基于BIM的裝配整體式混凝土梁的拆分研究

馮 青1 陸小龍2 汪德江1 李 珂1

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海 200072;2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,上海 200122)

【摘 要】針對(duì)裝配整體式建筑深化設(shè)計(jì)工作量較大的問題，本文采用BIM二次開發(fā)技術(shù)，提出了基于BIM技術(shù)梁的拆分系統(tǒng)的架構(gòu)，通過讀取裝配整體式混凝土建筑的BIM模型，依據(jù)梁柱的各種交匯情況，分別建立與選擇與結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)族，從而獲得預(yù)制梁的長(zhǎng)度、規(guī)格與節(jié)點(diǎn)的型式與尺寸，實(shí)現(xiàn)了裝配整體式建筑中混凝土梁的自動(dòng)拆分功能。

【關(guān)鍵詞】建筑信息模型； 裝配式建筑； 構(gòu)件拆分

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.15

引言

裝配整體式混凝土建筑為解決當(dāng)前人工成本過高以及建筑施工造成的污染問題，提供了一種可行的解決方法。裝配整體式混凝土建筑與現(xiàn)澆建筑相比，具有以下特點(diǎn)：施工進(jìn)度快，施工現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力減少，現(xiàn)場(chǎng)用料少，濕作業(yè)少，有利于環(huán)境保護(hù)，模板工程用量大幅度減少，外飾面與外墻板可同時(shí)在工廠完成，現(xiàn)場(chǎng)可以一步達(dá)到粗裝修水平，節(jié)省水電消耗從而達(dá)到節(jié)能減排的效果[1]。

在我國(guó)上世紀(jì)80 年代，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)因施工速度快，得到廣泛應(yīng)用。但20世紀(jì)90 年代以后，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平限制，預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，存在著抗震性能弱以及因加工精度低而造成的建筑質(zhì)量差等問題。隨著商品混凝土技術(shù)的廣泛應(yīng)用，預(yù)制結(jié)構(gòu)逐漸退出市場(chǎng)[2]。

隨著社會(huì)發(fā)展的需要與技術(shù)的創(chuàng)新，預(yù)制混凝土加工精度與質(zhì)量得到提高，裝配整體式結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)已解決以往預(yù)制結(jié)構(gòu)所存在的問題。采用裝配整體式結(jié)構(gòu)的條件、技術(shù)均已成熟，而且裝配整體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也切合當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展需要，因此裝配整體式結(jié)構(gòu)當(dāng)前得到各級(jí)政府的大力推廣。

裝配整體式建筑與現(xiàn)澆式建筑不同。

在施工圖完成后，需要對(duì)施工圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，即對(duì)其中的預(yù)制柱、梁、樓板、墻板等進(jìn)行拆分，拆分完成后，才能進(jìn)行工廠的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)。但由于建筑體型復(fù)雜，構(gòu)件的長(zhǎng)度、型號(hào)種類較多，如果依靠手工劃分，則其工作量是非常大的。

使用計(jì)算機(jī)來完成預(yù)制構(gòu)件的自動(dòng)劃分，無疑將解決該問題。但是，計(jì)算機(jī)劃分預(yù)制構(gòu)件，必須將該建筑的三維信息、構(gòu)件特性等完整輸入計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)僅僅是圖形，無法得到完整的構(gòu)件信息。而BIM技術(shù)的最大特征，就是建筑信息的三維數(shù)字化，為計(jì)算機(jī)處理建筑模型提供了數(shù)字化的基礎(chǔ)，這就為計(jì)算機(jī)對(duì)預(yù)制建筑構(gòu)件的劃分提供了可能。

Rafael Sacks于2005年，提出了三維模型應(yīng)用與PC建筑的模式，指出三維模型應(yīng)用于預(yù)制裝配式建筑，相比于現(xiàn)澆建筑，由于預(yù)制構(gòu)件的特殊性，易于使用BIM進(jìn)行管理，且BIM模型更易用于預(yù)制裝配式建筑中[3]。李浩等于2011年針對(duì)預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)中綜合管線排布問題，提出了比較合理的疊合板的拆分原則[4]。張德海等于2014年提出了適用于裝配式建筑的基于BIM的模塊化設(shè)計(jì)方法，以期將原施工圖設(shè)計(jì)與拆分深化設(shè)計(jì)進(jìn)行合并，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程[5]。

