荷载的添加、修改、删除，需要二次开发，具体为节点荷载、杆件荷载(均布荷载、均布弯矩、集中力、集中弯矩、线性变化力、梯形分布荷载、柱侧荷载)、楼板荷载、自重荷载(图4)。在Revit中，荷载的正负值按世界坐标系的方向，荷载垂直向下时为负，在输出“.jws”文件时转换为PKPM默认的向下为正。

图4 ReviSTRU中可添加的荷载

在ReviSTRU中荷载输入界面中，在荷载工况上单击右键，将出现“添加荷载”及荷载的修改、删除等功能(图5左)。在具体荷载上单击右键，将出现“单选施加荷载”和“批量施加荷载”等功能(图5右)，在Revit分析模型中选择节点或构件后，即可施加荷载。在Revit中不宜与PM一样在平面图上输入楼板荷载，故结合Revit的特点进行改进：施加楼板荷载时，只需要在Revit分析模型的三维视图中单击楼板，自动搜索该点楼板周边的梁所围成的区域，用Revit的空间面荷载表示该楼板的面荷载。

图5 ReviSTRU添加荷载与施加荷载

2.2 楼层信息

输出“.jws”，必须明确标准层及层高。逐层设置楼层信息相当不便，故开发楼层信息对话框(图6)，在Revit中读取所有的标高列表，勾选是否设定为PKPM的标准层，层高则由软件自动计算，并定义各层梁、板、柱、墙默认的混凝土强度、钢筋强度、配筋率。

图6 ReviSTRU的楼层信息

Revit模型是实际的模型，故不存在标准层的概念。输出“.jws”时，Revit中每个自然层就是一个标准层，不考虑标准层合并。对于不属于标准层的构件，按层间构件(梁、板、柱)考虑。

对于需要单独设定材质的构件，直接在Revit的“结构材质”中设定(图7)。ReviSTRU会搜索构件的“结构材质”是否含“Cxx”“Q235”“Q345”等强度值，若有，则会单独设定该构件(梁、板、柱、墙)的指定强度值。

图7 ReviSTRU构件特定强度的设定

2.3 PM和SATWE设计参数

在ReviSTRU中，需输入PM和SATWE所需的全部参数，故开发这些参数全部的输入界面。“.jws”是二进制加密文件，目前只掌握2.x版“.jws”格式，无法输出新版“.jws”格式，故目前采取的措施是对不能保存到2.x版的参数予以提示。因现版SATWE不能直接打开2.x版“.jws”文件，故每次输出“.jws”后，必须用PM打开并更新数据格式。

PM参数对话框，用绿色表示无法输出的参数，并在下方以文字注明(图8)。例如，“矩形房间导荷载，边被打断时，将大梁上的梯形、三角形荷载拆分到小梁上”“钢框架抗震等级”“抗震构造措施的抗震等级”，若实际取值恰巧是当前PM的默认值，则不用在PM中修改。否则，每次结构计算前都必须使用PM修改。对于既可在PM参数中设定又可在SATWE中设定的参数，用蓝色表示。

图8 ReviSTRU的PM设计参数——地震信息

SATWE参数对话框，用红色表示无法输出的参数，并在下方以文字注明(图9)。若实际取值恰巧是当前SATWE的默认值，则不用在SATWE中修改，否则，每次结构计算前都必须使用SATWE修改。

图9 ReviSTRU的SATWE设计参数——地震信息

2.4 角柱设置

在SATWE前处理的特殊构件中，需要设定角柱。Revit没有角柱信息的存放位置，故在构件族中创建一个“结构性质”的实例参数，用于存放角柱信息。在ReviSTRU中，有必要增加“角柱设置”功能(图10)，读取并罗列所有杆件的是否为角柱，且与构件联动：在模型里选中构件，则表中自动跳转至该构件的角柱与否情况；在表中双击某行，则模型中予以高亮显示该行所对应的构件。

