劉三玲，葉家成

（廣州市住宅建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州510075）

0 引言

我國有關(guān)預(yù)制裝配式的研究取得了一些發(fā)展和成果，但是由于此類建筑戶型簡單，造價高等問題導(dǎo)致其難以大面積推廣，要想解決上述問題，就需要借助新的技術(shù)手段，來快速實現(xiàn)盡量多規(guī)格的裝配式預(yù)制構(gòu)件。基于BIM 技術(shù)的模塊化設(shè)計利用BIM的可視化和協(xié)調(diào)性等特點［1］，通過對模塊的選擇與組合，快速設(shè)計出具有不同系列、不同性能、不同用途的各種建筑類型，以滿足客戶的不同需求。

在模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上加入?yún)?shù)化功能，可實現(xiàn)建筑構(gòu)件尺寸、數(shù)量隨關(guān)聯(lián)參數(shù)的變化而同步變化，從而使得預(yù)制構(gòu)件的種類及規(guī)格可隨需求進(jìn)行靈活變化。徐衛(wèi)國［2］對參數(shù)化概念做過如下定義：“參數(shù)化就是把影響建筑設(shè)計的主要因素看做參數(shù)，將這些參數(shù)通過特定的關(guān)系組織到一起，借助于計算機編程和軟件進(jìn)行描述，通過計算機技術(shù)把變量數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成參數(shù)模型?！?/p>

目前，參數(shù)化模塊在設(shè)計階段的作用已經(jīng)發(fā)揮得比較明顯，如許蓁等人［3］針對BIM 參數(shù)化模塊設(shè)計在優(yōu)化建筑形態(tài)、空間，以及模型數(shù)據(jù)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在施工階段，也有學(xué)者做了相關(guān)研究，例如洪偉鮮［4］介紹了疊合板等水平預(yù)制構(gòu)件在設(shè)計與施工中的注意事項；馬躍強等人［5］介紹了預(yù)制外墻等豎向構(gòu)件在施工中的吊裝與施工模擬；對于斜向構(gòu)件如預(yù)制樓梯等的設(shè)計與施工相關(guān)資料均較少，本文研究斜向構(gòu)件的參數(shù)化建模及施工中的輕量化應(yīng)用，填補了這一方面的空缺，具有較強的現(xiàn)實意義。

1 預(yù)制構(gòu)件分類

預(yù)制構(gòu)件分類如表1 所示。

2 預(yù)制構(gòu)件基于BIM的參數(shù)化模塊設(shè)計

2.1 BIM 參數(shù)化模塊設(shè)計

模塊化設(shè)計是指對一定范圍內(nèi)不同功能、或相同功能但性能不同的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，形成模塊庫，后期即可通過模塊的選擇與組合來構(gòu)成不同的產(chǎn)品［6］。但模塊化設(shè)計產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品相對單一，難以滿足市場的不同需求，引入?yún)?shù)化的概念可以解決標(biāo)準(zhǔn)化單一產(chǎn)品與個性化定制的矛盾，通過對參數(shù)進(jìn)行修改就可以生成不同的建筑形體，應(yīng)用方便，是個性化產(chǎn)品實現(xiàn)的最佳途徑。

表1 預(yù)制構(gòu)件分類［7］Tab.1 Classification of Prefabricated Components

2.2 參數(shù)化創(chuàng)建BIM 預(yù)制構(gòu)件族庫

2.2.1 構(gòu)件族創(chuàng)建

利用BIM 軟件進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件族庫的創(chuàng)建，所建族都是含有參數(shù)化特征的，即同類構(gòu)件僅需創(chuàng)建一個族，該類構(gòu)件其他規(guī)格只需修改參數(shù)即可自動生成，極大地提高建模效率。需要說明的是，鋼筋族的參數(shù)化設(shè)置是一大難點，目前對鋼筋尤其是斜向筋的族創(chuàng)建尚未有相關(guān)資料表述，故本節(jié)以預(yù)制樓梯參數(shù)化族的創(chuàng)建為例進(jìn)行講解。

