基于BIM的装配式建筑斜支撑可装配性设计

2021-05-11龚培镇

土木工程与管理学报 2021年2期

陆莹，龚培镇

(东南大学土木工程学院，江苏南京 211189)

装配式建筑是采用规模化生产方式生产构件，并通过现场组装形成的建筑，具有建造速度快、人力成本低、现场湿作业少、节能环保等优点[1～3]。根据相关测算，与传统建造方式相比，装配式建筑可以减少60%的建筑施工用水、80%的垃圾排放、55%的水泥砂浆、18%的施工用电、52%的保温材料、80%的木材，具有显著的社会、经济和环境效益[4]。然而，由于建造方式的不同，装配式建筑施工过程中大型预制构件数量多、预制构件吊装及现场装配任务大。

斜支撑工程是预制构件现场装配中的重要环节。在传统斜支撑的设计中，主要由工人在施工现场依据二维图纸手工布设，施工前无可视化模型作为参照，施工较为粗糙。当房间进深过小、相邻预制墙板距离太近时，斜支撑极易发生碰撞冲突，导致预制墙板和楼板的预埋件位置出现偏差，不利于现场施工，影响工程进度。

BIM(Building Information Modeling)作为一种可视化建模工具，可以提供规划、设计、施工、运营阶段所需的信息，其特点及应用流程与装配式建筑的标准化施工高度契合，能够有效解决装配式建筑设计与施工阶段的割裂问题，真正实现可装配性设计。张婷[5]在分析BIM技术下装配式剪力墙结构施工流程的基础上，对墙板斜支撑族与节点模板族进行施工仿真模拟，但对具体的斜支撑结构形式研究不够透彻。孙少辉等[6]利用BIM开发出简易斜支撑模型，并对预制墙板斜支撑及复杂节点进行碰撞检查。李皓燃[7]在识别装配式建筑安全风险的基础上，利用Revit二次开发技术在BIM平台中开发了自动布设斜支撑的工具箱插件，但该插件并没有考虑斜支撑的布设进度。不难发现，现有研究局限于在BIM中对斜支撑进行简单建模与空间上的碰撞检查，然而斜支撑作为一种临时性的施工措施，还需要考虑施工流程上是否存在时空冲突问题，即在同一作业时间，不同斜支撑的安装出现空间冲突。因此，本文基于可装配性设计(Design for Assembly，DFA)理念提出预制构件的可装配性设计思路，在对装配式建筑斜支撑的设计规范和施工现场的要求进行深入探讨的基础上，基于Revit二次开发技术开发了面向设计人员的斜支撑DFA工具箱程序，并在BIM环境下实现两大主要功能：(1)智能载入、布设符合相关规范的斜支撑；(2)对碰撞检查出现的时空冲突提出解决方案，并应用于实际工程。

1 基于DFA的装配式建筑可装配性设计分析

可装配性设计(DFA)是指在设计阶段就从产品的全寿命周期考虑其制造、装配和维护的工艺性问题，分析产品装配环节的各种相关影响因素，在满足产品性能与功能的条件下充分利用各种技术手段改进产品装配结构，确保装配工序简单、降低装配和制造成本、减少管理费用、提高质量和缩短上市时间[8]。

国内外学者对于DFA的研究主要集中于可装配性的设计方法。日立公司基于一个部件对应一个动作的原则提出了一个系统的评估方法AEM(Assembly Evaluation Method)，用于评价所用的装配方法是否适合自动装配[9]。Hsu等[10]将可装配性设计应用于产品设计阶段，使用C#语言在Pro/Engineer平台开发程序，实现以状态转化图的形式作为产品功能要求的可视化表达。Coma等[11]介绍了一种可装配性的计算机辅助设计系统FuzzyDFA，对每个装配构件执行两步特征搜索：首先，使用最小边界框识别构件质量和尺寸；其次，提取形状特征确定一种有效的机械化方法。该系统实现了在早期设计阶段智能化评估装配过程。Thompson等[12]对一个产品开发中后期的电子控制系统工业案例进行研究，提出了一个包含关键绩效指标组(Key Performance Indicators，KPIs)的框架，发现可装配性设计在最大限度减少后期工程变更方面有很大的潜力，能够有效衡量和改进产品可装配性和产品质量。Boschetto等[13]将可装配性设计理念应用于航空航天工业的增材制造(Additive Manufacturing，AM)，强调在设计阶段就考虑与增材制造相关的约束条件，例如铰链的间隙和形状、支撑结构设计和拆除计划、建筑平台中的零件定位。Iwaya等[14]提出了可装配性重新设计(Redesign for Assembly，RFA)理念，为设计过程增加了一种显式注册和检索经验的方法，并通过实例证实了经验检索可快速直观地纳入设计过程。吴海华和谭宗柒[15]利用VB 6.0和Pro/E开发了以轴为主控零件的三维实体造型系统，解决了三维实体无法呈现构件可视化关系的现状。