2 拆分系統(tǒng)的架構(gòu)

采用BIM二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁的拆分，首先需建立裝配整體式該建筑的BIM模型，然后采用二次開發(fā)技術(shù)讀取BIM模型中的數(shù)據(jù)。同時(shí)依據(jù)預(yù)先建立的各種梁柱節(jié)點(diǎn)的BIM模型族，依據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接情況，選擇不同的節(jié)點(diǎn)族。在BIM模型中獲得梁的種類與坐標(biāo)，在節(jié)點(diǎn)族依據(jù)節(jié)點(diǎn)狀況設(shè)定族參數(shù)，即可進(jìn)行預(yù)制梁的拆分，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 基于BIM的預(yù)制梁的拆分系統(tǒng)的架構(gòu)

3 梁的建模與信息的讀取

實(shí)現(xiàn)梁的自動(dòng)拆分，首先需要保證梁的BIM模型符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，方可使用BIM二次開發(fā)技術(shù)，讀取梁的信息，包含位置、尺寸、混凝土編號(hào)、鋼筋種類與數(shù)量等。

(1)BIM中模型的建模標(biāo)準(zhǔn)

要實(shí)現(xiàn)BIM信息的讀取，則必須保證模型有足夠的精度，且梁的模型均需符合統(tǒng)一的命名標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。BIM的模型精細(xì)程度有LOD 100、200、300、400、500五個(gè)等級(jí)，用于預(yù)制梁的構(gòu)件劃分的BIM模型應(yīng)達(dá)到LOD 300層次，即達(dá)到傳統(tǒng)的施工圖程度。對(duì)于構(gòu)件的命名應(yīng)具有統(tǒng)一的命名標(biāo)準(zhǔn)，且命名標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合工程習(xí)慣。不同人員的BIM建模，其所采用的Revit族可能是不同的，易于造成混淆。因此，必須對(duì)BIM的精細(xì)程度與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)定。只有BIM模型符合制定的標(biāo)準(zhǔn)，方可實(shí)現(xiàn)后續(xù)的預(yù)制梁的自動(dòng)劃分功能。

(2)BIM中梁的信息讀取

本文的BIM建模采用Autodesk Revit 2014軟件，在該軟件中，實(shí)現(xiàn)了混凝土梁的參數(shù)化。同時(shí)，該軟件還提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，即Revit API。使用Revit API作為接口模塊，編程軟件使用Visual Studio 2010，編程語(yǔ)言采用C#，可以實(shí)現(xiàn)深化設(shè)計(jì)所需的各種參數(shù)的讀取。

在梁的Revit API中，主要的參數(shù)為梁的型號(hào)、尺寸、位置等信息。其中，梁的型號(hào)可由梁模型中的族類型(FamilySymbol)中讀取，而梁的標(biāo)高則可以由參數(shù)Host讀取，見圖2。

圖2 Revit中梁的內(nèi)部參數(shù)

梁的位置與長(zhǎng)度信息，在Revit API中是由一根基準(zhǔn)線(Line)定義的。因此，可以通過讀取該線的起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)，即讀取Start Point和End Point的三維坐標(biāo)點(diǎn)獲得，見圖3。在Revit API中，其程序內(nèi)部單位是英制單位，而國(guó)內(nèi)的單位均為公制單位，因此需要在本部分識(shí)別程序中，將BIM模型的所有英制轉(zhuǎn)換為公制單位。

圖3 梁的基線的起始與終點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)

4 梁拆分的實(shí)現(xiàn)方法

因建筑形態(tài)復(fù)雜，所以裝配整體式梁的連接節(jié)點(diǎn)種類較多。為解決該問題，可將當(dāng)前常用的連接方式在Revit中定義為族，并對(duì)該族實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。在拆分時(shí)，通過選擇不同的族，實(shí)現(xiàn)不同的梁的連接節(jié)點(diǎn)。裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的BIM模型示例見圖4。

