周 明,譚偉健,陳東華,劉 晨
(廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510500)
在建筑信息模型(BIM)技術(shù)的推動(dòng)下,建筑行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)深度的技術(shù)革新。尤其是在裝配式建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域,BIM 技術(shù)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集成和可視化能力,為設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的便利。本文著重探討B(tài)IM 技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段程序開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題,以便為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供有益的參考。伴隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展,裝配式建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。預(yù)制構(gòu)件不僅具有節(jié)約材料、減少工期的優(yōu)勢(shì),而且能夠提高建筑的整體性能。然而,預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程往往對(duì)設(shè)計(jì)精度要求較高,這對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足這些需求,因此,尋求一種更為高效、精確的設(shè)計(jì)方式對(duì)于我們當(dāng)前的需求顯得尤為關(guān)鍵。
疊合板近年在裝配式建筑中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在住宅項(xiàng)目中,為了滿(mǎn)足裝配率的要求,疊合板的使用幾乎成為了一種常態(tài)。因此,疊合板的深化設(shè)計(jì)對(duì)于裝配式建筑具有重要意義。BIM 技術(shù)的出現(xiàn)為預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)提供了新的思路和方向。BIM技術(shù)能夠?qū)⒔ㄖ?、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等各個(gè)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)整合在一個(gè)平臺(tái)上,使項(xiàng)目各方可共享和使用信息。
在BIM 技術(shù)的幫助下,設(shè)計(jì)人員可以更加直觀(guān)地查看預(yù)制構(gòu)件的布局和受力情況,從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。此外,BIM 技術(shù)還能提供精確的尺寸控制和材料用量計(jì)算,大大提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。然而,目前BIM 技術(shù)在裝配式建筑上的應(yīng)用還處于初級(jí)階段,需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。本研究將針對(duì)這一現(xiàn)狀,提出一種基于BIM 技術(shù)的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)方案。該方案將包括程序的功能模塊、數(shù)據(jù)交互方式、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)等方面,以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中的效率、精度等問(wèn)題。
此外,本研究還將對(duì)BIM 技術(shù)在疊合板深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討,分析其優(yōu)勢(shì)和局限性,提出相應(yīng)的解決方案和應(yīng)用建議。本研究將為BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供新的思路和方法,采用數(shù)字技術(shù)來(lái)改善建筑行業(yè)的效率、質(zhì)量和可持續(xù)性。
BIM 技術(shù)以其可視化、數(shù)據(jù)化、協(xié)調(diào)性、模擬性和可出圖性的特點(diǎn),為建筑行業(yè)帶來(lái)了革新性的信息化工具,通過(guò)將整個(gè)建筑的數(shù)據(jù)和信息整合為模型,BIM技術(shù)在項(xiàng)目全生命周期內(nèi)發(fā)揮著重要作用[1],有助于實(shí)現(xiàn)各參與方之間的信息協(xié)同,進(jìn)而提高生產(chǎn)效率,降低成本,并有效縮短項(xiàng)目周期[2]。
