王 恒

（南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

南通市北城小學(xué)北校區(qū)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段開(kāi)始于2016年7月，作為江蘇省南通市第一批進(jìn)行裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)的中小學(xué)校舍項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)合理劃分預(yù)制式及現(xiàn)澆式區(qū)域以及從設(shè)計(jì)初期把控預(yù)制裝配率，不出現(xiàn)因預(yù)制裝配率不達(dá)標(biāo)而引起設(shè)計(jì)過(guò)程反復(fù)等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)字模型軟件，探索出了解決途徑。

1 工程概況

南通市北城小學(xué)北校區(qū)項(xiàng)目位于江蘇省南通市港閘區(qū)，永達(dá)路以南、友誼路以西、緯一路以北所圍合地塊內(nèi)，地塊西側(cè)毗鄰秦灶河。建筑性質(zhì)為南通市北城小學(xué)北校區(qū)（60班小學(xué)）的教學(xué)及輔助用房等，總建筑面積32282.43㎡。其中主要包括四棟主要建筑建筑，如下所述。1）01#教學(xué)樓為地上四層外廊式教學(xué)樓，建筑面積5330.84㎡；2）02#教學(xué)樓、行政辦公樓、多功能廳包括地上四層外廊式教學(xué)樓、內(nèi)廊式辦公樓及地上二層多功能廳，建筑面積為6804.64㎡；3）03#科藝圖文綜合樓、報(bào)告廳包括地上四層科藝圖文綜合樓及地上一層報(bào)告廳，建筑面積為6869.27㎡，下部為07#地下室；4）04#學(xué)生食堂、體育館為地上三層食堂及體育館，學(xué)生食堂位于地上一二層、體育館位于地上二層，建筑面積為6291.46m2；規(guī)劃要點(diǎn)中，要求該項(xiàng)目整體預(yù)制裝配率不低于50%。

2 裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)

2.1 裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用區(qū)域

裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用的平面及體型宜簡(jiǎn)單規(guī)則。該項(xiàng)目中，教學(xué)樓的教室、行政辦公樓的辦公室等區(qū)域，較符合裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)的條件；而多功能廳、體育館等部分，則由于空間跨度較大、內(nèi)含功能較多導(dǎo)致平面及造型不規(guī)則，不宜應(yīng)用裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)，因此該工程根據(jù)各個(gè)單體實(shí)際情況進(jìn)行不同深度的裝配式設(shè)計(jì)，如下：1）該項(xiàng)目01#教學(xué)樓、02#教學(xué)樓、行政辦公樓、03#科藝圖文綜合樓，為裝配整體式預(yù)制建筑。結(jié)構(gòu)體系為裝配式整體框架結(jié)構(gòu)；內(nèi)外圍護(hù)采用裝配式NALC蒸壓加氣混凝土內(nèi)、外墻板。裝配式吊頂、地面干式鋪裝按照建筑實(shí)際使用功能按需設(shè)置。2）除上述單體外，02#多功能廳、03#報(bào)告廳、04#學(xué)生食堂、體育館，結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)；內(nèi)外圍護(hù)采用裝配式NALC蒸壓加氣混凝土內(nèi)、外墻板。裝配式吊頂、地面干式鋪裝依建筑實(shí)際使用功能按需設(shè)置。

2.2 方案階段采用Google SketchUp平臺(tái)搭建數(shù)字化模型進(jìn)行預(yù)制裝配率計(jì)算的應(yīng)用目的

相對(duì)預(yù)制裝配率的手工計(jì)算，通過(guò)Google SketchUp軟件平臺(tái)搭建數(shù)字化模型能夠根據(jù)建筑信息模型所包括的參數(shù)信息，自動(dòng)形成計(jì)算表格，最終應(yīng)用各類同平臺(tái)輔助插件以及其他軟件，由計(jì)算機(jī)得出準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)，從而在數(shù)據(jù)計(jì)算流程上避免了人工干預(yù)所造成的計(jì)算錯(cuò)誤以及統(tǒng)計(jì)疏漏。

并且，由手工方式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算人個(gè)體的不同或者同一計(jì)算人對(duì)相同項(xiàng)目進(jìn)行多次計(jì)算后，均有很大概率因各類計(jì)算或統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤從而得出不同的計(jì)算結(jié)果，但是采用自動(dòng)生成的方式進(jìn)行該數(shù)據(jù)的計(jì)算，能夠保證每次得出的數(shù)值均是準(zhǔn)確和一致的。

