楊 擘，梁 軍，常自昌，鞏利軍

（甘肅省長城建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)擁有三維可視、二維出圖、模擬施工、VR 成像等功能［1］，在工程管理中可主導(dǎo)成本控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制、安全管理等工作。組合鋁合金模板組件模塊復(fù)雜，節(jié)點繁多，拼縫嚴(yán)密，組裝精度高，施工中要求兩種技術(shù)特點的結(jié)合，將復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和信息一體化。將這種重復(fù)模板設(shè)計工作交由計算機編程技術(shù)以替代低效率的人工設(shè)計，以提高鋁模板這種新技術(shù)、新材料的推廣［2］。鋁合金模板型材是建筑行業(yè)較為青睞的材料之一，我國房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展和市場化水平的推進(jìn)，組合鋁合金模板需求量加大。組合鋁合金模板具有工藝簡單、拼裝快、質(zhì)量輕、剛度好等優(yōu)點，適合多次周轉(zhuǎn)應(yīng)用［3］。廢舊模板可回收利用，有效降低模板損耗，且模板拆除后混凝土表觀質(zhì)量好，節(jié)約工程成本，因而受到施工企業(yè)的青睞。模板尺寸精度對于鋁合金模板型材的成型質(zhì)量和建筑工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有決定作用［4］。數(shù)據(jù)分析建筑物鋁合金模板組合型式和數(shù)量對于生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度的組合鋁合金模板的標(biāo)準(zhǔn)性模塊，以達(dá)到在不同工程之間通用，具有互換性的目的［5］，具有重大意義。本文綜合鋁合金模板配模技術(shù)、BIM 建模技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)分析技術(shù)對數(shù)據(jù)挖掘和模板設(shè)計進(jìn)行深入研究。

1 工程實例

長城·嘉裕苑住宅小區(qū)位于甘肅蘭州七里河馬灘地區(qū)，總占地 84 222 m2，建筑面積 333 903 m2，是甘肅省長城建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司開發(fā)建設(shè)的綜合教育培訓(xùn)、娛樂設(shè)施、四星級賓館服務(wù)和社區(qū)的大型綜合體工程，其中包含四星級賓館和大型 IMAX 巨幕影城各一座，22 棟住宅樓單體工程，建筑層數(shù) 34 層，建筑主體全過程均利用組合鋁合金模板拼裝，提高了施工質(zhì)量和建筑標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2 程序應(yīng)用

2.1 BIM 技術(shù)綜合應(yīng)用

本項目需要使用多種三維數(shù)據(jù)化平臺和程序設(shè)計語言在計算機上開發(fā)大而復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)，以避免單一語言形式或單一軟件系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序受到的諸多限制。其中本項目需要應(yīng)用的主要軟件和程序語言有如下幾種。

1）Python。腳本運行速度遠(yuǎn)大于 Dynamo 本地化節(jié)點運行速度，常用的循環(huán)、復(fù)雜條件分支和遞歸等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只有通過編程實現(xiàn)，且 Python 程序語言簡潔凝練，可將 Dynamo 多節(jié)點組合通過簡化代碼得以實現(xiàn)。

2）Revit。作為實現(xiàn)建筑工程 BIM 設(shè)計的三維參數(shù)化平臺，Revit 不僅能夠提供傳統(tǒng)二維圖紙，還可以聯(lián)動Fuzor、Lumion、Twinmotion 等模擬建造、渲染軟件，提供準(zhǔn)確形象的三維立體模型，通過模擬建造、VR 技術(shù)、三維掃描技術(shù)方便施工人員進(jìn)行質(zhì)量檢查和直觀預(yù)見部件組合問題，提高工程施工效率和準(zhǔn)確度。

3）Dynamo?？梢暬脚_是和 Revit 隨機裝用，可實現(xiàn) AutoCAD、Civil3D、Revit、Excel 等軟件和.png、.jpg、.txt 文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可基于 Python 編程語言進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，為實現(xiàn)模型批量生成和智能化應(yīng)用提供圖形數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺。

本項目就是利用 Revit 作為三維圖形化展現(xiàn)平臺和多種渲染軟件、施工模擬軟件、數(shù)字圖形提取接口；Dynamo 作為 Revit 軟件平臺和 Python 編程語言的數(shù)據(jù)圖形搭接平臺，自身也負(fù)擔(dān)部分程序編輯任務(wù)；Python 作為科學(xué)運算、數(shù)據(jù)分析和智能化運維終端，提高運算的速度、穩(wěn)定性和容錯性，排除冗余運算對計算機內(nèi)存的占用。

