朱慧嫻，徐 照

裝配式建筑自上而下設(shè)計信息協(xié)同與模型構(gòu)建

朱慧嫻，徐 照

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

為順應(yīng)國家建筑產(chǎn)業(yè)化、智能化發(fā)展的政策引導(dǎo)，針對當(dāng)前裝配式建筑專業(yè)信息缺乏關(guān)聯(lián)、模型利用不充分、數(shù)據(jù)傳遞效率低下等問題，提出基于建筑信息模型(BIM)技術(shù)的自上而下設(shè)計方法。以裝配式建筑的設(shè)計階段為切入點，詳細(xì)闡述了基于BIM技術(shù)的裝配式建筑自上而下設(shè)計流程。結(jié)合裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件設(shè)計和組裝特點，提出一種基于自上而下設(shè)計的裝配模型，并從層級和專業(yè)2個角度描述了模型的架構(gòu)。針對各專業(yè)模型傳遞時的數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)化、一致性問題，通過工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)標(biāo)準(zhǔn)對裝配模型進(jìn)行實體和屬性集的擴展，提出基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的各專業(yè)、各階段的自上而下設(shè)計信息協(xié)同。經(jīng)實例驗證了IFC擴展裝配模型的自上而下設(shè)計可行性，為裝配式建筑的協(xié)同設(shè)計提供了有益的方法借鑒。

建筑信息模型；自上而下設(shè)計；裝配模型；工業(yè)基礎(chǔ)類擴展；協(xié)同設(shè)計

一直以來，建筑產(chǎn)品的設(shè)計均遵循著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計流程?，F(xiàn)階段，無論從行業(yè)政策還是技術(shù)需求方面，打破繁瑣低效建筑設(shè)計模式，推行更符合建造邏輯的設(shè)計模式已成為必然趨勢。裝配式建筑作為實現(xiàn)建筑工業(yè)化的必經(jīng)之路，其標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化的內(nèi)在要求與建筑信息模型(building information modeling，BIM)的信息化、可視化特點不謀而合[1]，而BIM的建立就是基于工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation classes，IFC)標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。將基于BIM技術(shù)的自上而下設(shè)計應(yīng)用于裝配式建筑，具有積極的現(xiàn)實意義。

目前BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計中已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，主要集中于在傳統(tǒng)設(shè)計流程基礎(chǔ)上提出的軟件優(yōu)化、多主體協(xié)同、信息編碼、數(shù)據(jù)庫建立等。針對BIM自上而下設(shè)計，黃高松和焦柯[2]從推廣實施層面提出了設(shè)計企業(yè)ISO質(zhì)量管理體系，楊新等[3]建立了以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和模型圖紙文件管理器為核心的協(xié)同設(shè)計平臺，曾旭東等[4]結(jié)合不同工程實例總結(jié)出BIM技術(shù)在設(shè)計各階段的工作要點；從模型的IFC擴展角度，孟曉曄等[5]基于結(jié)構(gòu)分析模型的交換需求擴展了IFC結(jié)構(gòu)體元件，高秋亞和高新聞[6]對預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)信息組織與表達(dá)方式進(jìn)行了研究，高洋[7]提出了基于IFC的進(jìn)度實體與成本實體的擴展方法，王勇等[8]以建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型為核心擴展了施工圖設(shè)計模型和結(jié)構(gòu)內(nèi)力描述模型。從上述內(nèi)容可以看出，雖然現(xiàn)階段對BIM自上而下設(shè)計和裝配式建筑進(jìn)行了大力推廣研究，但自上而下設(shè)計的流程并沒有系統(tǒng)、清晰的闡述，缺乏針對裝配式建筑特點的設(shè)計及自上而下協(xié)同過程分析。

本文通過對建筑設(shè)計層面的高度總結(jié)，提出了更符合裝配式建筑特征的裝配模型并對其進(jìn)行IFC擴展，通過IFC標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了基于自上而下設(shè)計的裝配模型信息協(xié)同，最后通過實例驗證了IFC擴展裝配模型的自上而下設(shè)計的可行性。

1 裝配式建筑自上而下設(shè)計

建筑設(shè)計一般分為方案設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計3個階段?；贐IM技術(shù)的自上而下設(shè)計是指從方案設(shè)計開始就直接在三維模型中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計、協(xié)同管理、模型優(yōu)化，是建筑模型從粗略到細(xì)致的迭代變化的過程。