計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算與手工計(jì)算相比，二者在計(jì)算效率方面完全不在一個(gè)數(shù)量層級(jí)，前者能夠在數(shù)秒鐘內(nèi)得到預(yù)制裝配率計(jì)算結(jié)果，而手工計(jì)算則需要數(shù)個(gè)小時(shí)。

準(zhǔn)確的預(yù)制裝配率計(jì)算需要在建筑施工圖完成后才能開(kāi)始該部分的工作，但是此時(shí)間節(jié)點(diǎn)卻是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的后期階段，假如一旦預(yù)制裝配率不達(dá)標(biāo)，再對(duì)建筑方案進(jìn)行修改，則會(huì)遇到很大的阻力，造成時(shí)間成本和資金成本的提高，甚至導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案和施工圖推翻重做[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用Google SketchUp軟件平臺(tái)對(duì)建筑項(xiàng)目進(jìn)行控制，則在項(xiàng)目實(shí)行的早期得到預(yù)制裝配率的數(shù)值，雖然在該階段所得到的數(shù)值無(wú)法做到絕對(duì)精確，但是其準(zhǔn)確度在宏觀層面，能夠被限定在一定范圍，對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生重大影響。

因此采用該方法能夠在早期、中期和后期各個(gè)階段得到該階段所能夠得到的預(yù)制裝配率計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的推進(jìn)過(guò)程中不斷對(duì)該數(shù)值進(jìn)行微觀修正。

同時(shí)，由于能夠準(zhǔn)確、低成本、高效和全面得到預(yù)制裝配率計(jì)算數(shù)值，并且提供直觀可視的技術(shù)模型，能夠?yàn)榻ㄔO(shè)方和深化設(shè)計(jì)方提供相應(yīng)的參照，對(duì)其項(xiàng)目決策和設(shè)計(jì)決策提供有利的客觀數(shù)據(jù)支撐，大量減少溝通成本[2]。

2.3 建模計(jì)算法的技術(shù)路徑及原理

2.3.1 軟件介紹

首先Google SketchUp不是以建立建筑信息模型為開(kāi)發(fā)目的軟件，而是以提供快捷簡(jiǎn)便的空間建模方式，以求在建筑設(shè)計(jì)方案階段實(shí)現(xiàn)快速形體推敲等功能的建筑草圖軟件，其本身無(wú)法承載過(guò)多信息，但由于軟件本身操作簡(jiǎn)單，一般建筑師均能熟練掌握，其他專業(yè)在短時(shí)間培訓(xùn)后也可快速上手；并且行業(yè)的應(yīng)用度廣泛，建模成果直觀；以及其平臺(tái)接口開(kāi)放，目前有大量機(jī)構(gòu)以Google SketchUp平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用Ruby語(yǔ)言進(jìn)行各類插件的二次開(kāi)發(fā)，極大地?cái)U(kuò)充了原軟件的功能，因此在Google SketchUp平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)制裝配率計(jì)算完全具有可操性。

使用Google SketchUp建立建筑工作模型進(jìn)行預(yù)制裝配率自動(dòng)計(jì)算需要使用如下軟件：AutoCAD、Google SketchUp 2015版及以上、SketchUp Fredo6插件集、Group push/pull插件及Microsoft Excel軟件。

2.3.2 數(shù)據(jù)提取原理

按照江蘇省出臺(tái)的預(yù)制裝配率計(jì)算控制文件，預(yù)制裝配率計(jì)算分為四個(gè)部分，即Z1、Z2、Z3和αi部分。前三部分分別代表著結(jié)構(gòu)體、內(nèi)外維護(hù)體、裝修體中的預(yù)制構(gòu)件所占比重，而αi則是額外的加分權(quán)重項(xiàng)。采用構(gòu)件法進(jìn)行建模工作，能夠?qū)⑶叭糠值臄?shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別、提取和計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 預(yù)制裝配率計(jì)算分項(xiàng)示意表

2.3.3 實(shí)例演示

以02分項(xiàng)教學(xué)樓為實(shí)例，進(jìn)行分步建模，統(tǒng)計(jì)預(yù)制率。

2.3.3.1 階段1：CAD源文件梳理

結(jié)構(gòu)：現(xiàn)澆柱平面圖、現(xiàn)澆梁平面圖、現(xiàn)澆板平面圖、預(yù)制柱平面圖、預(yù)制梁平面圖、預(yù)制板平面圖及現(xiàn)澆樓梯剖面圖、預(yù)制樓梯剖面圖。