2.2 工作流程整合

本項目基本流程步驟和思路如圖 1 所示。

圖1 鋁合金模板智能配模方法基本實施步驟

1）通過 Revit 三維軟件建立標(biāo)準(zhǔn)化的建筑物結(jié)構(gòu)模型；

2）在 Dynamo 圖形化編程平臺中提取模型體型，整合分化建筑物表面；

3）將建筑表面智能區(qū)分為梁側(cè)表面、梁底表面、板底表面、墻面和梁聯(lián)系面；

4）根據(jù) JGJ 386－2016《組合鋁合金模板工程技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“JGJ－386”）利用 Python 編程語言進(jìn)行程序邏輯層運算，智能計算并生成鋁合金墻、梁、板、陰陽角、承接模板，以及鋁模斜撐、立桿、背楞、螺栓等構(gòu)件體型；

5）通過 Dynamo 程序?qū)⒛Ｐ腕w型導(dǎo)入 Revit 中進(jìn)行實體化，并形成 Excel 表格統(tǒng)計鋁合金模板編號、型號和規(guī)格數(shù)量、體積、重量等信息；

6）利用 Dynamo 控制 Revit 批量導(dǎo)出模板和構(gòu)件的二維圖紙，拼裝圖紙等；

7）編輯 Python 程序?qū)?jpg 格式圖紙批量整合進(jìn)入Excel 表格中；

8）將 Revit 鋁模板模型鏈接進(jìn)入 Fuzor 施工模擬軟件進(jìn)行模擬拼裝，導(dǎo)入 Lumion 或 Twinmotion 軟件形成渲染宣傳視頻；

9）通過魯班 BIM5D 平臺在移動端 APP 平臺形成三維圖紙查閱和質(zhì)量檢查系統(tǒng)。

3 輸入層設(shè)計

3.1 輸入層功能分析

輸入端主要功能是將 Rev it 建筑模型讀取至Dynamo 圖形平臺，達(dá)到如圖 2 所示整體效果。主要方法是通過 Dynamo 節(jié)點運算將建筑模型表面整合，提取建筑梁、板、墻、柱的基本表面信息。由于選擇的建筑物樓層構(gòu)件將全部參與模板搭建運算中，其中主要解決的是建筑物圖形整體數(shù)量與計算機運算效率之間的關(guān)系，對其中的可行性運算策略進(jìn)行分析。

圖2 鋁合金模板單體工程模型和節(jié)點模型

3.1.1 方案 1

方案運算的主要任務(wù)是將單棟建筑物包含的所有構(gòu)件全部直接錄入 Dynamo 運算平臺中，參與到 Dynamo 鋁模板智能化配模方案的運算中。

方案主要優(yōu)點包括智能化運算程度高，一次性就能將構(gòu)筑物全部表面計算完成；精確度非常高，避免樓層之間或構(gòu)件之間出現(xiàn)構(gòu)件重合等重復(fù)性計算和操作；重復(fù)運算量最小，所有構(gòu)件運算只需要通過一次運算即可有效劃分。

方案主要缺點包括構(gòu)件運算量巨大，特別是對于高層建筑物，會造成信息阻塞，方案運算難以在短時間內(nèi)進(jìn)行有效實施；不必要運算過多，特別是對于標(biāo)準(zhǔn)樓層較多的建筑物，只需要計算其中一層的配模方案，即可在全棟建筑物適用，造成不必要的時間成本支出；運算方式靈活性差，如根據(jù)施工進(jìn)度難以針對工程所需鋁合金模板實際工程量進(jìn)行提取。

3.1.2 方案 2

方案運算的主要任務(wù)是將建筑物的構(gòu)件分別在圖形平臺中采用點選方式單一選擇，進(jìn)行鋁模板配模方案的邏輯運算。

方案主要優(yōu)點包括運算靈活性高，建筑物可實現(xiàn)單一構(gòu)件的配模并提取鋁合金模板的運算；構(gòu)件運算量小，能夠短時間內(nèi)輸出模板型式數(shù)量等信息；可根據(jù)建筑物配模需求進(jìn)行配模方案的運算選擇。