目前大多數(shù)設(shè)計還停留在翻模層面，屬于逆向設(shè)計方式[9]。在設(shè)計過程中，BIM模型被視為附加設(shè)計成果，是設(shè)計院為應(yīng)對政府和甲方要求而采取的“被信息化”手段，未體現(xiàn)BIM的真正價值。

相比于傳統(tǒng)設(shè)計方式，自上而下設(shè)計是一種更高效的設(shè)計思維。將自上而下設(shè)計引入裝配式建筑的設(shè)計中，可極大提升其質(zhì)量和效率。圖1展示了基于BIM的自上而下設(shè)計方法與裝配式建筑設(shè)計的整體配合過程：在方案設(shè)計階段，經(jīng)過建筑規(guī)劃方案的對比決策，形成粗略的BIM方案模型，進(jìn)行建筑的平面、立面、剖面設(shè)計；在初步設(shè)計階段，模型進(jìn)一步細(xì)化形成BIM方案模型，此階段強調(diào)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，整體分析、優(yōu)化調(diào)整，最終確定預(yù)制構(gòu)件位置、立面示意等；在施工圖設(shè)計階段，形成BIM交付模型，此階段模型主要是對構(gòu)件的深化設(shè)計，并生成詳細(xì)尺寸控制圖和預(yù)制構(gòu)件加工圖，完成裝配式建筑的自上而下設(shè)計。

為了簡潔、精煉地表達(dá)面向多專業(yè)的自上而下設(shè)計過程，本文針對裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件設(shè)計和組裝特點，提出一個支持自上而下設(shè)計、專業(yè)協(xié)同的裝配模型。

2 基于IFC的裝配模型建立

2.1 建筑裝配特征與裝配關(guān)系

裝配是指將零件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝，經(jīng)過調(diào)整、檢測成為合格產(chǎn)品的過程，而建筑業(yè)在發(fā)展過程中也一直采用裝配的理念，將整棟建筑進(jìn)行拆分，通過在工廠中預(yù)制每一塊構(gòu)件，最終只需在現(xiàn)場進(jìn)行安裝連接，實現(xiàn)建筑的裝配。將裝配式建筑視為一個可以拆分的模型，實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件乃至預(yù)埋件的裝配關(guān)系的體系化，是創(chuàng)建裝配式BIM的目的。

(1) 裝配特征。裝配式建筑貫徹的是預(yù)制裝配的理念，一般存在由個零件組成的構(gòu)件=(1,2,···,p)，而當(dāng)其滿足條件：①個零件之間的連接關(guān)系使得是一個穩(wěn)定的、單獨成型、不可拆分的；②零件連接得到的不影響整體其他構(gòu)件的裝配，將稱為一個子裝配體，即一個構(gòu)件。

對于由多個子裝配體和零件構(gòu)成的裝配體，裝配特征是裝配體中與裝配有關(guān)的屬性信息的集合，即不同的零件與某裝配方式有關(guān)的屬性，以及描述這些零件如何按照設(shè)計要求組裝成整體的屬性信息集合，根據(jù)構(gòu)件數(shù)據(jù)項={P|=1,2,···,)和計算方法()表示為裝配特征=()。

對于裝配式建筑，裝配特征是零件、構(gòu)件與裝配相關(guān)的一組數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息集中體現(xiàn)了子裝配體的裝配功能。

(2) 裝配關(guān)系。是對零構(gòu)件之間的相對關(guān)系的描述，其反映零構(gòu)件之間的相互約束。零構(gòu)件之間的裝配關(guān)系包括零件之間、構(gòu)件之間、零件和構(gòu)件之間的裝配信息。在裝配式建筑中，裝配關(guān)系主要包括配合關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系2種。

配合關(guān)系是2個零、構(gòu)件的幾何特征之間的接觸約束關(guān)系，其描述2個相互配合的零、構(gòu)件如何通過若干幾何表面的相互接觸來實現(xiàn)其之間的相互聯(lián)系[10]，是產(chǎn)生建筑裝配順序的重要依據(jù)。幾何關(guān)系信息={裝配零/構(gòu)件，幾何元素，配合關(guān)系類型}，根據(jù)構(gòu)件數(shù)據(jù)項={P|=1,2,···,)、零件數(shù)據(jù)項={p|=1,2,···,)、幾何元素數(shù)據(jù)項={m|=1,2,···,)、配合關(guān)系數(shù)據(jù)項={coo|=1,2,···,)和計算方法()，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可表示為1?(,,,)。