圖4 裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)BIM模型

每種節(jié)點(diǎn)族可定義與梁的拆分相關(guān)的參數(shù)，表征該節(jié)點(diǎn)在梁的方向上距離軸線的長(zhǎng)度。然后編程讀取梁的三維坐標(biāo)，計(jì)算梁的長(zhǎng)度。則可依據(jù)各種節(jié)點(diǎn)族的特點(diǎn)，獲得該族的節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度，則總的梁的長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)族長(zhǎng)度相減，即為預(yù)制梁的長(zhǎng)度。同時(shí)，鋼筋也可依據(jù)節(jié)點(diǎn)族的型式，獲得節(jié)點(diǎn)處與梁相關(guān)的鋼筋長(zhǎng)度，并依據(jù)梁鋼筋的搭接型式，計(jì)算梁內(nèi)的鋼筋長(zhǎng)度。

在該部分編程中，首先需考慮梁的方向性問題，即梁可能沿X軸方向，也可能沿Y軸方向，也可能為斜向布置的。因此程序需依據(jù)梁的三維坐標(biāo)，判斷梁的方向，從而選擇不同的節(jié)點(diǎn)族。對(duì)于斜向布置的梁，則需在在節(jié)點(diǎn)族中添加角度參數(shù)，依據(jù)梁的角度定義該節(jié)點(diǎn)族的角度參數(shù)的值。

其次，因梁柱節(jié)點(diǎn)處可能有多根梁交匯，可以依據(jù)梁的交匯情況定義不同的節(jié)點(diǎn)族，并在各個(gè)族

中，使用族參數(shù)演化生成符合不同交匯形式的族類型，從而減少族類型的類別，并降低編程的復(fù)雜性。

在單根梁劃分完成后，考慮相鄰梁的劃分方向、同一節(jié)點(diǎn)構(gòu)件劃分的相互關(guān)系，處理該層所有梁的協(xié)調(diào)關(guān)系，完成整層的梁劃分。最終逐層進(jìn)行劃分，完成整個(gè)建筑的梁的劃分。

5 結(jié)論

本文提出了通過讀取建筑的BIM模型信息，進(jìn)行裝配整體式混凝土梁自動(dòng)拆分的方法。通過讀取BIM模型中的梁的類別、位置、三維坐標(biāo)等信息，自動(dòng)選擇不同種類的梁柱節(jié)點(diǎn)的BIM模型族，實(shí)現(xiàn)了裝配整體式混凝土梁的自動(dòng)拆分功能，為裝配整體式建筑的深化設(shè)計(jì)提供了可行的快速實(shí)現(xiàn)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王長(zhǎng)虹，楊興富.節(jié)能-結(jié)構(gòu)一體化產(chǎn)業(yè)化住宅研究[J]，施工技術(shù)， 2011, 345(40): 52-55.

[2]栗新. 工業(yè)化預(yù)制裝配式(PC)住宅建筑的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[J].建筑施工， 2008, 30(3): 201-202.

[3]R.Sacks，C.M.Eastman.A Target Benchmark of the Impact of Three-Dimensional Parametric Modeling in Precast Construction[J].PCI journal：Prestressed Concrete Institute Journal[J].2005(4)： 126-139.

[4]李浩， 李永敢.工業(yè)化住宅預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)分析[J].施工技術(shù).2011(10)： 111-114.

[5]張德海， 陳娜，韓進(jìn)宇.基于BIM的模塊化設(shè)計(jì)方法在裝配式建筑中的應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)， 2014(6)： 81-85.

Study on the Split of the Assembly Integral Concrete Beam based on BIM

Feng Qing1, Lu Xiaolong2, Wang Dejiang1, Li Ke1

(1.The Civil Engineering Department of Shanghai University, Shanghai 200072， China；2. Economic and Technical Research Institute of the State network Shanghai Electric Power Company,Shanghai 200122, China)

Abstract：Aiming at the problem of increasing workload of the assembly integral construction design, this paper adopts BIM two development technology and puts forward the structure of the split system based on BIM technology. Through the BIM model of prefabricated concrete buildings, respectively establish corresponding node group selection and structure, according to the beam column intersection, in order to obtain the type and size of length, node specifications and precast beam． Finally, the automatic split function of the concrete beam in the whole building is realized.

Key Words：Building Information Model; Assembly Building; Structural Member Split

【作者簡(jiǎn)介】馮青(1982- )，女，碩士研究生。主要研究方向：BIM。

【中圖分類號(hào)】TU17

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1674-7461(2016)05-0083-03