方案主要缺點包括智能化程度低，如果進(jìn)行整體運算需要用戶通過人工將每種構(gòu)件全部點選，用戶體驗感差；重復(fù)運算量高，容易形成構(gòu)件的重復(fù)性運算，重復(fù)提取工程量，造成預(yù)算方案偏差；精確度低，構(gòu)件之間界限不明顯會造成計算偏差。

3.1.3 方案 3

方案運算的主要任務(wù)是通過建筑物單一標(biāo)高樓層分析和選擇，對鋁模板配模方案進(jìn)行邏輯運算。

方案主要特點是樓層之間可以通過明顯界限智能判斷，提高配模方案的精確程度，避免樓層之間界面不清引起的重復(fù)性計算；智能化運算程度中等，只需要通過選擇所需樓層標(biāo)高即可運算本層鋁合金模板全部配模方案，特別適合標(biāo)準(zhǔn)層較多的建筑物，用戶體驗感較好；構(gòu)件運算量中等，單層所需運算時間對設(shè)備的占用不會過長，模板配備方案可以在方案允許時段內(nèi)形成，及時提供各項信息形成模板型式數(shù)量的 Excel 配備表格；方案主要提取單層的鋁合金模板配備信息，可以通過對選擇構(gòu)件的判斷形成單一構(gòu)件的配模方案。

根據(jù)以上方案判斷分析選擇最終確定方案 3 作為輸入端鋁合金模板配模策略，并根據(jù)此策略分解合并構(gòu)筑物表面信息。

3.2 輸入層結(jié)構(gòu)組成

整體輸入層設(shè)計思想是通過設(shè)置條件將 Revit 中圖形文件輸入的梁、板、柱、墻 Solid 形體讀取輸入，分析形體組成，通過邏輯運算實現(xiàn)框架梁側(cè)面、框架梁底面、樓板底面、墻面和框架聯(lián)系面的智能分析和辨認(rèn)歸類工作。輸入端基本由圖形信息讀取控制模塊、圖形信息分析模塊和圖形邏輯實現(xiàn)模塊組成，如整體模塊結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

3.2.1 圖形信息讀取控制模塊

通過建筑模型構(gòu)件分層參與鋁模板配板方案運算方案分析，需要利用目標(biāo)分析層標(biāo)高（Level）控制引入本層分析圖形信息，并利用邏輯運算自動分析并引入底層限制圖形信息，便于對目標(biāo)層圖元分析界面條件限制。

圖3 輸入端設(shè)計構(gòu)成以及鋁合金模板附著面的生成

3.2.2 圖形信息分析模塊

通過合并輸入的圖形信息（Union 模塊），將暗柱、端柱等零落的豎向構(gòu)件全部與臨近墻體構(gòu)件結(jié)合成整體，分析并輸出所有完整的構(gòu)成面，以便于邏輯運算層面進(jìn)一步分析。

3.2.3 圖形邏輯實現(xiàn)模塊

圖形邏輯實現(xiàn)模塊是輸入層核心部分，需要將分析模塊的構(gòu)成面分解實現(xiàn)為各分類組成面的分組，其中重點解決問題框架梁底面、側(cè)面和聯(lián)系面的分解；板面不涉及邏輯運算上表面的排除；綜合豎向構(gòu)件合并墻體同向表面，并排除墻體不涉及邏輯運算的上下表面。然后將運算結(jié)果輸出到邏輯運算層分析操作。在 Excel 數(shù)據(jù)表中自動生成各組成面數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步地分析和應(yīng)用（見表 1）。

表1 樓板面邏輯分隔參數(shù)數(shù)據(jù)表（節(jié)選）

4 邏輯層設(shè)計

4.1 邏輯層功能分析

邏輯運算層需要將 JGJ 386 節(jié)點要求完整映射到程序規(guī)則中，根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求的標(biāo)準(zhǔn)配模尺寸和配套模板尺寸，將基本的墻、梁、板面通過計算智能擇取最優(yōu)模板配型方案，分解為面板附著面、陰陽角附著線（面）、鋁梁附著面、早拆頭附著面等，通過附著面（線）提供的位置尺寸等信息形成面板和組成構(gòu)件實體模型。邏輯層屬于整體計算程序核心部分，根據(jù)節(jié)點功能分析，主要由型材附著面（線）節(jié)點組和依附構(gòu)件節(jié)點組兩部分組成（見圖 4）。