聯(lián)接關(guān)系由若干零件通過其他聯(lián)接零件或自身的聯(lián)接特征聯(lián)接在一起，構(gòu)成穩(wěn)定的、整體的特殊裝配關(guān)系，如鋼筋和混凝土之間通過自身材料黏合形成整體的鋼筋混凝土構(gòu)件。聯(lián)接關(guān)系信息={裝配零/構(gòu)件，聯(lián)接關(guān)系類型，聯(lián)接關(guān)系詳細(xì)信息}，根據(jù)構(gòu)件數(shù)據(jù)項={P|=1,2,···,)、零件數(shù)據(jù)項={p|= 1,2,···,)、聯(lián)接關(guān)系數(shù)據(jù)項={con|=1,2,···,)、聯(lián)接關(guān)系詳細(xì)信息={s|=1,2,···,)和計算方法()，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可表示為2?(,,,)。

(3) 裝配模型。將各個零件和構(gòu)件在空間上進(jìn)行有序放置[11]，通過裝配關(guān)系組裝形成建筑模型。在裝配模型中，將零件作為裝配模型的最小單元，當(dāng)某一零件的裝配特征或裝配關(guān)系發(fā)生更改，其對應(yīng)的子裝配體隨之發(fā)生更改。因此，將裝配模型表達(dá)為零件、構(gòu)件和裝配關(guān)系的函數(shù)集合，根據(jù)計算方法()表示為=(,1,2)。

2.2 基于自上而下設(shè)計的裝配模型

在實際建筑設(shè)計過程中，從方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段到施工圖設(shè)計階段，每個設(shè)計階段通常是不連續(xù)的，而是迭代的、遞歸的和混合的[12]，不同階段之間沒有明確的界限?；诖耍⒒谧陨隙略O(shè)計的裝配模型，對裝配式建筑的自上而下設(shè)計過程進(jìn)行輔助表達(dá)。

圖2為裝配模型的整體架構(gòu)，在裝配式建筑的自上而下設(shè)計過程中，隨著設(shè)計深度的擴展，其被分解成幾個子裝配體或零件，對每個子裝配體執(zhí)行自上而下設(shè)計。當(dāng)某些子裝配體仍然有子裝配體時，進(jìn)一步深化設(shè)計。最后，當(dāng)每個子裝配體完成時，設(shè)計完成。

圖2 裝配模型整體架構(gòu)

2.2.1 裝配模型的層級建立

裝配式建筑由多個預(yù)制構(gòu)件組成，預(yù)制構(gòu)件相當(dāng)于裝配式建筑的子裝配體，而每一塊的預(yù)制構(gòu)件又由多個零件組成。根據(jù)零件、預(yù)制構(gòu)件和裝配式建筑之間的層級關(guān)系以樹狀結(jié)構(gòu)來表達(dá)整體的裝配。

由于裝配式建筑自身的結(jié)構(gòu)特點，每一種預(yù)制構(gòu)件均可視為建筑的子裝配體，與門窗構(gòu)件同為構(gòu)件層的一層，在此基礎(chǔ)上由構(gòu)件層再下分一層零件層。零件層包含零件和部件，部件是由最小單位的零件組成，是可獨立實現(xiàn)一定功能的單位，如預(yù)制疊合板中的桁架筋為構(gòu)成疊合板的部件，但由下一層的上弦筋、下弦筋和腹筋通過一定的裝配關(guān)系連接而成。最終得到裝配式建筑的層級分布，如圖3所示。節(jié)點代表不同層級的子裝配體，主要包含的是實體屬性，即幾何物理屬性，幾何信息包括外觀尺寸、保護(hù)層厚度等，物理屬性包括材料、硬度等；節(jié)點之間的虛線則表示各構(gòu)件或零部件之間存在一種或多種裝配關(guān)系。因此，裝配模型表達(dá)的是層次與關(guān)系混合模型，反映了整個三維模型的框架。