图10 ReviSTRU的角柱设置

2.5 构件约束对比

在Revit分析模型中，可以人工干预构件起点、终点的约束释放，但不能直接观察各构件的约束释放情况。故有必要在ReviSTRU中增加“钢构件约束对比”和“砼构件约束对比”功能(图11)，读取并罗列所有杆件的两端约束情况，且与构件联动：在模型里选中构件，则表中自动跳转至该构件的约束释放情况；在表中双击某行，则模型中予以高亮显示该行所对应的构件。

图11 ReviSTRU的混凝土构件约束对比

2.6 杆件角度表

在Revit中，不能直接观察构件的自转角度。故有必要在ReviSTRU中增加“杆件角度表”功能(图12)，读取所有杆件的自转角度，且与构件联动：在模型里选中构件，则表中自动跳转至该构件的转角；在表中双击某行，则模型中予以高亮显示该行所对应的构件。

图12 ReviSTRU的杆件角度表

2.7 材料等级表

在Revit中，不便于直观查看各构件的强度。故有必要在ReviSTRU中增加“材料等级表”功能，如图13所示，读取所有杆件的材料强度，且与构件联动：在模型里选中构件，则表中自动跳转至该构件的强度；在表中双击某行，则模型中予以高亮显示该行所对应的构件。

图13 ReviSTRU的材料强度等级表

3 分析设置与上部分析

输出“.jws”文件，默认只读取分析模型，分析软件选择“ePKPM”，如图14所示。

图14 ReviSTRU的分析模型设置

在Revit中布置楼板时，按整块楼板建模即可，没有必要基于梁的位置分块建板。ReviSTRU会在输出到“.jws”文件时，根据梁的分析线划分楼板。楼板上的矩形和圆形孔洞，输出到“.jws”文件时，是100%的真实输出，如图15所示。经测试发现，SATWE在进行结构计算时，会扣除孔洞区域的楼面荷载。

图15 ReviSTRU的分析模型设置

单击“上部分析”按钮，ReviSTRU即按“分析设置”的设定输出“.jws”文件，先在Revit模型文件所在目录下创建 “Revi2SATWE计算模型” 子目录(图16)，然后解析Revit分析模型中的梁、板、柱等构件，将构件在交点处打断，将Revit中的各个恒载工况均合并到PM的恒载中，将Revit中的各个活载工况都合并到PM的活载中，并将PM和SATWE参数直接写入“.jws”(图17)。因不能实现直接调用PM或SATWE，故每次输出“.jws”文件时，ReviSTRU均会打开“Revi2SATWE计算模型”目录，以提示结构工程师程序输出已完成。

图16 ReviSTRU的创建的子目录“Revi2SATWE计算模型”

图17 子目录“Revi2SATWE计算模型”中的文件

4 软件测试

软件测试分为三个阶段：模块测试、整体测试、对比验证。

软件开发期间，跟随软件模块的开发进行模块测试，对每个具体的模块进行反复测试与优化，直到输出正确的结果。

2019年软件开发完成后，进行软件的整体测试。ReviSTRU输出“.jws”后，在PM和SATWE中打开并检查构件、荷载、参数，反复测试与优化，直到与ReviSTRU中的输入完全一致。

完成整体测试后，就实现了本次开发的目标。但是不能肯定SATWE运行结果是否正确，有没有其它问题，故有必要与已完成的实际工程进行对比验证。考虑到建模的工作量，选择3个中等体量且已完工的混凝土框架结构进行对比验证，具体操作为：对照结构施工图和计算模型，在Revit中人工创建Revit模型，使用ReviSTRU在Revit中完成荷载输入、PM和SATWE参数输入，输出2.x版的“.jws”后，先用PM打开并更新数据格式，再采用SATWE进行计算，最终要能得到与已有计算模型完全一致的计算结果。