⑴各鋼筋族之間選用同一個整體參考系

首先基于整體混凝土梯段建立一個“整體參考系”，各鋼筋嵌套族都是在該整體參考系的基礎(chǔ)上經(jīng)過換算來建立，其目的是使各嵌套族載入到混凝土梯段族之后更好協(xié)調(diào)。圖1、圖2 為鋼筋混凝土梯段整體參考系相關(guān)參數(shù)設(shè)置：

圖1 混凝土梯段整體參考系Fig.1 Integral Reference System for Concrete Stairs

⑵各鋼筋嵌套族之間的協(xié)調(diào)定位

以縱筋和箍筋間的協(xié)調(diào)定位為例，在混凝土梯段整體參考系的基礎(chǔ)上，將縱向鋼筋的中心線位置定義為“第二層參考系”，將保護(hù)層厚度作為縱向鋼筋的定位參數(shù)；將縱筋與箍筋中心距作為箍筋的定位參數(shù)。各參數(shù)之間的關(guān)系及示意圖如圖3～圖5 所示。

圖2 整體參考系中參數(shù)設(shè)定Fig.2 Parameter of Global Reference System

圖3 箍筋嵌套族中第二層參考系Fig.3 Second Layer Reference System in Stirrup Nested Family

圖4 箍筋嵌套族中偏移值的設(shè)定Fig.4 Offset Values in Stirrup Nesting Family

縱筋與箍筋中心距=（縱筋直徑+箍筋直徑）/2

⑶立面旋轉(zhuǎn)族創(chuàng)建（極坐標(biāo)表達(dá)方式）

在Revit 中，基于“公制常規(guī)模型”創(chuàng)建的族，在載入整體族后，無法實現(xiàn)立面的角度旋轉(zhuǎn)。本文提出了一種可以表達(dá)出“可參數(shù)化設(shè)置立面旋轉(zhuǎn)角度”的基于“公制常規(guī)模型”創(chuàng)建的嵌套族的做法。下面以梯板分部筋為例進(jìn)行闡述。

①通過“基于面的公制常規(guī)模型”創(chuàng)建鋼筋嵌套族，并按照鋼筋形狀的需要進(jìn)行形狀參數(shù)的設(shè)置，形成最原始的“鋼筋嵌套族①”（見圖6）。

圖5 縱筋嵌套族在“混凝土梯段族”中的定位Fig.5 Location of Longitudinal Reinforcement Nested Family in“Concrete Stair Family”

圖6 鋼筋嵌套族①Fig.6 Reinforcement Nested Family ①

②通過“公制常規(guī)模型”創(chuàng)建可立面旋轉(zhuǎn)的“鋼筋嵌套族②”（見圖7）。

步驟一，按照“整體參考系”的創(chuàng)建原則，使得“整體混凝土梯段族”與“鋼筋嵌套族②”共用同一個整體參考系（見圖8）。

步驟二，在正立面視圖中，創(chuàng)建一個垂直于正立面視圖的旋轉(zhuǎn)參照面，“旋轉(zhuǎn)參照面”與“標(biāo)高參照面”之間形成極角θ，交點為“原點0”。

步驟三，在正立面視圖中，作一參照線垂直于“旋轉(zhuǎn)參照面”，并進(jìn)行90°角約束，以及進(jìn)行過“原點0”的約束，命名為“原點參照線”。

步驟四，“鋼筋嵌套族①”以“旋轉(zhuǎn)參照面”為工作平面，載入至“鋼筋嵌套族②”中。并且賦予“鋼筋嵌套族①”中某一平行于“原點參照線”的參照面與“原點參照線”的間距為極徑ρ。

通過步驟二～步驟四，可在公制常規(guī)模型“鋼筋嵌套族②”中建立控制“鋼筋嵌套族①”立面旋轉(zhuǎn)角度和“原點O”間距的極坐標(biāo)系（ρ，θ），實現(xiàn)“鋼筋嵌套族①”在“鋼筋嵌套族②”中參數(shù)化控制其立面旋轉(zhuǎn)角度以及離“原點0”的定位間距。