2.2.2 裝配模型的專業(yè)分布

為有效支持裝配模型的協(xié)同設(shè)計，裝配模型由建筑、結(jié)構(gòu)、MEP(電氣、暖通、給排水)專業(yè)3個部分組成。建筑設(shè)計模型作為BIM數(shù)據(jù)的中心文件，為本地組件，結(jié)構(gòu)和MEP專業(yè)模型為具有與本地組件接口的相關(guān)組件[13]。利用工作集的形式對中心文件進(jìn)行劃分，便于幫助各專業(yè)設(shè)計人員了解相關(guān)設(shè)計信息，并協(xié)同確定有關(guān)參數(shù)。

圖4為裝配模型的專業(yè)分布結(jié)構(gòu)，其A代表建筑設(shè)計模型，即BIM數(shù)據(jù)的中心文件，分為A1和A2兩部分，是裝配模型的本地組件。B和C分別代表結(jié)構(gòu)和MEP設(shè)計模型，由于此部分模型需要在部分建筑設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行專業(yè)設(shè)計，因此將B和C表示為A1的相關(guān)組件，而A2則是與B、C無關(guān)聯(lián)的建筑專業(yè)內(nèi)部組件。

此處裝配結(jié)構(gòu)中的每個節(jié)點表示沒有幾何信息的零構(gòu)件，其主要功能是記錄整個設(shè)計結(jié)果，支持保證多專業(yè)分布的裝配模型一致性所必需的設(shè)計變更信息交付。在整個設(shè)計階段的數(shù)據(jù)信息的傳輸和流動中，建筑模型居于中心的支配地位，由其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息分別被結(jié)構(gòu)和MEP專業(yè)設(shè)計所繼承和提取，而MEP設(shè)計又繼承和提取結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。各專業(yè)信息反復(fù)提取與整合，最終達(dá)到設(shè)計要求。

圖4 裝配模型專業(yè)分布結(jié)構(gòu)

2.3 裝配模型的IFC表達(dá)

在裝配模型中，不僅保留了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)信息，還保留了構(gòu)件、零件間的約束關(guān)系。基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的裝配模型表達(dá)，將模型的裝配結(jié)構(gòu)信息、裝配關(guān)系信息轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)模式，可實現(xiàn)裝配模型的專業(yè)關(guān)聯(lián)性和一致性。

2.3.1 構(gòu)件表達(dá)

預(yù)制構(gòu)件作為裝配式建筑的基本對象在IFC標(biāo)準(zhǔn)的定義中主要包括幾何信息、位置信息、屬性信息和關(guān)聯(lián)關(guān)系等。

以柱為例，通過IFC2×3版本物理文件的IfcColumn實例和相關(guān)實例語句分析構(gòu)件的IFC表達(dá)。如圖5所示，選擇一個標(biāo)準(zhǔn)柱構(gòu)件編號#170，其屬性信息通過IFC物理文件中#170實例語句的8個屬性值進(jìn)行表達(dá)。其中，OwnerHistory，ObjectPlacement和Representation 3個屬性通過引用其他語句進(jìn)行具體表達(dá)。例如，屬性Representation通過實例#161表達(dá)幾何外觀：其中，#153(IfcShapeRepresentation)描述了構(gòu)件的幾何形狀，為復(fù)用幾何形狀的定義，使用了映射項#151(IfcMappedItem)；#158(IfcShapeRepresentation)指向構(gòu)件的包圍盒#157(IfcBoundingBox)，包括其位置#155(IfcCartesianPoint)和在3個坐標(biāo)軸上的長度。對于實體之間的包含關(guān)系則以關(guān)聯(lián)實體IfcRelAggregates進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖6所示的IFC文件內(nèi)容，實體柱#291、#347(IfcColumn)通過關(guān)聯(lián)實體#503(IfcRelContainedInSpatialStructure)與空間實體樓層#129(IfcBuildingStorey)關(guān)聯(lián)。