建筑：預(yù)制墻體平面圖、非預(yù)制墻體平面圖。

預(yù)制裝配率統(tǒng)計(jì)中的Z1、Z2、Z3項(xiàng)指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算實(shí)際上是一個(gè)求和累積再進(jìn)行比率計(jì)算的過(guò)程，其數(shù)學(xué)計(jì)算規(guī)則并不復(fù)雜，重點(diǎn)在于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取與統(tǒng)計(jì)。

首先，裝配式建筑本身是基于一個(gè)個(gè)構(gòu)件實(shí)體來(lái)組成整個(gè)建筑的，采用Google SketchUp遵循裝配式建筑的生成邏輯，對(duì)各類構(gòu)件進(jìn)行快速建模，得到準(zhǔn)確、直觀的工作模型；隨后，使用插件自動(dòng)對(duì)工作模型中各類構(gòu)件的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、分揀和統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而最終得到在該設(shè)計(jì)階段所能夠得到的最精確的預(yù)制裝配率計(jì)算結(jié)果。

2.3.3.2 階段2：Google SketchUp快速建模

將CAD源文件分別根據(jù)實(shí)際建造情況建立模型后進(jìn)行組合，得到地上一層建筑的基本模型，如圖1所示。

圖1 一層結(jié)構(gòu)梁板柱模型圖

2.3.3.3 階段3：基礎(chǔ)模型歸納整理

經(jīng)過(guò)上述步驟，得到基礎(chǔ)的工作模型，現(xiàn)根據(jù)預(yù)制裝配式建筑預(yù)制率統(tǒng)計(jì)所需的各單項(xiàng)數(shù)據(jù)，將基礎(chǔ)工作模型中的各分項(xiàng)群組進(jìn)行歸納、整理。

利用Google SketchUp圖層功能，對(duì)各分項(xiàng)結(jié)構(gòu)、建筑以及內(nèi)裝構(gòu)建進(jìn)行分類，在CAD源文件中即按上述分類對(duì)各圖元的圖層進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)入后自動(dòng)繼承圖層屬性，圖層設(shè)置如圖2所示。

對(duì)模型進(jìn)行圖層分類，可通過(guò)以下兩種方法：1）在CAD源文件中即按上述分類對(duì)各圖元的圖層進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)入后自動(dòng)繼承圖層屬性；2）建模完成后，在模型空間內(nèi)選擇各圖元、群組，分別給予圖層屬性。如下圖3所示。

圖3 設(shè)置各類構(gòu)件圖層

圖層設(shè)置完成后，可通過(guò)勾選“可見(jiàn)”，來(lái)開(kāi)關(guān)不同圖層，從而方便于進(jìn)行快速選擇以及核對(duì)修正等操作。

為便于工作進(jìn)行以及匯報(bào)展示，可使用“材質(zhì)”功能對(duì)各不同類型構(gòu)件賦予不同色彩，增強(qiáng)模型展示的直觀感受，材質(zhì)可自由命名，原則上應(yīng)與圖層名稱一致，如圖4所示。

圖4 設(shè)置各類構(gòu)件材質(zhì)

通過(guò)以上方法，得到較為完善的裝配式建筑模型，以北城小學(xué)02#教學(xué)樓為例，組合后的整體模型如下圖5所示。

圖5 02#教學(xué)樓數(shù)字化模型完成圖

2.3.3.4 階段4：分項(xiàng)數(shù)據(jù)提取

圖層歸類完成后，選擇需要提取數(shù)據(jù)的群組，使用Fredo6插件中的“實(shí)體體積”功能，自動(dòng)計(jì)算所選群組的體積，如圖6所示，教學(xué)樓2層預(yù)制梁共111根，體積總和為120.41立方米。

又如圖6，教學(xué)樓1層整體現(xiàn)澆板和疊合板現(xiàn)澆層的現(xiàn)澆體積總和為131.10立方米，合計(jì)164塊樓板。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)論可右鍵直接導(dǎo)出為Excel表格進(jìn)行儲(chǔ)存。

圖6 構(gòu)件數(shù)據(jù)提取圖

以上為體積數(shù)據(jù)的提取，在Z2分項(xiàng)中，提取的面積通常為投影面，而Fredo6插件中的面積一般為實(shí)體所有面的總面積之和，針對(duì)這種情況，使用“材質(zhì)”功能手動(dòng)對(duì)需要統(tǒng)計(jì)的面進(jìn)行區(qū)分，操作如下圖7所示。