对比验证发现，在模型一致、参数一致的情况下，SATWE中各荷载工况的构件弯矩、剪力、轴力、配筋、位移、地震效应，及指标汇总信息、柱脚内力等等，都与对照模型100%一致。在PKPM的“砼施工图”模块中，梁、板、柱在同样的配筋参数下，实际配筋结果与对照模型也是100%一致。通过对比验证，以事实证明软件输出结果可信，可以用于工程设计。

5 应用案例

2020年，选择3个中小规模的混凝土框架结构进行工程应用。操作步骤与对比验证相同，不同之处在于没有对比模型，不使用AutoCAD，直接在Revit中建模进行正向结构设计，在Revit中完成全部图纸。

第一个是某项目危废储存间结构(图18)，单层，荷载较为简单，只有楼面荷载、女儿墙线荷载，施工图共3张，均放在一个Revit图纸视图中。

第二个是某项目凝结水回收泵房结构(图19)，2层，荷载也较为简单，只有楼面荷载、女儿墙线荷载，施工图共3张，在Revit图纸视图分开放置。

图18 某项目危废储存车间结构

图19 某项目凝结水回收泵房结构

第三个是某项目消防值班楼结构[20]，4层，有节点荷载、梁集中力、梁线荷载、多种楼面荷载，每个Revit图纸视图放置一张施工图(图20)。

图20 某项目消防值班楼结构

因当前使用的SATWE不能直接打开ReviSTRU输出的2.x版的“.jws”文件，故每次进行结构计算之前，必须先用PM打开并更新“.jws”文件，顺便设置ReviSTRU中不能设定的PM参数，再用SATWE前处理设置ReviSTRU中不能设定的SATWE参数，最后运行SATWE进行结构计算。

完成SATWE结构计算之后，在PKPM中设定梁、板、柱的配筋参数，完成梁、板、柱的配筋。当Revit中的结构模型有修改时，重新用ReviSTRU输出“.jws”文件即可，梁、板、柱的配筋参数依旧存在，重新生成梁、板、柱的钢筋即可。

6 结语

通过ReviSTRU的开发、测试、验证及应用案例，证实在Revit中完成结构计算软件前处理功能、输出结构计算软件所需的全部数据是可行的，避免了BIM模型和计算模型相互之间的“更新”问题。

当前版本Revit自带的荷载类型太少，很多荷载都只能用Revit空间荷载模拟。构件变动后，需要重新将荷载与构件匹配。若每一步修改都自动刷新荷载，可能导致临时不能与构件匹配的荷载丢失，当模型较大时，还会产生等待时间，故目前选择人工“刷新”荷载的方式。用空间荷载模拟显示的楼板荷载，在梁移动后还是发现有未更新到位的情况，需要进一步优化算法解决。最终的解决办法是AutoDESK公司完善Revit的荷载类型，包括楼板荷载的输入与剖分，使用空间荷载而产生的问题将不复存在。

目前没有开发其他SATWE特殊构件的对应设置，只完善了梁、板、柱相关的功能，用于框架结构、框架支撑结构的Revit正向设计。进一步，可以开发与“墙”相关的功能，实现剪力墙结构的正确输出。

目前每次输出的“.jws”文件，必须用PM打开才能更新，才能被SATWE识别。若PKPM开放数据结构和SATWE调用接口，可以实现在Revit中直接调用SATWE运行其“计算功能”，则可以不必使用PM。

将结构计算软件的前处理、后处理都嵌入Revit中，结构设计时甚至只需要调用结构计算软件运行其“计算”功能。在Revit中进行结构正向设计和计算，不需要在AutoCAD中绘制图纸、也不需要在结构计算软件中建模，利于结构工程师专注于“设计”。对于没有“出图”功能的结构计算软件如STAAD、MIDAS，可以弥补其不足，在Revit中完成后处理。

将来实现直接调用结构计算软件运行分析计算时，可以考虑归集到少量的几台服务端进行计算，计算结果则通过内网返回用户端，能大大节省购买结构计算软件的费用。