同樣的，構(gòu)件之間也存在著依附關(guān)系。在IFC物理文件中，門(IfcDoor)、窗(IfcWindow)、墻(IfcWallStandardcase)之間需依托開洞實體(IfcOpeningElement)進(jìn)行關(guān)聯(lián)[14]。如圖7所示，墻構(gòu)件#171(IfcWallStandardcase)與開洞實體#729(IfcOpeningElement)以關(guān)聯(lián)實體#734(IfcRelVoidsElement)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，門構(gòu)件#468(IfcDoor)與開洞實體#729(IfcOpeningElement)以關(guān)聯(lián)實體#746(IfcRelFillsElement)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而關(guān)聯(lián)實體#644(IfcRelContainedInSpatialStructure)則將墻構(gòu)件、門構(gòu)件與樓層#123(IfcBuildingStorey)關(guān)聯(lián)起來，使得門窗也包含在樓層中。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)柱實例屬性解析示例(IFC2×3)

圖6 柱構(gòu)件與樓層關(guān)聯(lián)示例

圖7 門、墻構(gòu)件與樓層關(guān)聯(lián)示例

2.3.2 裝配模型的IFC擴展

基于開放的IFC標(biāo)準(zhǔn)體系，目前提供了3種擴展機制[15]：增加IFC實體定義的擴展、基于IfcProxy實體和屬性集的擴展?；谘b配式建筑的裝配特征和裝配關(guān)系，本文主要針對裝配模型的構(gòu)件實體、屬性定義和關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行IFC擴展，從而實現(xiàn)在IFC標(biāo)準(zhǔn)體系中對裝配模型架構(gòu)的描述，圖8為裝配模型的IFC擴展EXPRESS-G圖。

增加IFC實體定義的擴展包括IFC實體的增加和實體屬性的擴展。其中，增加IFC實體是模型擴展最直接的方式，圖8中裝配式建筑實體(IfcPrefabricatedBuilding)為新增實體，通過增加該實體可描述裝配模型的整體架構(gòu)，通過集合關(guān)聯(lián)實體(IfcRelAggregates)與原有建筑實體(IfcBuilding)關(guān)聯(lián)，與IFC數(shù)據(jù)模型有良好的融合，避免造成模型體系的歧義和沖突。對于裝配模型的構(gòu)件層P(=1,2,···,)，IFC模型中已經(jīng)有較完善的描述體系，如門實體(IfcDoor)、窗實體(IfcWindow)、幕墻實體(IfcCurtain)等，在此基礎(chǔ)上新增預(yù)制墻實體(IfcPrecastWall)、預(yù)制柱實體(IfcPrecastColumn)、預(yù)制梁實體(IfcPrecastBeam)、預(yù)制板實體(IfcPrecastSlab)，這些構(gòu)件均派生自建筑構(gòu)件實體(IfcBuildingElement)。

圖8 裝配模型IFC擴展Express-G圖

基于屬性集的擴展是另一種重要的IFC模型擴展方式，根據(jù)要求自定義屬性，不會對原IFC模型體系造成影響。對于裝配模型的零件層p(=1,2,···,)，可通過增加屬性集的方式實現(xiàn)對零件的擴展。以門構(gòu)件為例，如圖8中新增屬性門玻璃窗(Pset_DoorGlazing)、預(yù)留門洞(Pset_ReservedHoleOfDoor)、門把手(Pset_Doorknob)等多個屬性集(IfcPropertySet)，通過屬性關(guān)系實體(IfcRelDefinesByProperties)與多個門實體(IfcDoor)關(guān)聯(lián)。同時，對于模型的裝配關(guān)系中幾何元素、配合關(guān)系等，則通過零構(gòu)件的材料、幾何、配筋信息等屬性定義進(jìn)行擴展確定。其中，材料屬性由材料實體(IfcMaterial)通過材料關(guān)聯(lián)實體(IfcAssociatesMaterial)建立構(gòu)件與構(gòu)件材料之間的關(guān)聯(lián)；幾何屬性由構(gòu)件的Representation屬性與描述實體(IfcRepresentation)關(guān)聯(lián)；鋼筋屬性可通過關(guān)聯(lián)實體(IfcRelAggregates)建立構(gòu)件和加強件(IfcReinforcingElement)，包括其派生的鋼筋實體(IfcReinforcingBar)等信息的關(guān)聯(lián)。

