BIM技术参数化模块在装配式建筑施工中的应用研究

刘三玲，叶家成

（广州市住宅建设发展有限公司 广州510075）

0 引言

我国有关预制装配式的研究取得了一些发展和成果，但是由于此类建筑户型简单，造价高等问题导致其难以大面积推广，要想解决上述问题，就需要借助新的技术手段，来快速实现尽量多规格的装配式预制构件。基于BIM 技术的模块化设计利用BIM的可视化和协调性等特点［1］，通过对模块的选择与组合，快速设计出具有不同系列、不同性能、不同用途的各种建筑类型，以满足客户的不同需求。

在模块化设计的基础上加入参数化功能，可实现建筑构件尺寸、数量随关联参数的变化而同步变化，从而使得预制构件的种类及规格可随需求进行灵活变化。徐卫国［2］对参数化概念做过如下定义：“参数化就是把影响建筑设计的主要因素看做参数，将这些参数通过特定的关系组织到一起，借助于计算机编程和软件进行描述，通过计算机技术把变量数据信息转化成参数模型。”

目前，参数化模块在设计阶段的作用已经发挥得比较明显，如许蓁等人［3］针对BIM 参数化模块设计在优化建筑形态、空间，以及模型数据等方面的应用进行了详细的介绍。在施工阶段，也有学者做了相关研究，例如洪伟鲜［4］介绍了叠合板等水平预制构件在设计与施工中的注意事项；马跃强等人［5］介绍了预制外墙等竖向构件在施工中的吊装与施工模拟；对于斜向构件如预制楼梯等的设计与施工相关资料均较少，本文研究斜向构件的参数化建模及施工中的轻量化应用，填补了这一方面的空缺，具有较强的现实意义。

1 预制构件分类

预制构件分类如表1 所示。

2 预制构件基于BIM的参数化模块设计

2.1 BIM 参数化模块设计

模块化设计是指对一定范围内不同功能、或相同功能但性能不同的产品进行功能分析，划分并设计出一系列功能模块，形成模块库，后期即可通过模块的选择与组合来构成不同的产品［6］。但模块化设计产生的标准化产品相对单一，难以满足市场的不同需求，引入参数化的概念可以解决标准化单一产品与个性化定制的矛盾，通过对参数进行修改就可以生成不同的建筑形体，应用方便，是个性化产品实现的最佳途径。

表1 预制构件分类［7］Tab.1 Classification of Prefabricated Components

2.2 参数化创建BIM 预制构件族库

2.2.1 构件族创建

利用BIM 软件进行预制构件族库的创建，所建族都是含有参数化特征的，即同类构件仅需创建一个族，该类构件其他规格只需修改参数即可自动生成，极大地提高建模效率。需要说明的是，钢筋族的参数化设置是一大难点，目前对钢筋尤其是斜向筋的族创建尚未有相关资料表述，故本节以预制楼梯参数化族的创建为例进行讲解。

⑴各钢筋族之间选用同一个整体参考系

首先基于整体混凝土梯段建立一个“整体参考系”，各钢筋嵌套族都是在该整体参考系的基础上经过换算来建立，其目的是使各嵌套族载入到混凝土梯段族之后更好协调。图1、图2 为钢筋混凝土梯段整体参考系相关参数设置：

图1 混凝土梯段整体参考系Fig.1 Integral Reference System for Concrete Stairs

⑵各钢筋嵌套族之间的协调定位

以纵筋和箍筋间的协调定位为例，在混凝土梯段整体参考系的基础上，将纵向钢筋的中心线位置定义为“第二层参考系”，将保护层厚度作为纵向钢筋的定位参数；将纵筋与箍筋中心距作为箍筋的定位参数。各参数之间的关系及示意图如图3～图5 所示。