步驟五，根據(jù)“鋼筋嵌套族②”表達(dá)需要，賦予θ值為“整體參考系”中的“立面旋轉(zhuǎn)角”，賦予ρ為某一距離值，實現(xiàn)“鋼筋嵌套族①”在“整體參考系”中的定位約束。

經(jīng)過以上創(chuàng)建流程，最終得到樓梯鋼筋混凝土樓梯族如圖9 所示。

圖9 參數(shù)化預(yù)制樓梯Fig.9 Parametric Prefabricated Stairs

2.2.2 構(gòu)件工程量統(tǒng)計

如前所述，預(yù)制構(gòu)件都是通過建族來實現(xiàn)，而Revit 族涉及到工程量統(tǒng)計時有一個問題，即整體族不能讀取各嵌套族的參數(shù)信息，所以如果工程參數(shù)是在各嵌套族中設(shè)置的，則最終形成的整體族將無法讀取工程量，只能顯示各嵌套族的個數(shù)。

若要解決工程量提取的問題，建議所有需要提取工程量的參數(shù)關(guān)系都在整體族中設(shè)定，然后各嵌套族與整體族相關(guān)參數(shù)直接關(guān)聯(lián)即可。這樣做唯一的缺點是在整體族中集合了許許多多嵌套族的參數(shù)，設(shè)置時會比較復(fù)雜，但是只要遵循本文2.2 節(jié)所述選用同一個整體參考系的思路，相比于參數(shù)在各嵌套族直接設(shè)置多一道換算步驟即可解決，并不難處理。

2.3 正向創(chuàng)建BIM模型

按照上述方法，依次創(chuàng)建其他預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化族，包括預(yù)制外墻、預(yù)制陽臺、預(yù)制樓板、預(yù)制梁柱等，每個構(gòu)件都有ID 編碼，便于后續(xù)的生產(chǎn)運輸和吊裝［8］。后期BIM模型創(chuàng)建時只需在預(yù)制構(gòu)件族庫中選擇合適的構(gòu)件進(jìn)行組合即可。為保證結(jié)構(gòu)模型符合受力要求，設(shè)計師可將形成的模型導(dǎo)入計算分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，如果受力不滿足要求，則將模型再導(dǎo)回BIM 建模軟件進(jìn)行調(diào)整，依次類推直至模型受力符合要求為止。

基于BIM的參數(shù)化模塊設(shè)計，實現(xiàn)了與建筑產(chǎn)業(yè)化建造方式相適應(yīng)的“搭積木”式設(shè)計方式，形成的模型可直接用于預(yù)制構(gòu)件廠的加工和生產(chǎn)，省去拆分設(shè)計和深化設(shè)計的環(huán)節(jié)，極大地提升了設(shè)計效率。通過該方法生成的預(yù)制構(gòu)件三維模型，方便生產(chǎn)和施工人員對設(shè)計圖紙的讀圖，確保信息在設(shè)計與生產(chǎn)、施工之間的完整傳遞；可進(jìn)行各專業(yè)構(gòu)件之間的設(shè)計協(xié)調(diào)，完成構(gòu)件之間的精確連接，大幅度減少工程項目建設(shè)中的設(shè)計變更；還可以使技術(shù)人員按照施工組織計劃進(jìn)行施工模擬，完善施工組織計劃方案。

3 BIM模型在施工中的應(yīng)用研究

BIM 參數(shù)化模塊由于信息量龐大，生成的BIM模型重量大，對電腦配置要求特別高，不利于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和在網(wǎng)頁端的模型渲染展示，更無法直接使用手機、平板電腦等便攜終端瀏覽原始的完整信息化模型，影響使用。因此，在施工應(yīng)用時，必須對其進(jìn)行輕量化處理［9］。

3.1 實現(xiàn)原理

一般來說，模型中的信息包含幾何信息和非幾何信息［10］。通過采用BIMFACE 輕量化引擎技術(shù)首先將兩者進(jìn)行數(shù)模分離，使得在網(wǎng)頁端展示的輕量化模型，僅包含各構(gòu)件的ID 信息和經(jīng)處理過的三維幾何形狀信息，當(dāng)需要讀取構(gòu)件的非幾何信息時，再通過構(gòu)建ID 讀取儲存于后臺或云端的非幾何信息，從而實現(xiàn)模型的“第一層輕量化”。