對于構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，除前文所述門、窗、墻構(gòu)件之間依托開洞實體的關(guān)聯(lián)外，以梁、板為例，預(yù)制梁實體(IfcPrecastBeam)與預(yù)制板實體(IfcPrecastSlab)可依托構(gòu)件關(guān)聯(lián)實體(IfcRelConnectsElement)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)一個構(gòu)件信息調(diào)整時，相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件將通過公用節(jié)點機制和構(gòu)件關(guān)聯(lián)實體[8]更新實體的信息，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)修改。此外，不同專業(yè)的構(gòu)件之間可基于分配到產(chǎn)品關(guān)系實體(IfcRelAssignsToProduct)建立關(guān)系，當(dāng)兩者不滿足對應(yīng)關(guān)系時，可將構(gòu)件進(jìn)一步分解，從而滿足兩者之間一對一或多對一的關(guān)系[5]，另外，不同材料零件的聯(lián)接關(guān)系con，如鋼筋與混凝土的關(guān)聯(lián)，也可基于此關(guān)系實體進(jìn)行擴展表達(dá)。

2.3.3 裝配模型的IFC信息協(xié)同

由于專業(yè)分工不同，各專業(yè)對裝配模型的信息表達(dá)側(cè)重點也不同[16]。建筑設(shè)計側(cè)重于表達(dá)裝配模型各個構(gòu)件的外觀造型、空間分布；結(jié)構(gòu)設(shè)計著重表達(dá)各構(gòu)件、零件之間的截面尺寸、拓?fù)潢P(guān)系、節(jié)點連接以及力學(xué)分析；MEP設(shè)計則側(cè)重于表達(dá)設(shè)備管線的空間布局、在構(gòu)件上的預(yù)留孔道。盡管各專業(yè)在模型信息的表達(dá)上存在一定的差異，但結(jié)構(gòu)和MEP設(shè)計模型的形成卻都是建立在建筑模型的基礎(chǔ)上。

通過裝配模型的IFC表達(dá)，集成裝配模型中的建筑、結(jié)構(gòu)、MEP信息，結(jié)構(gòu)、MEP專業(yè)提取裝配模型中的基本對象數(shù)據(jù)信息，結(jié)合本專業(yè)設(shè)計條件建立結(jié)構(gòu)設(shè)計模型和MEP設(shè)計模型。如圖9所示，以預(yù)制墻構(gòu)件(IfcPrecastWall)在裝配模型的建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)中的IFC信息協(xié)同為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員從裝配模型中提取建筑設(shè)計已添加的預(yù)制墻基本數(shù)據(jù)信息，如墻體預(yù)定義類型(PredefinedType)、長度(Length)、高度(Height)、墻體開洞數(shù)量(OpeningQuantity)、開洞面積(OpeningArea)等，根據(jù)既定結(jié)構(gòu)類型與體系，選取結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)、荷載、材料強度、構(gòu)件截面尺寸，在裝配模型中添加預(yù)制墻的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，如墻體厚度(Width)、鋼筋(IfcReinforcingBar)的長度(BarLength)、直徑(BarDiameter)、截面(CrossSectionArea)、等級(SteelGrade)等，形成結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的建立。MEP設(shè)計人員則提取墻體的建筑和結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，根據(jù)水暖電系統(tǒng)和設(shè)備的選型，確定墻體中預(yù)埋電纜、管道等的布置，如電纜托架配件(IfcCableFitting)、電纜托架組件(IfcCableSegment)、接線盒(IfcJunctionBox)、通風(fēng)管道配件(IfcDuctFitting)、給排水管道配件(IfcPipeFitting)、給排水管道組件(IfcPipeSegment)等，形成MEP設(shè)計模型。

圖9 預(yù)制墻構(gòu)件的IFC信息協(xié)同

3 基于IFC的裝配式建筑自上而下協(xié)同設(shè)計

協(xié)同設(shè)計是指各單位相互協(xié)作、信息共享，實現(xiàn)各個專業(yè)和各個環(huán)節(jié)一體化設(shè)計。與現(xiàn)澆混凝土建筑相比，協(xié)同設(shè)計對于裝配式建筑更為重要。裝配式建筑的工廠構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)場組裝方式?jīng)Q定了設(shè)計時對預(yù)埋件、預(yù)留孔洞等設(shè)置的精準(zhǔn)性，且國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定裝配式建筑需滿足管線分離、同層排水[17]，均體現(xiàn)了相關(guān)專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計的必要性。