整体而言，DFA作为一种适用于制造业的先进设计理念，可以将产品装配过程中可能出现的问题前置于设计阶段，充分利用各种技术手段降低产品成本、提高产品质量、缩短生产周期、保持较低库存。装配式建筑呈现出的设计、生产、装配三者关联的特点，与传统制造业产品的设计、制造关联高度类似。基于两者生产方式的高度相同，本文基于DFA理念提出预制构件的可装配性设计思路，探究斜支撑DFA的具体实现方法。

2 斜支撑族库的参数化创建

2.1 Revit中族的定义与类型

Autodesk Revit是基于族(Family)的BIM软件，其中所有建筑元素都被分组为族，Revit项目中的图元都基于族来定义。在族中可以设计多种包含长度、高度、形状、颜色等属性信息的族类型(FamilySymbol)，装配式建筑工程的设计人员可以根据实际项目的具体需要设计符合要求的族类型。当族类型被载入到具体的Revit项目中，相应的族实例(FamilyInstance)便被创建完成。Revit具有两种族类型：系统族和可加载族[16]。基本建筑元素是在Revit项目中预定义的系统族，例如墙、柱，而其他建筑元素则是可编辑与创建的可加载族，例如门、窗户。本文的斜支撑族构件依据可加载族创建。

2.2 斜支撑族构件的参数化创建

装配式建筑施工过程中，在预制墙板吊装就位后，应及时安装斜支撑并对预制墙板的位置、标高与垂直度进行校核与调整。斜支撑由斜撑用墙面钢片、带插筋螺母、螺栓、斜撑用地面拉环、斜支撑杆等构件组成。其中，斜支撑杆的安装基于两个参照标高，斜撑用墙面钢片、带插筋螺母、螺栓安装在墙板面，斜撑用地面拉环、带插筋螺母、螺栓安装在顶板面。在具体参数方面，GB/T 51231-2016《装配式混凝土建筑技术标准》、15G365-1《预制混凝土剪力墙外墙板》、15G365-2《预制混凝土剪力墙内墙板》[17～18]指出：预制构件的斜支撑不宜少于两道；对预制柱、墙板构件的上部斜支撑，其支撑点距离板底的距离不宜大于构件高度的2/3，且不应小于构件高度的1/2；上支撑与楼面的竖向夹角一般为45°～60°，下支撑与楼面的竖向夹角一般为30°～45°。

在Revit建模方面，本文采用可加载族创建如下斜支撑模型构件：斜撑用墙面钢片族、带插筋螺母族、螺栓族、斜撑用地面拉环族、斜支撑杆族等，如图1所示。由于在相关标准中并没有规定斜支撑的规格及长度，因此根据装配式建筑的墙高，本文以斜支撑1500、斜支撑1750、斜支撑2000三类为例进行分析，具体内涵是指上支撑点距离板底的距离分别为1500,1750,2000 mm，上支撑与楼面的竖向夹角为60°，下支撑与楼面的竖向夹角为45°。

图1 斜支撑族库的创建

3 基于BIM的斜支撑智能化设计程序开发

3.1 基于BIM的斜支撑智能化设计框架

本文的斜支撑智能化设计框架包括设计人员输入准备、智能化设计分析两大板块，如图2所示。

图2 基于BIM的斜支撑智能化设计框架

(1)设计人员输入准备板块

施工现场的预制墙板安装顺序是由施工进度计划决定的。为了正确分析施工现场的时间和空间信息，需要设计人员在准备阶段就制定包括项目名称、预制墙板名称、安装开始时间、安装结束时间在内的施工进度计划，并根据预制墙板的位置确定斜支撑的安装定位点，形成施工定位信息。另外，设计人员还需要设计符合相关规范的斜支撑族构件库。在此基础上，将施工进度计划、施工定位信息和斜支撑族构件库导入基于BIM的斜支撑智能化设计平台中。

(2)智能化设计分析板块：本版块包括载入族、智能布设斜支撑、冲突检查并提出解决方案三个主要功能。首先，设计人员通过载入族功能选项卡，将自定义的斜支撑族构件库导入Revit项目中。对于具体项目的复杂性与特殊性，设计人员需要基于经验选择布设合适的斜支撑。最后，基于设计人员布设斜支撑的时间和空间信息，智能化分析识别斜支撑的时空冲突，并提出解决方案，确保设计的可施工性。

3.2 Revit二次开发技术

Revit是Autodesk公司应用最为广泛的BIM软件，可以提供各类标准构件的参数化信息，能够较好地满足工程需要。丰富的Revit API(Application Programming Interface)接口为实现Revit二次开发提供了基础，用户可以通过Revit API接口进行基础功能的补充和拓展，实现个性化需求[19]。使用C#语言在Microsoft Visual Studio平台开发Revit功能插件，有两种添加启动程序的方式：外部命令(External Command)与外部应用(External Application)。本文采用Revit 2018作为BIM建模平台，开发环境为Microsoft Visual Studio 2017，添加启动程序功能方式为外部应用，目标框架为Microsoft.NET Framework 4.5.2。