通過(guò)將BIM 技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑的構(gòu)件深化階段,并利用BIM 技術(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)程序,能夠顯著提高裝配式建筑的構(gòu)件深化設(shè)計(jì)效率。本文以疊合板為研究對(duì)象,詳細(xì)研究BIM 技術(shù)在裝配式構(gòu)件深化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。結(jié)合我國(guó)裝配式建筑的規(guī)范和特點(diǎn),介紹了BIM 技術(shù)應(yīng)用于裝配式構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法以及程序各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思路?;赗evit 軟件平臺(tái),利用Revit二次開(kāi)發(fā)技術(shù)結(jié)合C#編程語(yǔ)言,詳細(xì)闡述了疊合板深化設(shè)計(jì)程序的二次開(kāi)發(fā)過(guò)程[3],包括開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需的技術(shù)和方法,以及如何將該程序應(yīng)用于公共建筑項(xiàng)目的預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)中。
本文主要探討B(tài)IM技術(shù)在疊合板深化設(shè)計(jì)階段的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。通過(guò)BIM技術(shù),將建筑信息參數(shù)化,并在構(gòu)件深化階段實(shí)現(xiàn)以下功能:①構(gòu)件拆分;②構(gòu)件模型配筋;③構(gòu)件出圖。這為疊合板深化設(shè)計(jì)提供了有力的工具和手段[4]。設(shè)計(jì)方法流程如圖1所示。
圖1 裝配式構(gòu)件設(shè)計(jì)流程Fig.1 Prefabricated Component Design Flow Chart
疊合板構(gòu)件拆分深化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,需要綜合考慮多個(gè)因素,如構(gòu)件尺寸、形狀、配筋等。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中,往往采用手工繪制或計(jì)算的方式進(jìn)行拆分設(shè)計(jì),這種方法不僅效率低下,而且出錯(cuò)率極高。因此,開(kāi)發(fā)一種高效的程序,對(duì)疊合板構(gòu)件拆分深化設(shè)計(jì)進(jìn)行管理就顯得尤為重要。
疊合板拆分的過(guò)程中,應(yīng)同時(shí)考慮構(gòu)件的運(yùn)輸和安裝問(wèn)題,確保構(gòu)件的尺寸和重量符合施工要求。針對(duì)不同部位的構(gòu)件,可以采用不同的拆分方式,如連續(xù)梁的短跨方向上的疊合板可以一次澆筑完成,而在長(zhǎng)跨方向上的疊合板則可以按照不同澆筑層進(jìn)行拆分。利用Revit 的二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的程序可以減少大量人工操作,只需要輸入拆分參數(shù)便可將全部同種類(lèi)型的構(gòu)件一次拆分完畢,大幅提升設(shè)計(jì)效率。
在完成了構(gòu)件的拆分后,針對(duì)項(xiàng)目的構(gòu)件拆分方案,將在Revit 軟件中對(duì)所需的構(gòu)件模型進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。通過(guò)Revit 軟件的參數(shù)化建模功能,可以快速調(diào)用鋼筋的規(guī)格種類(lèi)、位置以及數(shù)量等參數(shù),以確保項(xiàng)目所需構(gòu)件的準(zhǔn)確組裝。對(duì)于常用尺寸構(gòu)件可將其配筋參數(shù)保存形成構(gòu)件配筋參數(shù)信息庫(kù),供隨時(shí)調(diào)用。利用Revit 的二次開(kāi)發(fā)可簡(jiǎn)化建模過(guò)程,提高工作效率,同時(shí)也能更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際建筑方案中的鋼筋結(jié)構(gòu),對(duì)疊合板構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)的碰撞檢査可快速找出節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)題,便于修改。
在裝配式預(yù)制構(gòu)件的出圖過(guò)程中,存在大量數(shù)據(jù)需人工計(jì)算及整理,包括疊合板的尺寸、形狀、重量、體積、配筋等信息,傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)需人工繪制構(gòu)件的平立剖及大樣圖等,計(jì)算整理構(gòu)件各項(xiàng)數(shù)據(jù)以制作構(gòu)件參數(shù)表,效率低下且錯(cuò)誤較多。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,減少人工干預(yù)可能出現(xiàn)的問(wèn)題,通過(guò)Revit 二次開(kāi)發(fā)手段對(duì)構(gòu)件的參數(shù)數(shù)據(jù)加以利用,應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)整合功能對(duì)構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算,并自動(dòng)生成相應(yīng)的構(gòu)件參數(shù)表[5],這一過(guò)程有助于提升設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量(見(jiàn)圖2)。并按照預(yù)先設(shè)定的圖紙布置原則,將各視圖及構(gòu)件參數(shù)表規(guī)則排布,批量生成能滿(mǎn)足各方要求的構(gòu)件圖紙。