在開展協(xié)同設(shè)計時，應(yīng)以建筑設(shè)計為主，結(jié)構(gòu)設(shè)計為輔，MEP設(shè)計配合的模式來進(jìn)行。如圖10所示，基于IFC的裝配式建筑自上而下協(xié)同設(shè)計支持不同的設(shè)計單位在同一模型中采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各自的設(shè)計部分，橫向和縱向分別代表不同的設(shè)計階段和設(shè)計專業(yè)。

方案設(shè)計階段：此階段作為協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)，需要明確BIM模型的質(zhì)量交付標(biāo)準(zhǔn)、階段建模精度、統(tǒng)一軸網(wǎng)和標(biāo)高。首先由建筑專業(yè)設(shè)計人員按照規(guī)劃條件和業(yè)主要求建立建筑方案模型，以滿足建筑的用途、功能和造型需求；然后基于IFC標(biāo)準(zhǔn)提取裝配模型基本對象數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合結(jié)構(gòu)與MEP等專業(yè)設(shè)計要求，如確定結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布局以及供水排水、消防排煙、電氣節(jié)能方案等，完成結(jié)構(gòu)和MEP方案模型的設(shè)計。

初步設(shè)計階段：此階段任務(wù)主要是深化方案階段的設(shè)計內(nèi)容，對建筑主要平、立、剖面和構(gòu)件大部尺寸、色彩、材料等進(jìn)行描述，完成荷載、材料強度、截面尺寸等的初步選取并進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，對給排水、采暖通風(fēng)、配電、消防等系統(tǒng)工藝流程的設(shè)計和相關(guān)參數(shù)的確定。

施工圖設(shè)計階段：為模型的最終設(shè)計成果，各專業(yè)需進(jìn)一步細(xì)化模型，完成節(jié)點做法和構(gòu)件大樣、設(shè)備材料清冊等。該階段各專業(yè)模型整合應(yīng)更多地為施工和安裝條件考慮，對專業(yè)間的碰撞沖突問題進(jìn)行協(xié)商解決，不斷完善和優(yōu)化專業(yè)設(shè)計。在該階段可進(jìn)一步進(jìn)行構(gòu)件深化設(shè)計并生成構(gòu)件加工圖，指導(dǎo)后續(xù)構(gòu)件生產(chǎn)與施工。

在整個自上而下協(xié)同設(shè)計中，基于IFC物理文件的裝配模型基本對象數(shù)據(jù)信息和基于IFC數(shù)據(jù)模型的各專業(yè)數(shù)據(jù)庫是所有設(shè)計階段模型的核心基礎(chǔ)，各專業(yè)設(shè)計所使用的數(shù)據(jù)信息是相同的，因此可以共享設(shè)計成果。隨著模型的細(xì)化和調(diào)整，各階段信息不斷積累且相互繼承，每階段設(shè)計完成后由建筑專業(yè)將各專業(yè)設(shè)計成果進(jìn)行整合與調(diào)整，最終完成BIM設(shè)計階段信息模型。

圖10 基于IFC的裝配式建筑自上而下協(xié)同設(shè)計框架

4 實例應(yīng)用

圖11為Revit平臺下某裝配式建筑地下一層的裝配模型。該裝配模型以建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件為核心，構(gòu)件層主要由預(yù)制柱、預(yù)制剪力墻、預(yù)制擋土墻板、預(yù)制疊合板、預(yù)制樓梯、預(yù)制坡道、欄桿、門等構(gòu)成；零件層包括鋼筋、混凝土主體、預(yù)埋件、預(yù)埋線盒、連接套筒、木板、把手、鎖具、鋼管等。

圖11 地下一層裝配模型

完成方案設(shè)計后，基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用算法進(jìn)行獨立構(gòu)件基本信息提取，根據(jù)選擇的構(gòu)件類型，從IFC物理文件中提取出目標(biāo)構(gòu)件，基于Windows10/64 bit平臺，以Python2.7作為主語言，使用wxPythonb2.9進(jìn)行圖形化用戶界面設(shè)計，借助Crypto進(jìn)行程序保護(hù)形成的“IFC file extraction”軟件，將最終提取后的IFC物理文件通過IFC的實體擴展和屬性集擴展方式，在IFC標(biāo)準(zhǔn)體系中新增裝配式建筑樓層實體(IfcPrefabricatedBuildingStorey)及與其通過關(guān)聯(lián)實體(IfcRelContainedInSpatialStructure)相關(guān)聯(lián)的預(yù)制柱、預(yù)制墻、預(yù)制板、預(yù)制樓梯、預(yù)制坡道等建筑構(gòu)件實體(IfcBuildingElement)的派生子實體。表1列舉了部分構(gòu)件擴展實體和屬性、屬性集。

