基于BIM的裝配式建筑斜支撐可裝配性設計

陸 瑩， 龔培鎮

(東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211189)

裝配式建筑是采用規?；a方式生產構件，并通過現場組裝形成的建筑，具有建造速度快、人力成本低、現場濕作業少、節能環保等優點[1～3]。根據相關測算，與傳統建造方式相比，裝配式建筑可以減少60%的建筑施工用水、80%的垃圾排放、55%的水泥砂漿、18%的施工用電、52%的保溫材料、80%的木材，具有顯著的社會、經濟和環境效益[4]。然而，由于建造方式的不同，裝配式建筑施工過程中大型預制構件數量多、預制構件吊裝及現場裝配任務大。

斜支撐工程是預制構件現場裝配中的重要環節。在傳統斜支撐的設計中，主要由工人在施工現場依據二維圖紙手工布設，施工前無可視化模型作為參照，施工較為粗糙。當房間進深過小、相鄰預制墻板距離太近時，斜支撐極易發生碰撞沖突，導致預制墻板和樓板的預埋件位置出現偏差，不利于現場施工，影響工程進度。

BIM(Building Information Modeling)作為一種可視化建模工具，可以提供規劃、設計、施工、運營階段所需的信息，其特點及應用流程與裝配式建筑的標準化施工高度契合，能夠有效解決裝配式建筑設計與施工階段的割裂問題，真正實現可裝配性設計。張婷[5]在分析BIM技術下裝配式剪力墻結構施工流程的基礎上，對墻板斜支撐族與節點模板族進行施工仿真模擬，但對具體的斜支撐結構形式研究不夠透徹。孫少輝等[6]利用BIM開發出簡易斜支撐模型，并對預制墻板斜支撐及復雜節點進行碰撞檢查。李皓燃[7]在識別裝配式建筑安全風險的基礎上，利用Revit二次開發技術在BIM平臺中開發了自動布設斜支撐的工具箱插件，但該插件并沒有考慮斜支撐的布設進度。不難發現，現有研究局限于在BIM中對斜支撐進行簡單建模與空間上的碰撞檢查，然而斜支撐作為一種臨時性的施工措施，還需要考慮施工流程上是否存在時空沖突問題，即在同一作業時間，不同斜支撐的安裝出現空間沖突。因此，本文基于可裝配性設計(Design for Assembly，DFA)理念提出預制構件的可裝配性設計思路，在對裝配式建筑斜支撐的設計規范和施工現場的要求進行深入探討的基礎上，基于Revit二次開發技術開發了面向設計人員的斜支撐DFA工具箱程序，并在BIM環境下實現兩大主要功能：(1)智能載入、布設符合相關規范的斜支撐；(2)對碰撞檢查出現的時空沖突提出解決方案，并應用于實際工程。

1 基于DFA的裝配式建筑可裝配性設計分析

可裝配性設計(DFA)是指在設計階段就從產品的全壽命周期考慮其制造、裝配和維護的工藝性問題，分析產品裝配環節的各種相關影響因素，在滿足產品性能與功能的條件下充分利用各種技術手段改進產品裝配結構，確保裝配工序簡單、降低裝配和制造成本、減少管理費用、提高質量和縮短上市時間[8]。

國內外學者對于DFA的研究主要集中于可裝配性的設計方法。日立公司基于一個部件對應一個動作的原則提出了一個系統的評估方法AEM(Assembly Evaluation Method)，用于評價所用的裝配方法是否適合自動裝配[9]。Hsu等[10]將可裝配性設計應用于產品設計階段，使用C#語言在Pro/Engineer平臺開發程序，實現以狀態轉化圖的形式作為產品功能要求的可視化表達。Coma等[11]介紹了一種可裝配性的計算機輔助設計系統FuzzyDFA，對每個裝配構件執行兩步特征搜索：首先，使用最小邊界框識別構件質量和尺寸；其次，提取形狀特征確定一種有效的機械化方法。該系統實現了在早期設計階段智能化評估裝配過程。Thompson等[12]對一個產品開發中后期的電子控制系統工業案例進行研究，提出了一個包含關鍵績效指標組(Key Performance Indicators，KPIs)的框架，發現可裝配性設計在最大限度減少后期工程變更方面有很大的潛力，能夠有效衡量和改進產品可裝配性和產品質量。Boschetto等[13]將可裝配性設計理念應用于航空航天工業的增材制造(Additive Manufacturing，AM)，強調在設計階段就考慮與增材制造相關的約束條件，例如鉸鏈的間隙和形狀、支撐結構設計和拆除計劃、建筑平臺中的零件定位。Iwaya等[14]提出了可裝配性重新設計(Redesign for Assembly，RFA)理念，為設計過程增加了一種顯式注冊和檢索經驗的方法，并通過實例證實了經驗檢索可快速直觀地納入設計過程。吳海華和譚宗柒[15]利用VB 6.0和Pro/E開發了以軸為主控零件的三維實體造型系統，解決了三維實體無法呈現構件可視化關系的現狀。