圖2 程序設(shè)計(jì)流程Fig.2 Programming Flow Chart
在第一節(jié)提出的疊合板構(gòu)件深化設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,本研究設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一套基于BIM 的裝配式疊合板構(gòu)件深化設(shè)計(jì)程序,本節(jié)將重點(diǎn)探討其架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能模塊的設(shè)計(jì)思路。
本程序選用Visual Studio 和.NET 框架作為開(kāi)發(fā)環(huán)境,通過(guò)應(yīng)用C#語(yǔ)言調(diào)用Revit API 內(nèi)的函數(shù)和接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)Revit 軟件功能的擴(kuò)展。程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示,整體的技術(shù)方案如表1所示。
表1 整體技術(shù)方案Tab.1 Overall Technical Solution
基于此前提出的程序開(kāi)發(fā)需求,此程序的開(kāi)發(fā)將通過(guò)IextemalApplication 和IexternalCommand 作為實(shí)現(xiàn)顯示程序的功能模塊菜單及編譯具體任務(wù)的接口,利用人工編寫(xiě)代碼程序,可以在Revit 中添加功能面板按鈕,以實(shí)現(xiàn)程序功能需求。功能界面包括構(gòu)件拆分模塊、構(gòu)件深化模塊、構(gòu)件出圖模塊。功能面板界面如圖3所示。
圖3 功能面板界面Fig.3 Function Panel Interface
2.2.1 構(gòu)件拆分模塊
本模塊設(shè)計(jì)的目的是為了簡(jiǎn)化構(gòu)件拆分的操作流程,根據(jù)需求和revitAPI,設(shè)計(jì)合理的開(kāi)發(fā)架構(gòu)。其關(guān)鍵的代碼開(kāi)發(fā)思路如下:①將構(gòu)件拆分模塊劃分為多個(gè)子模塊,每個(gè)子模塊具有獨(dú)立的功能和接口,便于維護(hù)和擴(kuò)展;②設(shè)計(jì)合理的拆分算法,用于將樓板構(gòu)件拆分成單個(gè)疊合板,算法基于板的各種要素,如板的厚度、長(zhǎng)度、寬度,以及自定義的拆分方式(如輸入詳細(xì)數(shù)據(jù)拆分等);③設(shè)計(jì)合理數(shù)據(jù)庫(kù)交互,Revit模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,需要編寫(xiě)代碼來(lái)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互,以讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù);④對(duì)于拆分過(guò)程中的大量計(jì)算或耗時(shí)操作,可以使用異步處理方式,提高插件的性能和響應(yīng)速度;⑤設(shè)計(jì)合理的異常處理機(jī)制,對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行捕獲和處理。構(gòu)件拆分模塊功能界面如圖4所示。
圖4 構(gòu)件拆分模塊功能界面Fig.4 Component Split Module Function Interface
2.2.2 構(gòu)件配筋模塊
本模塊包括分布鋼筋及桁架鋼筋的布置,根據(jù)需求和RevitAPI,設(shè)計(jì)合理的開(kāi)發(fā)架構(gòu),包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、界面展示等方面。構(gòu)件配筋的設(shè)計(jì)思路是:①建立一個(gè)配筋庫(kù),包含不同類(lèi)型和規(guī)格的鋼筋元素;②設(shè)計(jì)合理的配筋算法,用于將鋼筋元素分配到疊合板構(gòu)件中,算法基于疊合板中預(yù)制層鋼筋布置要求,如鋼筋的類(lèi)型、直徑、間距,以及設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求、保護(hù)層厚度等;③設(shè)計(jì)合理的交互方式,如對(duì)話(huà)框、菜單、快捷鍵等,方便用戶(hù)使用和操作,根據(jù)裝配式構(gòu)件的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)鋼筋的拆分和布局功能,以便于用戶(hù)手動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化配筋方案;④對(duì)編寫(xiě)的代碼進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試,確保功能正確性和穩(wěn)定性??