在提取出的建筑基本對象數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)和MEP專業(yè)構(gòu)件、零件信息進(jìn)行IFC擴展。經(jīng)過專業(yè)內(nèi)部深化設(shè)計和專業(yè)之間多次信息提取后的協(xié)同調(diào)整，形成結(jié)構(gòu)設(shè)計模型和MEP設(shè)計模型，如圖12和圖13所示，為IFCWebServer打開的裝配模型結(jié)構(gòu)和MEP專業(yè)IFC擴展的應(yīng)用展示。

表1 裝配模型擴展構(gòu)件實體及相關(guān)屬性、屬性集

圖12 裝配模型結(jié)構(gòu)專業(yè)IFC擴展的應(yīng)用

圖13 裝配模型MEP專業(yè)IFC擴展的應(yīng)用

5 結(jié)束語

基于BIM技術(shù)的自上而下設(shè)計是對建筑傳統(tǒng)設(shè)計模式的一次革新，受到國家、行業(yè)的大力推廣。但自上而下設(shè)計目前尚處于起步階段，在技術(shù)和管理層面存在較大阻力。本文針對裝配式建筑的自上而下設(shè)計描述了裝配模型的整體架構(gòu)和基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計信息協(xié)同，但在設(shè)計組織管理和模型自動出圖方面仍需細(xì)化研究。隨著BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用不斷深化，相信自上而下設(shè)計的流程體系和協(xié)同管理將會逐步規(guī)范，應(yīng)用于各類建筑的全生命周期，解決信息傳遞效率低下、模型利用不充分等問題，實現(xiàn)BIM技術(shù)的價值最大化，推動建筑行業(yè)在信息化時代中的創(chuàng)新發(fā)展。

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Research on information collaboration and model construction for top-down design of prefabricated buildings

ZHU Hui-xian, XU Zhao

(Department of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210000, China)

In order to comply with the national policy of building industrialization and intelligent development and solve such problems as the disconnectedness to professional information, insufficient use of models, and low efficiency of data transmission, a top-down design method based on the building information modeling (BIM) technology was proposed. Starting with the design stage of prefabricated building, the BIM technology-based top-down design process of prefabricated building was elaborated in detail. Combined with the characteristics of standardized component design and assembly of prefabricated buildings, an assembly model based on top-down design was proposed, and the structure of the model was described from the perspectives of hierarchy and specialty. To tackle the problems of standardization and consistency of data information during the transmission of professional models, the entities and property sets of assembly model were extended based on the industry foundation classes (IFC) standard, and the information collaboration using the IFC standard-based top-down design was proposed for each specialty and each stage. Finally, the application of the example verified the feasibility of the IFC-based top-down design of the extended assembly model, which can provide a useful method for collaborative design of prefabricated buildings.

building information modeling; top-down design; assembly model; industry foundation classes extension; collaborative design

TP 751.1

10.11996/JG.j.2095-302X.2021020289

A

2095-302X(2021)02-0289-10

2020-07-07；

7 July，2020；

2020-09-09

9 September，2020

教育部人文社科基金項目(20YJAZH114)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20201280)；國家自然科學(xué)基金項目(72071043)

Humanities and Social Sciences Foundation of Ministry of Education (20YJAZH114)；Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20201280)；National Natural Science Foundation of China(72071043)

朱慧嫻(1995-)，女，江蘇鹽城人，碩士研究生。主要研究方向為建筑信息模型、工程管理等。E-mail：zhuhuixian666@163.com

ZHU Hui-xian (1995–), female, master student. Her main research interests cover BIM and engineering management, etc. E-mail：zhuhuixian666@163.com

徐 照(1982–)，男，江蘇徐州人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為建筑信息模型、工程管理等。E-mail：xuzhao@seu.edu.cn

XU Zhao (1982–), male, associate professor, Ph.D. His main research interests cover BIM and engineering management, etc. E-mail：xuzhao@seu.edu.cn