其次是對構(gòu)件三維幾何信息從“幾何轉(zhuǎn)換”與“圖形渲染”方面進(jìn)行輕量化處理。在“幾何轉(zhuǎn)換”方面，可通過改變圖形參數(shù)化的表達(dá)形式，如管線等構(gòu)件可通過一個截面和路線表達(dá)，又如存在多個同類型構(gòu)件時，只需保留其中一個構(gòu)件的數(shù)據(jù)，其他構(gòu)件只需記錄其“空間坐標(biāo)”即可；在“圖形渲染方面”，可通過對構(gòu)件精細(xì)度（Levels of Detail）控制來加快單圖元的渲染速度：即根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來加載模型的粗細(xì)程度，從而在不影響視覺效果的前提下提高顯示效率并降低存儲，控制體量。

3.2 輕量化應(yīng)用

BIM 技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)以輕量化為原則，避免大而全的重量級應(yīng)用，以免出現(xiàn)發(fā)展BIM積極性受挫，硬件設(shè)備及人力資源等成本投入過大的情況，下面以復(fù)雜節(jié)點為例進(jìn)行輕量化應(yīng)用的闡述。

3.2.1 復(fù)雜節(jié)點模型輕量化處理

首先對節(jié)點模型進(jìn)行碰撞檢查、空間排布調(diào)整等基本操作，形成優(yōu)化后的節(jié)點模型，隨后按照3.1 的方法對優(yōu)化后的復(fù)雜節(jié)點BIM模型進(jìn)行輕量化處理，使其實現(xiàn)能夠在手機和IPAD 等移動端進(jìn)行輕量化瀏覽。

3.2.2 復(fù)雜節(jié)點模架的可靠性復(fù)核

通過IFC 格式把復(fù)雜節(jié)點模型導(dǎo)入到專業(yè)三維模架軟件中，生成模架信息模型，然后進(jìn)行復(fù)雜節(jié)點模架的可靠性復(fù)核驗算，形成計算書，確保復(fù)雜構(gòu)造節(jié)點的鋼筋施工和混凝土澆筑質(zhì)量。

3.2.3 復(fù)雜節(jié)點施工工序三維動畫交底

對于復(fù)雜的施工節(jié)點及工序，無法順利完成二維圖紙的交底，通過對輕量化后的節(jié)點和模架制作施工工序的三維動畫視頻，輕松實現(xiàn)在手機和IPAD 移動端對工人的可視化交底，同時還可生成下料清單，有效解決傳統(tǒng)施工手段對施工人員經(jīng)驗的高度依賴，替代了傳統(tǒng)手工下料、紙質(zhì)交底的做法，提高了現(xiàn)場施工質(zhì)量，全新升級技術(shù)和管理手段。

4 結(jié)論

⑴提出各嵌套族基于依附的混凝土模型創(chuàng)建共用的“整體參考系”，解決了各嵌套族與整體族之間的協(xié)調(diào)定位關(guān)系。

⑵提出基于“整體參考系”創(chuàng)建各嵌套族的“第二層參考系”，簡化了各嵌套族之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系。

⑶提出了一種可以表達(dá)出“可參數(shù)化設(shè)置立面旋轉(zhuǎn)角度”的基于“公制常規(guī)模型”創(chuàng)建嵌套族的做法，解決了在整體族中實現(xiàn)各嵌套族立面旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)的效果。

⑷提出所有的參數(shù)關(guān)系都在整體族中設(shè)定，各嵌套族與整體族相關(guān)參數(shù)直接關(guān)聯(lián)的方法，解決了各構(gòu)件工程量統(tǒng)計問題。

⑸通過引入BIM 輕量化技術(shù)，對復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行輕量化處理，用于施工中便攜設(shè)備的電子化交底，全新升級技術(shù)和管理手段。