图2 整体参考系中参数设定Fig.2 Parameter of Global Reference System

图3 箍筋嵌套族中第二层参考系Fig.3 Second Layer Reference System in Stirrup Nested Family

图4 箍筋嵌套族中偏移值的设定Fig.4 Offset Values in Stirrup Nesting Family

纵筋与箍筋中心距=（纵筋直径+箍筋直径）/2

⑶立面旋转族创建（极坐标表达方式）

在Revit 中，基于“公制常规模型”创建的族，在载入整体族后，无法实现立面的角度旋转。本文提出了一种可以表达出“可参数化设置立面旋转角度”的基于“公制常规模型”创建的嵌套族的做法。下面以梯板分部筋为例进行阐述。

①通过“基于面的公制常规模型”创建钢筋嵌套族，并按照钢筋形状的需要进行形状参数的设置，形成最原始的“钢筋嵌套族①”（见图6）。

图5 纵筋嵌套族在“混凝土梯段族”中的定位Fig.5 Location of Longitudinal Reinforcement Nested Family in“Concrete Stair Family”

图6 钢筋嵌套族①Fig.6 Reinforcement Nested Family ①

②通过“公制常规模型”创建可立面旋转的“钢筋嵌套族②”（见图7）。

步骤一，按照“整体参考系”的创建原则，使得“整体混凝土梯段族”与“钢筋嵌套族②”共用同一个整体参考系（见图8）。

步骤二，在正立面视图中，创建一个垂直于正立面视图的旋转参照面，“旋转参照面”与“标高参照面”之间形成极角θ，交点为“原点0”。

步骤三，在正立面视图中，作一参照线垂直于“旋转参照面”，并进行90°角约束，以及进行过“原点0”的约束，命名为“原点参照线”。

步骤四，“钢筋嵌套族①”以“旋转参照面”为工作平面，载入至“钢筋嵌套族②”中。并且赋予“钢筋嵌套族①”中某一平行于“原点参照线”的参照面与“原点参照线”的间距为极径ρ。

通过步骤二～步骤四，可在公制常规模型“钢筋嵌套族②”中建立控制“钢筋嵌套族①”立面旋转角度和“原点O”间距的极坐标系（ρ，θ），实现“钢筋嵌套族①”在“钢筋嵌套族②”中参数化控制其立面旋转角度以及离“原点0”的定位间距。

步骤五，根据“钢筋嵌套族②”表达需要，赋予θ值为“整体参考系”中的“立面旋转角”，赋予ρ为某一距离值，实现“钢筋嵌套族①”在“整体参考系”中的定位约束。

经过以上创建流程，最终得到楼梯钢筋混凝土楼梯族如图9 所示。

图9 参数化预制楼梯Fig.9 Parametric Prefabricated Stairs

2.2.2 构件工程量统计

如前所述，预制构件都是通过建族来实现，而Revit 族涉及到工程量统计时有一个问题，即整体族不能读取各嵌套族的参数信息，所以如果工程参数是在各嵌套族中设置的，则最终形成的整体族将无法读取工程量，只能显示各嵌套族的个数。

若要解决工程量提取的问题，建议所有需要提取工程量的参数关系都在整体族中设定，然后各嵌套族与整体族相关参数直接关联即可。这样做唯一的缺点是在整体族中集合了许许多多嵌套族的参数，设置时会比较复杂，但是只要遵循本文2.2 节所述选用同一个整体参考系的思路，相比于参数在各嵌套族直接设置多一道换算步骤即可解决，并不难处理。

2.3 正向创建BIM模型

按照上述方法，依次创建其他预制构件参数化族，包括预制外墙、预制阳台、预制楼板、预制梁柱等，每个构件都有ID 编码，便于后续的生产运输和吊装［8］。后期BIM模型创建时只需在预制构件族库中选择合适的构件进行组合即可。为保证结构模型符合受力要求，设计师可将形成的模型导入计算分析软件进行结构受力分析，如果受力不满足要求，则将模型再导回BIM 建模软件进行调整，依次类推直至模型受力符合要求为止。