梢允褂媚M數(shù)據(jù)和測(cè)試工具來(lái)驗(yàn)證代碼的正確性和性能;⑤將開(kāi)發(fā)好的功能集成到Revit 軟件中,并進(jìn)行部署和發(fā)布。在集成過(guò)程中,需要注意與Revit 軟件的兼容性和穩(wěn)定性,確保不會(huì)對(duì)現(xiàn)有功能產(chǎn)生影響。同時(shí),需要考慮數(shù)據(jù)安全和版本控制等方面的問(wèn)題。構(gòu)件配筋模塊功能界面如圖5所示。
圖5 構(gòu)件配筋模塊功能界面Fig.5 Component Reinforcement Module Function Interface
2.2.3 構(gòu)件出圖模塊
該模塊設(shè)計(jì)目的是簡(jiǎn)化出圖流程,提高構(gòu)件出圖的效率。該模塊包括構(gòu)件視圖布置和構(gòu)件參數(shù)表生成。構(gòu)件配筋的設(shè)計(jì)思路是:①出圖數(shù)據(jù)庫(kù):我們需要編寫(xiě)代碼來(lái)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互,以讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。其中包括構(gòu)件型號(hào)、重量、規(guī)格以及相應(yīng)的鋼筋及混凝土信息;②圖紙標(biāo)注與注釋?zhuān)焊鶕?jù)功能需求,模塊中加入圖紙標(biāo)注與注釋的功能,例如自動(dòng)添加標(biāo)高、尺寸標(biāo)注、材料注釋等;③設(shè)計(jì)合理的交互方式,如對(duì)話(huà)框、菜單、快捷鍵等,使用戶(hù)能夠選擇要出圖的疊合板構(gòu)件,并定義出圖的規(guī)則和參數(shù)。這個(gè)界面將提供一種直觀(guān)的方式來(lái)調(diào)整出圖布局。使用Revit API 提供的部品創(chuàng)建工具和API 函數(shù),結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的屬性信息和位置信息,生成所需的構(gòu)件視圖及構(gòu)件參數(shù)表,進(jìn)行視圖的布置和優(yōu)化。構(gòu)件出圖模塊功能界面如圖6所示。
圖6 構(gòu)件出圖模塊功能界面Fig.6 Component out of the Drawing Module Function Interface
清遠(yuǎn)某學(xué)校學(xué)生宿舍工程項(xiàng)目,總建筑面積為26 270.35 m2,共10層。整體拆分模型如圖7所示。此項(xiàng)目應(yīng)用了本文開(kāi)發(fā)的基于Revit 的二次開(kāi)發(fā)插件程序。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)為疊合板和現(xiàn)澆梁柱的混合結(jié)構(gòu)體系,其中樓板使用工廠(chǎng)預(yù)制疊合板,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝,梁柱則全部采用現(xiàn)澆混凝土。使用Revit 軟件進(jìn)行施工圖模型的搭建,并使用本文開(kāi)發(fā)的深化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行疊合板的深化設(shè)計(jì)出圖[6],疊合板深化設(shè)計(jì)模型如圖8所示。
圖7 整體拆分模型示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Overall Split Model
圖8 疊合板深化設(shè)計(jì)模型Fig.8 Composite Slab Deepening Design Model
依照板的拆分原則,疊合板構(gòu)件拆分時(shí)應(yīng)優(yōu)化疊合板的設(shè)計(jì)尺寸,盡可能減少種類(lèi),以解決模具利用率低、運(yùn)輸不便和施工困難等問(wèn)題。根據(jù)圖紙考慮板的單向性或雙向性。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015 年版):GB 50010—2010》中的規(guī)定,當(dāng)長(zhǎng)邊/短邊>3時(shí),宜設(shè)為單向板;當(dāng)長(zhǎng)邊/短邊≤3時(shí),宜設(shè)為雙向板[7]。板之間的拼縫方式采用后澆帶的形式。該項(xiàng)目以屋面層疊合板布置為例,進(jìn)行拆分選擇,相同尺寸板塊設(shè)置同一編號(hào),拆分的板設(shè)置在剪力墻、框架梁等位置,根據(jù)《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJT 15-163—2019》[8]中的規(guī)定,后澆帶寬度選取400 mm。拆分疊合板時(shí)還需要考慮運(yùn)載設(shè)備的運(yùn)輸尺寸和重量,其長(zhǎng)度在4 m內(nèi)、寬度在2 m內(nèi)、重量在2 t內(nèi)。疊合板拆分后如圖8所示。