整體而言，DFA作為一種適用于制造業的先進設計理念，可以將產品裝配過程中可能出現的問題前置于設計階段，充分利用各種技術手段降低產品成本、提高產品質量、縮短生產周期、保持較低庫存。裝配式建筑呈現出的設計、生產、裝配三者關聯的特點，與傳統制造業產品的設計、制造關聯高度類似?；趦烧呱a方式的高度相同，本文基于DFA理念提出預制構件的可裝配性設計思路，探究斜支撐DFA的具體實現方法。

2 斜支撐族庫的參數化創建

2.1 Revit中族的定義與類型

Autodesk Revit是基于族(Family)的BIM軟件，其中所有建筑元素都被分組為族，Revit項目中的圖元都基于族來定義。在族中可以設計多種包含長度、高度、形狀、顏色等屬性信息的族類型(FamilySymbol)，裝配式建筑工程的設計人員可以根據實際項目的具體需要設計符合要求的族類型。當族類型被載入到具體的Revit項目中，相應的族實例(FamilyInstance)便被創建完成。Revit具有兩種族類型：系統族和可加載族[16]?；窘ㄖ厥窃赗evit項目中預定義的系統族，例如墻、柱，而其他建筑元素則是可編輯與創建的可加載族，例如門、窗戶。本文的斜支撐族構件依據可加載族創建。

2.2 斜支撐族構件的參數化創建

裝配式建筑施工過程中，在預制墻板吊裝就位后，應及時安裝斜支撐并對預制墻板的位置、標高與垂直度進行校核與調整。斜支撐由斜撐用墻面鋼片、帶插筋螺母、螺栓、斜撐用地面拉環、斜支撐桿等構件組成。其中，斜支撐桿的安裝基于兩個參照標高，斜撐用墻面鋼片、帶插筋螺母、螺栓安裝在墻板面，斜撐用地面拉環、帶插筋螺母、螺栓安裝在頂板面。在具體參數方面，GB/T 51231-2016《裝配式混凝土建筑技術標準》、15G365-1《預制混凝土剪力墻外墻板》、15G365-2《預制混凝土剪力墻內墻板》[17～18]指出：預制構件的斜支撐不宜少于兩道；對預制柱、墻板構件的上部斜支撐，其支撐點距離板底的距離不宜大于構件高度的2/3，且不應小于構件高度的1/2；上支撐與樓面的豎向夾角一般為45°～60°，下支撐與樓面的豎向夾角一般為30°～45°。

在Revit建模方面，本文采用可加載族創建如下斜支撐模型構件：斜撐用墻面鋼片族、帶插筋螺母族、螺栓族、斜撐用地面拉環族、斜支撐桿族等，如圖1所示。由于在相關標準中并沒有規定斜支撐的規格及長度，因此根據裝配式建筑的墻高，本文以斜支撐1500、斜支撐1750、斜支撐2000三類為例進行分析，具體內涵是指上支撐點距離板底的距離分別為1500,1750,2000 mm，上支撐與樓面的豎向夾角為60°，下支撐與樓面的豎向夾角為45°。