基于BIM的参数化模块设计，实现了与建筑产业化建造方式相适应的“搭积木”式设计方式，形成的模型可直接用于预制构件厂的加工和生产，省去拆分设计和深化设计的环节，极大地提升了设计效率。通过该方法生成的预制构件三维模型，方便生产和施工人员对设计图纸的读图，确保信息在设计与生产、施工之间的完整传递；可进行各专业构件之间的设计协调，完成构件之间的精确连接，大幅度减少工程项目建设中的设计变更；还可以使技术人员按照施工组织计划进行施工模拟，完善施工组织计划方案。

3 BIM模型在施工中的应用研究

BIM 参数化模块由于信息量庞大，生成的BIM模型重量大，对电脑配置要求特别高，不利于网络数据传输和在网页端的模型渲染展示，更无法直接使用手机、平板电脑等便携终端浏览原始的完整信息化模型，影响使用。因此，在施工应用时，必须对其进行轻量化处理［9］。

3.1 实现原理

一般来说，模型中的信息包含几何信息和非几何信息［10］。通过采用BIMFACE 轻量化引擎技术首先将两者进行数模分离，使得在网页端展示的轻量化模型，仅包含各构件的ID 信息和经处理过的三维几何形状信息，当需要读取构件的非几何信息时，再通过构建ID 读取储存于后台或云端的非几何信息，从而实现模型的“第一层轻量化”。

其次是对构件三维几何信息从“几何转换”与“图形渲染”方面进行轻量化处理。在“几何转换”方面，可通过改变图形参数化的表达形式，如管线等构件可通过一个截面和路线表达，又如存在多个同类型构件时，只需保留其中一个构件的数据，其他构件只需记录其“空间坐标”即可；在“图形渲染方面”，可通过对构件精细度（Levels of Detail）控制来加快单图元的渲染速度：即根据距离的远近来加载模型的粗细程度，从而在不影响视觉效果的前提下提高显示效率并降低存储，控制体量。

3.2 轻量化应用

BIM 技术在建设工程中的应用应当以轻量化为原则，避免大而全的重量级应用，以免出现发展BIM积极性受挫，硬件设备及人力资源等成本投入过大的情况，下面以复杂节点为例进行轻量化应用的阐述。

3.2.1 复杂节点模型轻量化处理

首先对节点模型进行碰撞检查、空间排布调整等基本操作，形成优化后的节点模型，随后按照3.1 的方法对优化后的复杂节点BIM模型进行轻量化处理，使其实现能够在手机和IPAD 等移动端进行轻量化浏览。

3.2.2 复杂节点模架的可靠性复核

通过IFC 格式把复杂节点模型导入到专业三维模架软件中，生成模架信息模型，然后进行复杂节点模架的可靠性复核验算，形成计算书，确保复杂构造节点的钢筋施工和混凝土浇筑质量。

3.2.3 复杂节点施工工序三维动画交底

对于复杂的施工节点及工序，无法顺利完成二维图纸的交底，通过对轻量化后的节点和模架制作施工工序的三维动画视频，轻松实现在手机和IPAD 移动端对工人的可视化交底，同时还可生成下料清单，有效解决传统施工手段对施工人员经验的高度依赖，替代了传统手工下料、纸质交底的做法，提高了现场施工质量，全新升级技术和管理手段。

4 结论

⑴提出各嵌套族基于依附的混凝土模型创建共用的“整体参考系”，解决了各嵌套族与整体族之间的协调定位关系。

⑵提出基于“整体参考系”创建各嵌套族的“第二层参考系”，简化了各嵌套族之间的相互协调关系。

⑶提出了一种可以表达出“可参数化设置立面旋转角度”的基于“公制常规模型”创建嵌套族的做法，解决了在整体族中实现各嵌套族立面旋转角度可调的效果。

⑷提出所有的参数关系都在整体族中设定，各嵌套族与整体族相关参数直接关联的方法，解决了各构件工程量统计问题。

⑸通过引入BIM 轻量化技术，对复杂节点进行轻量化处理，用于施工中便携设备的电子化交底，全新升级技术和管理手段。