圖4 Dynamo 邏輯層和 Python 程序設(shè)計構(gòu)成分析

4.2 邏輯運算語言分析

基于 Dynamo 圖形平臺，主要有兩種可用編譯模塊，code block 和 Pythonscript。本項目前期曾使用 code block 對核心程序進(jìn)行編輯，對程序邏輯實現(xiàn)還存在很大差距，相對于 Python 編譯存在以下優(yōu)缺點。

1）code block 相對于 Python 學(xué)習(xí)時間成本低，可以基于 Dynamo 圖形平臺直接調(diào)用節(jié)點模塊進(jìn)行圖形計算，Dynamo 節(jié)點模塊較為豐富，基本滿足鋁合金模板計算要求；Python 代表著簡單主義思想的編譯語言，在編程語言中較為簡單易學(xué)，但是作為高級語言熟悉掌握并進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的過程中仍然需要大量閱讀和練習(xí)，對操作人員的邏輯性思維要求較高。

2）Pythonscript 可以接入外部節(jié)點庫，利用內(nèi)置math 庫替代 Dynamo 中的數(shù)學(xué)計算節(jié)點，List、Tuple、Set、Dictionary 應(yīng)用可以實現(xiàn)靈活而豐富的使用方式。使用已有的 Python 資源庫可以實現(xiàn)比較高級的函數(shù)功能，比如正則表達(dá)式可以解析復(fù)雜字符串，這些都是對DesignScript 功能的巨大擴充。

3）code block 在確認(rèn)圖形關(guān)聯(lián)關(guān)系中需要大量矩陣運算。運算量為相關(guān)聯(lián)圖形組數(shù)量的乘積，多次應(yīng)用后運算量成倍增長，造成內(nèi)存占用量大，程序運行緩慢。利用 PythonScript 節(jié)點可以通過設(shè)置參數(shù)條件將符合條件選項排除出列表，避免冗余運算，縮短運算時間。

4）PythonScript 中的條件語句 if、else，循環(huán)語句while、for in，異常處理語句 try、except、finally 等在保證程序連續(xù)性正常執(zhí)行，符合條件篩選的元素運算，以及迭代運算都有 code block 無法替代的功能。雖然Dynamo 本身也有 if、while 等節(jié)點，但是使用條件單一，受到使用語言環(huán)境限制比較大，不能很好地發(fā)揮自身功用。

5）Python 作為人工智能的首選編程語言，在所有編程類語言中最大優(yōu)勢是其簡潔優(yōu)雅和極佳的可讀性，是一種跨平臺的語言，可以使用解釋方式直接調(diào)用 API 取得 Revit 或者 CAD 庫，不需要編譯代碼就可以批量運行 Revit 或者 CAD 中的構(gòu)件元素或者命令，讓用戶體驗到更多的應(yīng)用功能。

6）Python 可以實現(xiàn)非循環(huán)神經(jīng)元集合建模，通過輸入層（input layer）將人類的讀圖識圖中大腦的思維過程映射至計算函數(shù)層（hidden layer），然后通過輸出層（output layer）實現(xiàn)鋁合金模板配模運算過程的全程智能化。

通過以上的比較和實際應(yīng)用，本項目第二次修改過程中全部采用了 Python 語言對邏輯運算層全部重構(gòu)，將 JGJ 386 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)映射至運算程序中，通過計算程序智能優(yōu)選最佳配模方案，大幅度提高計算精確度和計算效率，擴展人工建模難以實現(xiàn)的功能，為項目功能的實現(xiàn)取得了良好的表觀效果（見圖 5）。

圖5 規(guī)范參數(shù)數(shù)據(jù)組和程序組模塊編輯

4.3 邏輯層實現(xiàn)目標(biāo)與步驟

鋁合金模板配模運算中最重要的功能就是將JGJ 386 中的有關(guān)樓板、梁底、墻柱附著模板規(guī)格與孔位規(guī)定的計算規(guī)則映射到梁、板、墻、柱整體外表面中來；然后從中分離和辨析出陰角和陽角模板、梁和板底的早拆頭、連接角模等等附著面和線的設(shè)置；同時需要解決面層法向量，線段垂直向量等問題，便于構(gòu)件節(jié)點附著時所有構(gòu)件平面均向內(nèi)，肋板層均向外的操作；通過設(shè)置邏輯層的實現(xiàn)目標(biāo)制定邏輯層生成的步驟。