圖1 斜支撐族庫的創建

3 基于BIM的斜支撐智能化設計程序開發

3.1 基于BIM的斜支撐智能化設計框架

本文的斜支撐智能化設計框架包括設計人員輸入準備、智能化設計分析兩大板塊，如圖2所示。

圖2 基于BIM的斜支撐智能化設計框架

(1)設計人員輸入準備板塊

施工現場的預制墻板安裝順序是由施工進度計劃決定的。為了正確分析施工現場的時間和空間信息，需要設計人員在準備階段就制定包括項目名稱、預制墻板名稱、安裝開始時間、安裝結束時間在內的施工進度計劃，并根據預制墻板的位置確定斜支撐的安裝定位點，形成施工定位信息。另外，設計人員還需要設計符合相關規范的斜支撐族構件庫。在此基礎上，將施工進度計劃、施工定位信息和斜支撐族構件庫導入基于BIM的斜支撐智能化設計平臺中。

(2)智能化設計分析板塊：本版塊包括載入族、智能布設斜支撐、沖突檢查并提出解決方案三個主要功能。首先，設計人員通過載入族功能選項卡，將自定義的斜支撐族構件庫導入Revit項目中。對于具體項目的復雜性與特殊性，設計人員需要基于經驗選擇布設合適的斜支撐。最后，基于設計人員布設斜支撐的時間和空間信息，智能化分析識別斜支撐的時空沖突，并提出解決方案，確保設計的可施工性。

3.2 Revit二次開發技術

Revit是Autodesk公司應用最為廣泛的BIM軟件，可以提供各類標準構件的參數化信息，能夠較好地滿足工程需要。豐富的Revit API(Application Programming Interface)接口為實現Revit二次開發提供了基礎，用戶可以通過Revit API接口進行基礎功能的補充和拓展，實現個性化需求[19]。使用C#語言在Microsoft Visual Studio平臺開發Revit功能插件，有兩種添加啟動程序的方式：外部命令(External Command)與外部應用(External Application)。本文采用Revit 2018作為BIM建模平臺，開發環境為Microsoft Visual Studio 2017，添加啟動程序功能方式為外部應用，目標框架為Microsoft.NET Framework 4.5.2。

基于上述建模平臺與環境配置，本文首先根據相關規范設計完成了三類斜支撐參數化族的創建，形成裝配式建筑斜支撐族庫，并基于Revit開發裝配式建筑多功能插件——斜支撐DFA工具箱。在工具箱的開發過程中，首先，根據族文檔地址打開族文檔，載入外部族；然后，遍歷用戶所拾取的元素，判斷是否為墻，若為墻，則獲取墻實例的幾何、位置、屬性等信息，確定載入外部族的定位點，并激活外部族，根據定位點，創建族實例、調整角度、布設斜支撐；最后，自動獲取斜支撐的時間和空間信息，進行沖突檢查，提出解決方案。載入外部族、布設臨時支撐1500、沖突檢查的開發流程如圖3所示。該工具箱包括載入外部族、布設斜支撐1500、布設斜支撐1750、布設斜支撐2000、反向布設斜支撐1500、反向布設斜支撐1750、反向布設斜支撐2000、沖突檢查等八個功能模塊，創建命名為“斜支撐DFA工具箱”的Ribbon 選項卡，如圖4所示。

圖3 開發流程

圖4 斜支撐DFA工具箱選項卡

3.3 斜支撐DFA工具箱的具體應用

(1)設計人員輸入準備

斜支撐的智能化設計以施工進度計劃、施工定位信息、族構件庫為基本輸入。圖5a顯示了在Microsoft Project中制定的施工進度計劃信息，圖5b顯示了施工定位信息。

圖5 設計人員輸入準備樣例

(2)智能布設斜支撐應用

首先，點擊載入族按鈕，將已經設計好的斜支撐參數化族庫載入到Revit項目中；然后，根據提示選擇要布設斜支撐的預制墻板，斜支撐DFA工具箱將智能生成相應的斜支撐。智能布設斜支撐2000樣例如圖6所示。

圖6 智能布設斜支撐2000樣例

(3)沖突檢查并提出解決方案

在為所有預制墻板布設斜支撐后，運行沖突檢查按鈕。沖突檢查界面如圖7所示，其分為項目信息和沖突分析兩個板塊。項目信息包括項目名稱、項目時間，沖突分析包括斜支撐名稱、沖突時間。設計人員可以根據沖突檢查結果對出現沖突的斜支撐重新布設。布設調整原理具體表現為：先在標準層中全部布設斜支撐2000，若出現沖突，則首先在出現沖突的位置反向布設斜支撐2000；若仍出現沖突或無法反向布設斜支撐(如外墻板情況)，則布設斜支撐1750，以此類推，直至無沖突為止。