圖7 通過(guò)材質(zhì)功能區(qū)分面

接上述，以一間教室的墻體面積計(jì)算為例，軟件中無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行投影面面積的計(jì)算，因此，利用材質(zhì)功能，對(duì)需要計(jì)算的面進(jìn)行區(qū)分。選擇其他顏色，命名為投影面，賦予墻體最大的計(jì)算面，再進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，得到詳細(xì)數(shù)據(jù)如下圖8所示。

圖8 統(tǒng)計(jì)墻體面積

通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)方法自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出Z1、Z2、Z3指標(biāo)所需的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，根據(jù)江蘇省裝配式建筑裝配率計(jì)算規(guī)則進(jìn)行Excel表格的填寫，即可快速、準(zhǔn)確地得到所建立模型建筑的各項(xiàng)裝配率指標(biāo)。以上基礎(chǔ)操作思路，總結(jié)如下：1）確立正確清晰的計(jì)算思路；2）扎實(shí)有序地整理好各類型構(gòu)件的CAD源文件；3）利用SketchUp Fredo6插件集、Group push/pull插件等優(yōu)秀插件，快速準(zhǔn)確建立Google SketchUp模型；4）對(duì)應(yīng)計(jì)算表格，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行歸類整理；5）使用插件依次依項(xiàng)生成數(shù)據(jù)，完成表格填寫。

由上述操作，在建筑方案階段即可對(duì)項(xiàng)目的預(yù)制裝配率進(jìn)行大致計(jì)算，保證后續(xù)的施工圖設(shè)計(jì)階段基本不會(huì)出現(xiàn)反復(fù)設(shè)計(jì)的情況。

3 裝配整體式預(yù)制建筑設(shè)計(jì)成果

經(jīng)方案階段合理劃分了裝配式設(shè)計(jì)的應(yīng)用區(qū)域以及使用數(shù)字化模型穩(wěn)固建筑形式，在后續(xù)的施工圖設(shè)計(jì)階段中，統(tǒng)計(jì)出正確的裝配率。

3.1 Z1 主體結(jié)構(gòu)和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件

南通市北城小學(xué)北校區(qū)項(xiàng)目采用裝配式整體框架結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)的單體，其主體結(jié)構(gòu)除部分單體一層柱及屋面板采用現(xiàn)澆外，其余一層樓面以上結(jié)構(gòu)部分采用預(yù)制裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體豎向構(gòu)件采用預(yù)制混凝土框架柱；水平樓面梁采用預(yù)制混凝土疊合梁；標(biāo)準(zhǔn)層樓梯采用預(yù)制混凝土梯板；樓板采用預(yù)制非預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板。

3.2 Z2 裝配式內(nèi)外圍護(hù)構(gòu)件

該工程外圍護(hù)采用外掛NALC蒸壓加氣混凝土外墻板。

3.3 Z3 內(nèi)裝建筑部品

該工程內(nèi)裝部分的裝配式設(shè)計(jì)包括裝配式吊頂、干式鋪裝樓地面以及預(yù)制欄桿。

以02#教學(xué)樓、行政辦公樓為例，所統(tǒng)計(jì)出的預(yù)制裝配率指標(biāo)如下。Z1 主體結(jié)構(gòu)和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件：20.07%。Z2 裝配式內(nèi)外圍護(hù)構(gòu)件：22.38%。Z3 內(nèi)裝建筑部品：6.46%。S 創(chuàng)新加分項(xiàng)：4%。02#教學(xué)樓、行政辦公樓預(yù)制裝配率合計(jì)：52.91%。

經(jīng)施工圖階段的計(jì)算，該項(xiàng)目的整體預(yù)制裝配率與上述結(jié)果基本吻合且不低于50%。

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑是未來(lái)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，數(shù)字化模型同樣是未來(lái)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的得力助手，該文提供的根據(jù)建筑條件靈活應(yīng)用裝配式設(shè)計(jì)以及使用數(shù)字模型從方案前期把控裝配率的實(shí)用方法，目的是希望為類似項(xiàng)目提供參考。正如該文所述，使用數(shù)字化模型應(yīng)貫徹到建筑設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，特別是方案設(shè)計(jì)前期階段，利用如Google SketchUp平臺(tái)，通過(guò)各類插件，將本不是以建筑信息模型為開(kāi)發(fā)目的方案造型設(shè)計(jì)軟件轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蓄怋IM性質(zhì)的操作工具且具有上手簡(jiǎn)單、功能全面等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)在方案初期把控預(yù)制裝配率，具有一定的積極意義。