邏輯層主要由功能函數(shù)、判斷函數(shù)、迭代遞歸函數(shù)和實現(xiàn)函數(shù)組成。由于 PythonScript 的使用條件限制，還暫未實現(xiàn)面向?qū)ο蟮念悇e設(shè)置。

1）功能函數(shù)。即為實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)中某一小段的函數(shù)，比如拍平函數(shù)，可以將多維列表轉(zhuǎn)化為一維列表進(jìn)行計算使用，簡化深度列表復(fù)雜判斷與計算（見圖 6）。

圖6 拍平功能函數(shù)實現(xiàn)代碼

2）條件判斷函數(shù)。利用條件判斷實現(xiàn)數(shù)組與列表的分離，排除功能以外數(shù)組的冗余計算。通過條件函數(shù)可以通過計算規(guī)則實現(xiàn)附著平面進(jìn)行粗分、判斷分隔面的方向，判斷平面邊線是否為陰陽角、判斷鋁梁面的分隔位置、判斷大面中拐點的位置和分隔方向、判斷底角模板和承接模板的分隔面以及根據(jù)模板型號判斷螺栓孔排布位置。

3）迭代遞歸函數(shù)。對給定的 list 或 t uple，通過 for 和while 循環(huán)函數(shù)以及函數(shù)調(diào)用自身的循環(huán)實現(xiàn)數(shù)據(jù)重組和細(xì)部分割。這種函數(shù)通常和條件判斷函數(shù)配合應(yīng)用在模板面細(xì)致分離上，通過迭代和遞歸函數(shù)的條件設(shè)置判斷，函數(shù)模式定義簡單，邏輯清晰，避免數(shù)據(jù)的重復(fù)調(diào)離和復(fù)用，且邏輯層次更加嚴(yán)謹(jǐn)。

4）實現(xiàn)函數(shù)。通過以上函數(shù)的組合調(diào)用，輸出列表（list）、數(shù)組（tuple）、字典（dictionary）的組合結(jié)果，實現(xiàn)全段函數(shù)功能輸出，將全部部件信息通過表格（見表 2），二維或三維圖形等方式進(jìn)行匯總輸出。

表2 樓板底面模板參數(shù)表（節(jié)選）

5 結(jié)語

通過 BIM 技術(shù)對組合鋁合金模板體系智能配模方法研究及長城嘉峪苑項目實踐應(yīng)用，解決了嘉峪苑小區(qū)高層住宅樓鋁合金模板的配置，適用于樓層較為標(biāo)準(zhǔn)的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了建筑技術(shù)、建模技術(shù)、智能技術(shù)的 BIM 深度應(yīng)用，實現(xiàn) BIM 技術(shù)項目高效率、智能化實施。有效結(jié)合理論知識與實踐應(yīng)用，將 BIM 技術(shù)導(dǎo)入深層次應(yīng)用，且通過每一個技術(shù)應(yīng)用點的研究和標(biāo)準(zhǔn)勘定，形成 BIM 技術(shù)在實際項目全過程應(yīng)用，實現(xiàn)現(xiàn)場精細(xì)化管理和建筑工藝可裝配化技術(shù)含量的提升。尚未對異形建筑結(jié)構(gòu)主體展開應(yīng)用研究，應(yīng)用對象主要是建筑施工建設(shè)階段，對于組合鋁合金模板在設(shè)計加工階段的要求考慮尚有不足。所用鋁合金模板體型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù) JGJ 386，程序初步設(shè)計主要考慮的是單棟建筑工程，目的是加強單棟建筑的組合鋁合金模板周轉(zhuǎn)次數(shù)且嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，存在小型模板過多增加制作安裝工程量的問題。如果將整個小區(qū)或者后續(xù)工程作為整體鋁合金模板的周轉(zhuǎn)范疇統(tǒng)一考慮，可以加大模板的體型參數(shù)，從而簡化模板設(shè)計、制作和安裝的施工流程，減少加固構(gòu)件的使用量，更好地輔助和推動現(xiàn)場工程進(jìn)度、澆筑質(zhì)量、施工成本和施工安全的加強。Q