在對(duì)疊合板進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí),桁架規(guī)格采用B80,上弦鋼筋直徑為10 mm,下弦鋼筋直徑為8 mm,腹桿鋼筋直徑6 mm[9]。以預(yù)制板尺寸3 400 mm×1 400 mm為例,根據(jù)圖紙要求,用BIM 技術(shù)直觀(guān)展示鋼筋排布方式,分別對(duì)板的底筋間距及伸出板邊距離、桁架筋間距、鋼筋的彎鉤形式等進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。疊合板三維布置如圖8所示。
通過(guò)在裝配式建筑疊合板中應(yīng)用BIM 技術(shù),對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì),包括對(duì)疊合板拆分布置、配筋深化、自動(dòng)輸出構(gòu)件詳圖等深化設(shè)計(jì),使原有設(shè)計(jì)方案得到合理的優(yōu)化,從而使疊合板更符合工廠(chǎng)及施工現(xiàn)場(chǎng)的需求。將BIM 技術(shù)與裝配式疊合板深化設(shè)計(jì)相結(jié)合,提前發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題,避免構(gòu)件設(shè)計(jì)誤差帶來(lái)的額外成本[10]。模型輸出的構(gòu)件詳圖如圖9所示。
圖9 模型輸出構(gòu)件詳圖Fig.9 Model Output Details of Components (mm)
在設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員借助開(kāi)發(fā)的深化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行構(gòu)件深化設(shè)計(jì)操作,該平臺(tái)的使用使得設(shè)計(jì)人員能夠更高效地處理復(fù)雜的構(gòu)件細(xì)節(jié),通過(guò)自動(dòng)化和智能化的工具,他們能夠更快地完成設(shè)計(jì)任務(wù),減少了重復(fù)性和繁瑣的工作。此外,該平臺(tái)還提供了豐富的數(shù)據(jù)分析和可視化工具,使設(shè)計(jì)人員能夠更好地理解設(shè)計(jì)結(jié)果,從而做出更明智的決策[11]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),與傳統(tǒng)裝配式建筑設(shè)計(jì)相比,運(yùn)用此深化設(shè)計(jì)程序在深化設(shè)計(jì)階段提升了約20%的設(shè)計(jì)效率。
該深化設(shè)計(jì)方法引入了BIM 技術(shù),對(duì)裝配式疊合板構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的分析。通過(guò)快速拆分疊合板,實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件模型配筋設(shè)計(jì)的自動(dòng)化,并且可以根據(jù)實(shí)際模型和國(guó)家相關(guān)規(guī)范自動(dòng)生成疊合板構(gòu)件詳圖。這種設(shè)計(jì)方法不僅能夠提高設(shè)計(jì)效率,還能有效保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程的信息共享和管理[12]。同時(shí),通過(guò)開(kāi)發(fā)配套的深化設(shè)計(jì)程序,對(duì)這一方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和推廣。該程序包括了3 個(gè)模塊,可以實(shí)現(xiàn)模型的可視化、參數(shù)化的深化設(shè)計(jì)和出圖的便捷性等功能。這一程序的實(shí)現(xiàn),不僅提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,也使得裝配式建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程更加智能化和信息化。
在實(shí)際項(xiàng)目中,成功應(yīng)用了這一基于BIM 的裝配式深化設(shè)計(jì)方法和程序。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)這種方法和程序能夠顯著提高設(shè)計(jì)的效率,實(shí)現(xiàn)各階段的信息共享,同時(shí)也為裝配式建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了新的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)參考。
本文研究的裝配式建筑對(duì)象為裝配式混凝土建筑,研究的重點(diǎn)為疊合板的深化設(shè)計(jì),具有一定的局限性,諸如預(yù)制柱、預(yù)制剪力墻等其他構(gòu)件,異型的疊合板構(gòu)件,不同構(gòu)件間的連接節(jié)點(diǎn),以及其他體系的裝配式建筑等方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題,本文并沒(méi)有提供很好的解決方法,下一步應(yīng)針對(duì)以上問(wèn)題,進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。