圖7 沖突檢查樣例

4 實例應用

某商品房住宅建設項目，建筑總面積約為17萬m2，地下建筑面積約為4萬m2，住宅建筑面積約為13萬m2，總計8棟單體住宅樓。本文選取的3號住宅樓采用裝配式混凝土剪力墻結構，地下1層，地上31層，層高為3 m。標準層的預制墻板分為預制外墻和預制內墻，其中預制外墻編號為WQ-1～WQ-5，預制內墻編號為NQ-1～NQ-17，標準層Revit模型如圖8所示。在預制墻板的安裝施工過程中，施工人員分為兩個班組，協同完成標準層預制墻板的安裝工作，施工進度計劃表如圖9所示。

圖8 標準層Revit模型

圖9 標準層預制墻板的施工進度計劃

在3號住宅樓的Revit模型中運行斜支撐DFA工具箱中的載入族選項，并為標準層全部預制墻板布設斜支撐2000。在Revit中運行沖突檢查功能，共出現4處時空沖突，如圖10所示，即在2019年11月4日下午3時，NQ-3的1號斜支撐2000與NQ-4的1號斜支撐2000、NQ-4的2號斜支撐2000分別發生空間沖突；在2019年11月5日上午11時，NQ-7的1號斜支撐2000與NQ-8的1號斜支撐2000、NQ-8的2號斜支撐2000分別發生空間沖突。

圖10 原方案沖突檢查

對4處時空沖突進行調整，根據布設調整原理，首先對NQ-4的1號斜支撐2000和2號斜支撐2000反向布設，運行沖突檢查，結果為出現沖突。選擇布設斜支撐1750，運行沖突檢查，結果仍出現沖突。反向布設斜支撐1750，運行沖突檢查，發現還是出現沖突。則選擇布設斜支撐1500，運行沖突檢查，最終顯示無沖突。NQ-8的1號斜支撐2000和2號斜支撐2000的布設調整依據與之相同。最終標準層中布設了20對斜支撐2000、2對斜支撐1500，如表1所示。沖突檢查后顯示無沖突，如圖11所示。

表1 標準層斜支撐布設情況

圖11 調整后碰撞檢查

在該實例中，斜支撐作為一種臨時性措施，若設計階段并沒有考慮其在施工時的可裝配性，那么工人在施工現場安裝過程中會發現上述4處沖突，預制墻板和樓板上的預埋鉤環就要進行調整，對結構產生一定的影響，同時也極大影響了工程進度。相比之下，在Revit項目中使用斜支撐DFA工具箱插件，可以在極短的時間內布設符合裝配式建筑設計、施工要求的斜支撐，并考慮斜支撐的施工進度，進行沖突分析，若出現沖突可在設計中及時調整，有效避免后期施工中的問題，因此本文所開發的插件具有良好的工程使用價值。

5 結 論

本文提出預制構件的可裝配性設計思路，基于Revit二次開發技術，運用C#語言讀取復雜的Revit模型，重點研究在Revit平臺下斜支撐的設計優化。具體得到如下結論：

(1)族是創建斜支撐Revit模型的基礎，本文根據相關規范設計了符合要求的裝配式建筑斜支撐族構件，形成小型族庫，為后續開發斜支撐DFA工具箱插件提供基礎。

(2)本文基于Revit API接口技術進行斜支撐程序開發，實現了在Revit項目中智能載入、布設斜支撐，并對沖突檢查出現的時空沖突提出解決方案。經過工程實例驗證，結果表明該程序能夠在極短的時間內滿足實際施工的需要。

(3)本文斜支撐的設計與布設擺脫了二維平面的局限，是真正意義上基于Revit的二次開發，布設的每一個構件都具有獨特的屬性信息，有助于后續預制墻板預埋件的設計。

(4)由于斜支撐本身的復雜性與獨特性，本文開發的斜支撐DFA工具箱插件有待于更多的拓展和補充，以提高該插件的通用性和自適應性。