基于上述建模平台与环境配置，本文首先根据相关规范设计完成了三类斜支撑参数化族的创建，形成装配式建筑斜支撑族库，并基于Revit开发装配式建筑多功能插件——斜支撑DFA工具箱。在工具箱的开发过程中，首先，根据族文档地址打开族文档，载入外部族；然后，遍历用户所拾取的元素，判断是否为墙，若为墙，则获取墙实例的几何、位置、属性等信息，确定载入外部族的定位点，并激活外部族，根据定位点，创建族实例、调整角度、布设斜支撑；最后，自动获取斜支撑的时间和空间信息，进行冲突检查，提出解决方案。载入外部族、布设临时支撑1500、冲突检查的开发流程如图3所示。该工具箱包括载入外部族、布设斜支撑1500、布设斜支撑1750、布设斜支撑2000、反向布设斜支撑1500、反向布设斜支撑1750、反向布设斜支撑2000、冲突检查等八个功能模块，创建命名为“斜支撑DFA工具箱”的Ribbon 选项卡，如图4所示。

图3 开发流程

图4 斜支撑DFA工具箱选项卡

3.3 斜支撑DFA工具箱的具体应用

(1)设计人员输入准备

斜支撑的智能化设计以施工进度计划、施工定位信息、族构件库为基本输入。图5a显示了在Microsoft Project中制定的施工进度计划信息，图5b显示了施工定位信息。

图5 设计人员输入准备样例

(2)智能布设斜支撑应用

首先，点击载入族按钮，将已经设计好的斜支撑参数化族库载入到Revit项目中；然后，根据提示选择要布设斜支撑的预制墙板，斜支撑DFA工具箱将智能生成相应的斜支撑。智能布设斜支撑2000样例如图6所示。

图6 智能布设斜支撑2000样例

(3)冲突检查并提出解决方案

在为所有预制墙板布设斜支撑后，运行冲突检查按钮。冲突检查界面如图7所示，其分为项目信息和冲突分析两个板块。项目信息包括项目名称、项目时间，冲突分析包括斜支撑名称、冲突时间。设计人员可以根据冲突检查结果对出现冲突的斜支撑重新布设。布设调整原理具体表现为：先在标准层中全部布设斜支撑2000，若出现冲突，则首先在出现冲突的位置反向布设斜支撑2000；若仍出现冲突或无法反向布设斜支撑(如外墙板情况)，则布设斜支撑1750，以此类推，直至无冲突为止。

图7 冲突检查样例

4 实例应用

某商品房住宅建设项目，建筑总面积约为17万m2，地下建筑面积约为4万m2，住宅建筑面积约为13万m2，总计8栋单体住宅楼。本文选取的3号住宅楼采用装配式混凝土剪力墙结构，地下1层，地上31层，层高为3 m。标准层的预制墙板分为预制外墙和预制内墙，其中预制外墙编号为WQ-1～WQ-5，预制内墙编号为NQ-1～NQ-17，标准层Revit模型如图8所示。在预制墙板的安装施工过程中，施工人员分为两个班组，协同完成标准层预制墙板的安装工作，施工进度计划表如图9所示。

图8 标准层Revit模型

图9 标准层预制墙板的施工进度计划

在3号住宅楼的Revit模型中运行斜支撑DFA工具箱中的载入族选项，并为标准层全部预制墙板布设斜支撑2000。在Revit中运行冲突检查功能，共出现4处时空冲突，如图10所示，即在2019年11月4日下午3时，NQ-3的1号斜支撑2000与NQ-4的1号斜支撑2000、NQ-4的2号斜支撑2000分别发生空间冲突；在2019年11月5日上午11时，NQ-7的1号斜支撑2000与NQ-8的1号斜支撑2000、NQ-8的2号斜支撑2000分别发生空间冲突。

图10 原方案冲突检查

对4处时空冲突进行调整，根据布设调整原理，首先对NQ-4的1号斜支撑2000和2号斜支撑2000反向布设，运行冲突检查，结果为出现冲突。选择布设斜支撑1750，运行冲突检查，结果仍出现冲突。反向布设斜支撑1750，运行冲突检查，发现还是出现冲突。则选择布设斜支撑1500，运行冲突检查，最终显示无冲突。NQ-8的1号斜支撑2000和2号斜支撑2000的布设调整依据与之相同。最终标准层中布设了20对斜支撑2000、2对斜支撑1500，如表1所示。冲突检查后显示无冲突，如图11所示。

表1 标准层斜支撑布设情况

图11 调整后碰撞检查

在该实例中，斜支撑作为一种临时性措施，若设计阶段并没有考虑其在施工时的可装配性，那么工人在施工现场安装过程中会发现上述4处冲突，预制墙板和楼板上的预埋钩环就要进行调整，对结构产生一定的影响，同时也极大影响了工程进度。相比之下，在Revit项目中使用斜支撑DFA工具箱插件，可以在极短的时间内布设符合装配式建筑设计、施工要求的斜支撑，并考虑斜支撑的施工进度，进行冲突分析，若出现冲突可在设计中及时调整，有效避免后期施工中的问题，因此本文所开发的插件具有良好的工程使用价值。